4.3 地埋管换热系统设计

4.3.3  地源热泵系统最大释热量与建筑设计冷负荷相对应。包括：各空调分区内水源热泵机组释放到循环水中的热量(空调负荷和机组压缩机耗功)、循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热量。将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水的总热量。即：

    最大释热量＝∑[空调分区冷负荷×(1＋1/EER)]＋∑输送过程得热量＋∑水泵释放热量

    地源热泵系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应。包括：各空调分区内热泵机组从循环水中的吸热量(空调热负荷，并扣除机组压缩机耗功)、循环水在输送过程失去的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量。将上述前二项热量相加并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的总吸热量。即：

    最大吸热量＝∑[空调分区热负荷×(1—1/COP)]＋∑输送过程失热量—∑水泵释放热量

    最大吸热量和最大释热量相差不大的工程，应分别计算供热与供冷工况下地埋管换热器的长度，取其大者，确定地埋管换热器；当两者相差较大时，宜通过技术经济比较，采用辅助散热(增加冷却塔)或辅助供热的方式来解决，一方面经济性较好，同时，也可避免因吸热与释热不平衡引起岩土体温度的降低或升高。

4.3.4  地埋管换热器有水平和竖直两种埋管方式。当可利用地表面积较大，浅层岩土体的温度及热物性受气候、雨水、埋设深度影响较小时，宜采用水平地埋管换热器。否则，宜采用竖直地埋管换热器。图1为常见的水平地埋管换热器形式，图2为新近开发的水平地埋管换热器形式，图3为竖直地埋管换热器形式。在没有合适的室外用地时，竖直地埋管换热器还可以利用建筑物的混凝土基桩埋设，即将U形管捆扎在基桩的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，使U形管固定在基桩内。

图1  几种常见的水平地埋管换热器形式

(a)单或双环路；(b)双或四环路；(c)三或六环路

图2   几种新近开发的水平地埋管换热器形式

(a)垂直排圈式；(b)水平排圈式；(c)水平螺旋式

图3  竖直地埋管换热器形式

(a)单U形管；(b)双U形管；(c)小直径螺旋盘管；(d)大直径螺旋盘管；(e)立柱状；(f)蜘蛛状；(g)套管式

4.3.5  地埋管换热器设计计算是地源热泵系统设计所特有的内容，由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不同地区，甚至同一地区不同区域岩土体的换热特性差别都很大。为保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，通常，设计前需要对现场岩土体热物性进行测定，并根据实测数据进行计算。此外建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。因此，考虑地埋管换热器设计计算的特殊性及复杂性，宜采用专用软件进行计算。该软件应具有以下功能：

    1  能计算或输入建筑物全年动态负荷；

    2  能计算当地岩土体平均温度及地表温度波幅；

    3  能模拟岩土体与换热管间的热传递及岩土体长期储热效果；

    4  能计算岩土体、传热介质及换热管的热物性；

    5  能对所设计系统的地埋管换热器的结构进行模拟，(如钻孔直径、换热器类型、灌浆情况等)。

    目前，在国际上比较认可的地埋管换热器的计算核心为瑞典隆德大学开发的g-functions算法。根据程序界面的不同主要有：瑞典隆德Lund大学开发的EED程序；美国威斯康星Wiseon-sin-Madison大学Solar Energy实验室(SEL)开发的TRNSYS程序；美国俄克拉何马州Oklahoma大学开发的GLHEPRO程序。在国内，许多大专院校也曾对地埋管换热器的计算进行过研究并编制了计算软件。

4.3.5A  利用岩土热响应试验进行地埋管换热器的设计，是将岩土综合热物性参数、岩土初始平均温度和空调冷热负荷输入专业软件，在夏季工况和冬季工况运行条件下进行动态耦合计算，通过控制地埋管换热器夏季运行期间出口最高温度和冬季运行期间进口最低温度，进行地埋管换热器的设计。

    条文中对冬夏运行期间地埋管换热器进出口温度的规定，是出于对地源热泵系统节能性的考虑，同时保证热泵机组的安全运行。在夏季，如果地埋管换热器出口温度高于33℃，地源热泵系统的运行工况与常规的冷却塔相当，无法充分体现地源热泵系统的节能性；在冬季，制定地埋管换热器出口温度限值，是为了防止温度过低，机组结冰，系统能效比降低。

    为了便于设计人员采用，本条文分别规定了冬夏期间地埋管换热器进出口温度的限值，通常地埋管地源热泵系统设计时进出口温度限值的的确定，还应考虑对全年运行能效的影响；在对有利于提高冬夏全年运行能效和节能量的条件下，夏季运行期间地埋管换热器出口温度和冬季运行地埋管换热器进口温度可做适当调整。

4.3.6  引自加拿大地源热泵系统设计安装标准《Design and In-stallation of Earth Energy Systems for Commercial and Institu-tional Buildings》CAN/CSA-C448.1。

4.3.8  为避免换热短路，钻孔间距应通过计算确定。岩土体吸、释热量平衡时，宜取小值；反之，宜取大值。

4.3.9  目的为确保系统及时排气和加强换热。地埋管换热器内管道推荐流速：双U形埋管不宜小于0.4m/s，单U形埋管不宜小于0.6m/s。

4.3.10  利于水力平衡及降低压力损失。供、回水环路集管的间距不小于0.6m，是为了减少供回水管间的热传递。

4.3.11  地埋管换热器远离水井及室外排水设施，是为了减少水井及室外排水设施的影响。靠近机房或以机房为中心设置是为了缩短供、回水集管的长度。

4.3.12  目的在于增加系统的安全性、可靠性。便于系统充液，一般在分水器或集水器上预留充液管。连接地埋管换热器系统的室内送、回液联管上要安装闭式膨胀箱、充放液设施、压力表、温度计等基本仪器与部件。

4.3.13  保证地下埋管的导热效果，但对于地质情况多为岩石的区域，回填料导热系数可低于岩土体导热系数。

4.3.14  传热介质不同，其摩擦阻力也不同，水力计算应按选用的传热介质的水力特性进行计算。国内已有塑料管比摩阻均是针对水而言，对添加防冻剂的水溶液，目前尚无相应数据，为此，地埋管压力损失可参照以下方法进行计算。该方法引自《地源热泵工程技术指南》(Ground-source heat pump engineer-ing manual)。

    1  确定管内流体的流量、公称直径和流体特性。

    2  根据公称直径，确定地埋管的内径。

    3  计算地埋管的断面面积A：

    式中  A——地埋管的断面面积(㎡)；

            d_j——地埋管的内径(m)。

    4  计算管内流体的流速V：

    式中 V——管内流体的流速(m/s)；

            G——管内流体的流量(m³/h)。

    5  计算管内流体的雷诺数Re，Re应该大于2300以确保紊流：

    式中  Re——管内流体的雷诺数；

            ρ——管内流体的密度(kg/m³)；

            μ——管内流体的动力黏度(N·s/㎡)。

    6  计算管段的沿程阻力P_y：

    式中 P_y——计算管段的沿程阻力(Pa)；

            P_d——计算管段单位管长的沿程阻力(Pa/m)；

            L——计算管段的长度(m)。

    7  计算管段的局部阻力P_j：

    式中 P_j——计算管段的局部阻力(Pa)；

            L_j——计算管段管件的当量长度(m)。

    管件的当量长度可按表1计算。

表1  管件当量长度表

    8  计算管段的总阻力Pz：

    式中 P_z——计算管段的总阻力(Pa)。

4.3.15  地埋管换热系统根据建筑负荷变化进行流量调节，可以节省运行电耗。

4.3.17  目的在于防止地埋管换热系统堵塞。