摘要：本文主要介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，重點論述了地下熱交換器的設(shè)計過程。并舉例加以說明。
關(guān)鍵詞：土壤源熱泵 熱交換器 設(shè)計
0 引言
隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對建筑節(jié)能的要求越來越高，而供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主要組成部分，因此，設(shè)法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)[1]。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)3種形式。
土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地?zé)峤粨Q器。
地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱。
地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器。
雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國外（如美國、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論研究和實驗研究的重點均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計指導(dǎo)，本文進行了初步探討，以供參考。
1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟
（1）建筑物冷熱負荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算
建筑物冷熱負荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負荷計算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊，在此不再贅述。
冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。
其中
——夏季向土壤排放的熱量，kW
——夏季設(shè)計總冷負荷，kW
——冬季從土壤吸收的熱量，kW
——冬季設(shè)計總熱負荷，kW
——設(shè)計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)
——設(shè)計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)
一般地，水源熱泵機組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的 、 。若樣本中無所需的設(shè)計工況，可以采用插值法計算。
（2）地下熱交換器設(shè)計
這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）
（3）其它
2 地下熱交換器設(shè)計
2.1 選擇熱交換器形式
2.1.1 水平（臥式）或垂直（立式）
在現(xiàn)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多[3]，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根據(jù)埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型（詳見[2]）。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明[4]：最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環(huán)路有3種（詳見[1]），其中使用最普遍的是每個豎井中布置單U型管。
2.1.2 串聯(lián)或并聯(lián)
地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文，即常采用單U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。
2.2 選擇管材
一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。
2.3 確定管徑
在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求[2]：（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當(dāng)量長度以下[1]。
2.4 確定豎井埋管管長
地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。文獻[2]介紹了一種計算方法共分9個步驟, 很繁瑣，并且部分數(shù)據(jù)不易獲得。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右[3]。
設(shè)計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計算公式如下：
其中
——豎井埋管總長，m
——夏季向土壤排放的熱量，kW
分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m
2.5 確定豎井?dāng)?shù)目及間距
國外，豎井深度多數(shù)采用50～100m[2]，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井?dāng)?shù)目：
其中
——豎井總數(shù)，個
L——豎井埋管總長，m
——豎井深度，m
分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。
然后對計算結(jié)果進行圓整，若計算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。
關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m[3]，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m[4]。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置來節(jié)約占地面積。
2.6 計算管道壓力損失
在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯?dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。
2.7 水泵選型
根據(jù)上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數(shù)。
2.8 校核管材承壓能力
管路壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程一半的總和[1]，即：
其中
——管路壓力，Pa
——建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa
——地下埋管中流體密度，kg/m3
——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2
——地下埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)點的高度差，m
——水泵揚程，Pa
3其它
3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)點處（一般為1m）設(shè)計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。
3.2在某些商用或公用建筑物的地源熱泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)的供冷量遠大于供熱量，導(dǎo)致地下熱交換器十分龐大，價格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設(shè)計供熱工況下吸熱量來設(shè)計，同時增加輔助換熱裝置（如冷卻塔＋板式換熱器，板式換熱器主要是使建筑物內(nèi)環(huán)路可以獨立于冷卻塔運行）承擔(dān)供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝費用，保證地源熱泵系統(tǒng)具有更大的市場前景，尤其適用于改造工程。
關(guān)鍵詞：土壤源熱泵 熱交換器 設(shè)計
0 引言
隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對建筑節(jié)能的要求越來越高，而供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主要組成部分，因此，設(shè)法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)[1]。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)3種形式。
土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地?zé)峤粨Q器。
地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱。
地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器。
雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國外（如美國、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論研究和實驗研究的重點均是土壤源熱泵系統(tǒng)。目前缺乏系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)以及較具體的設(shè)計指導(dǎo)，本文進行了初步探討，以供參考。
1 土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟
（1）建筑物冷熱負荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計算
建筑物冷熱負荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負荷計算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊，在此不再贅述。
冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。
其中
——夏季向土壤排放的熱量，kW
——夏季設(shè)計總冷負荷，kW
——冬季從土壤吸收的熱量，kW
——冬季設(shè)計總熱負荷，kW
——設(shè)計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)
——設(shè)計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)
一般地，水源熱泵機組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計算時應(yīng)從樣本中選用設(shè)計工況下的 、 。若樣本中無所需的設(shè)計工況，可以采用插值法計算。
（2）地下熱交換器設(shè)計
這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）
（3）其它
2 地下熱交換器設(shè)計
2.1 選擇熱交換器形式
2.1.1 水平（臥式）或垂直（立式）
在現(xiàn)場勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多[3]，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根據(jù)埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型（詳見[2]）。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明[4]：最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環(huán)路有3種（詳見[1]），其中使用最普遍的是每個豎井中布置單U型管。
2.1.2 串聯(lián)或并聯(lián)
地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文，即常采用單U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。
2.2 選擇管材
一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。
2.3 確定管徑
在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求[2]：（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當(dāng)量長度以下[1]。
2.4 確定豎井埋管管長
地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。文獻[2]介紹了一種計算方法共分9個步驟, 很繁瑣，并且部分數(shù)據(jù)不易獲得。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右[3]。
設(shè)計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），具體計算公式如下：
其中
——豎井埋管總長，m
——夏季向土壤排放的熱量，kW
分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m
2.5 確定豎井?dāng)?shù)目及間距
國外，豎井深度多數(shù)采用50～100m[2]，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井?dāng)?shù)目：
其中
——豎井總數(shù)，個
L——豎井埋管總長，m
——豎井深度，m
分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。
然后對計算結(jié)果進行圓整，若計算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。
關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m[3]，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m[4]。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置來節(jié)約占地面積。
2.6 計算管道壓力損失
在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯?dāng)量長度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當(dāng)量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。
2.7 水泵選型
根據(jù)上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數(shù)。
2.8 校核管材承壓能力
管路壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程一半的總和[1]，即：
其中
——管路壓力，Pa
——建筑物所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa
——地下埋管中流體密度，kg/m3
——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2
——地下埋管最低點與閉式循環(huán)系統(tǒng)點的高度差，m
——水泵揚程，Pa
3其它
3.1與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)點處（一般為1m）設(shè)計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。
3.2在某些商用或公用建筑物的地源熱泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)的供冷量遠大于供熱量，導(dǎo)致地下熱交換器十分龐大，價格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設(shè)計供熱工況下吸熱量來設(shè)計，同時增加輔助換熱裝置（如冷卻塔＋板式換熱器，板式換熱器主要是使建筑物內(nèi)環(huán)路可以獨立于冷卻塔運行）承擔(dān)供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝費用，保證地源熱泵系統(tǒng)具有更大的市場前景，尤其適用于改造工程。