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土壤源热泵地埋管换热器计算模型汇报人：2023-12-28•土壤源热泵地埋管换热器概述•土壤源热泵地埋管换热器设计计算目录•土壤源热泵地埋管换热器性能分析•土壤源热泵地埋管换热器优化设计•土壤源热泵地埋管换热器工程实例目录01土壤源热泵地埋管换热器概述定义土壤源热泵地埋管换热器是一种利用地下土壤作为热源和热汇的换热器，通过地埋管与地下土壤进行热交换，实现供暖或制冷的目的。
工作原理地埋管通常采用高密度聚乙烯管或无缝钢管，通过在地下钻孔或沟槽埋设，与土壤进行热交换。
在冬季供暖时，地埋管从地下吸收热量，通过热泵系统将热量提取到室内；在夏季制冷时，地埋管将室内的热量传递到地下土壤中。
定义与工作原理农业设施供暖在农业设施中，如温室、养殖场等，土壤源热泵地埋管换热器可以提供稳定的温度环境，促进植物生长和动物养殖。
游泳池和水景供暖在游泳池和水景等水体中，土壤源热泵地埋管换热器可以提供恒定的温度，保持水体的舒适性。
住宅和商业建筑供暖和制冷土壤源热泵地埋管换热器适用于新建和既有建筑供暖和制冷的需求，具有高效、节能、环保等优点。
土壤源热泵地埋管换热器的应用土壤源热泵地埋管换热器的优势与局限性优势土壤源热泵地埋管换热器具有高效、节能、环保、稳定等优点，能够满足不同建筑和设施的供暖和制冷需求。
同时，地埋管换热器不占用室内空间，对建筑布局和美观度影响较小。
局限性土壤源热泵地埋管换热器在设计和安装过程中需要考虑地质条件、气候条件等因素的影响，同时需要合理配置热泵系统和控制系统，以保证系统的稳定性和能效。
此外，地埋管换热器的初投资较高，需要综合考虑其长期运行成本和经济效益。
02土壤源热泵地埋管换热器设计计算土壤比热容表示土壤吸收或释放热量时温度的变化程度，计算时需考虑土壤的成分和密度。
土壤初始温度和边界条件确定土壤初始温度以及土壤与地埋管换热器的边界条件，有助于准确模拟地埋管换热器的传热过程。
土壤导热系数根据土壤类型、含水量、温度等因素计算土壤的导热系数，是地埋管换热器传热计算的重要参数。
地源热泵系统地埋管换热器设计标准
地源热泵系统地埋管换热器设计需要遵循以下标准：
1. 地埋管长度：地埋管的长度应该根据项目的热负荷来确定。
通常来说，每平方米的供热面积需要1.5到2米的地埋管长度。
2. 地下管道材料：地下管道材料应该是防腐蚀、耐压、耐高温的材料。
常见的材料有PE管、PVC管、玻璃钢管等。
3. 地下管道布局：地下管道应该布置在深度大于1米的土层中，管道间距应该不小于1米。
4. 地下管道安装：地下管道的安装应该避免出现弯曲、压扁等情况，管道与管道之间应该加装防水胶带以避免漏水。
5. 管道维护：地下管道应该有定期的维护和检测。
通常来说，每一年至少要进行一次管道的清洗和排气。
6. 管道的导热性能：地下管道应该具有较好的导热性能以保证换热效果。
7. 管道的热损失：地下管道的热损失应该较小，通常应控制在3%以内。
以上是地源热泵系统地埋管换热器设计时需要遵循的标准。
地源热泵地埋管换热器形式与布置方法摘要：地热源热泵空调供热系统的能效比可达3-5，是效益最显著的节能技术之一，地源热泵空调供热技术早在上一世纪50年代开始再欧美得到应用，在上一世纪90年代开始在中国应用。
地埋管地源热泵系统是引用最广泛的地源热泵系统形式。
但是一般建筑占地面积有限，建筑用地红线范围以内，建筑地下室之外的地埋管换热井布置面积相当有限。
要充分挖掘建筑可再生能源利用资源，必须利用建筑物下空间。
文章介绍地源热泵系统地埋管换热器形式，安全设计要点，应用案例。
指出正确的地埋管换热系统设计与施工方法，与建筑结构专业的协调配合，可以在充分利用建筑地热资源同时，不影响结构与建筑物防水安全。
一、地源热泵系统地埋管管换热器地源热泵系统是指以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。
根据热源体的性质，地源热泵系统可以分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统与地表水地源热泵系统。
地埋管地源热泵系统是使用性最广泛的地源热泵系统形式。
地埋管地源热泵系统根据地埋管换热器布置方式不同分为水平埋管式与垂直埋管式，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。
a单或双环路 b 双或四环路 c三或六环路图1 几种常见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2 几种水平地埋管换热器形式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套管式图3 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，多称之为“能量桩”。
地埋管换热器根据换热单元不同又可分为单U型换热器、双U型换热器、W 型换热器等。
地源热泵地埋管计算方法更新：2011-10-13 来源：作者：阅读：894 评论：[0]条摘要：一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。
地埋部分设计（一）管材选择及流体介质一、管材一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。
1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。
2、PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC 管。
3、为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。
4、管件公称压力不得小于1.0Mpa，工作温度应在-20℃～50℃范围内。
5、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。
6、地埋管应能按设计要求长度成捆供应，中间不得有机械接口及金属接头。
二、连接1、热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）2、电熔联结三、流体介质及回填料流体介质南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。
（①盐类溶液--氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。
埋管水温：1、热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7-12℃，与普通冷水机组相同。
地埋管中循环水进入U管的最高温度应<37℃，与冷却塔进水温度相同。
2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。
地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3-4℃。
当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。
地源热泵系统U型地埋管换热器的选型要点及施工技术一、选型要点1.确定热负荷和冷负荷：根据建筑物的使用功能和当地的室外气候条件，确定地源热泵系统的热负荷和冷负荷，从而选择合适型号的U型地埋管换热器。
2.确定换热器长度和直径：根据系统的热负荷和冷负荷，以及土壤的热性能参数，计算出所需的换热面积，进而确定换热器的长度和直径。
3.选择合适的管材：U型地埋管换热器的管材应具有良好的耐腐蚀性、热传导性和较高的机械强度，常用的管材有高密度聚乙烯(HDPE)等。
4.确定管间距：在土壤中，管间距的确定应考虑土壤的热传导性能、地下水位以及施工条件等因素，一般管间距在3-5米之间。
5.选择连接方式：U型地埋管换热器的连接方式分为单U型和双U 型两种，根据实际情况选择合适的连接方式，以确保系统的正常运行。
二、施工技术1.施工前准备：清理施工现场，确保施工现场干净整洁，并对管道、管件、阀门等材料进行检查，确保符合设计要求。
2.测量定位：根据设计图纸和现场实际情况，确定U型地埋管换热器的位置，并进行准确的测量定位。
3.钻孔：使用钻机在地下钻孔，孔径和深度应符合设计要求,并确保钻孔的位置、角度和深度准确无误。
4.下管：将U型管放入孔中，确保管道的连接牢固可靠，并按照设计要求进行固定。
5.回填：使用合适的回填材料将孔洞填满，并确保回填材料密实、均匀，以减小热阻。
6.管道连接与试压：按照设计要求将管道连接起来，并进行试压检验，确保管道无泄漏。
7.系统调试与运行：对整个地源热泵系统进行调试和运行，确保系统运行正常、稳定，达到设计效果。
需要注意的是，U型地埋管换热器的施工需要在专业技术人员指导下进行，严格遵守相关施工规范和技术要求，确保施工质量符合设计要求和使用安全。
同时，施工过程中应加强质量控制和安全管理,确保施工人员的安全和健康。
地源热泵施工方案一、工程概况 (2)二、地埋管钻露井及罐浆施工技术 (2)1、施工依据： (2)2、钻孔任务： (2)3、钻孔设备 (2)4、钻孔质量与验收 (2)5、质量保证的措施 (2)6、安全生产 (3)7、灌浆技术要求 (3)8、具体施工工艺 (3)8.1 U型管预制 (4)8.2 成井方法 (4)8.3 下管 (4)8.4试压 (5)8.5 回填 (5)三、水平管施工工艺 (5)1、放线 (6)2、沟槽开挖 (6)3、管路安装 (7)4、回填 (7)5、交叉处理 (8)四、地埋管系统试压 (8)地源热泵施工方案一、工程概况1、项目基本信息本工程为合肥铜冠花园广场内超高层总部地标大厦空调项目，总计打井474口，其中258口位于大厦西、北、东侧周边，216口位于地下一层停车场地坪以下。
2、测试孔岩土层地质情况根据甲方提供信息，地表土层为普通沙土，土层以下为砂岩。
二、地埋管钻露井及罐浆施工技术1、施工依据：业主钻孔技术要求某公司新址中国江苏省《岩土热响应测试分析报告》《水利水电工程钻探规程》（SL291-2003）《建筑工程地质钻探技术标准》（JGJ87-92）《建筑地基处理规程》（JGJ79-2002）2、钻孔任务：地埋管工程：钻孔数量474个，钻孔深度105m，成孔直径450mm，垂直管深度100m。
3、钻孔设备地下换热器施工从制作、安装到调试采用机械化生产，根据工程需要配备足够的施工机械、工具、测量器具和通讯工具是提高施工效率，确保工程质量和安全生产。
拟投入设备表：4、钻孔质量与验收钻孔质量与验收依据设计要求和有关规程进行。
5、质量保证的措施5.1钻探设备安装之后必须进行安全等项目的检查，确认安装合格后，方可开钻。
5.2合理选用钻井方法、钻具、钻井技术参数及工艺。
5.3严格按钻探规程进行作业，合理掌握回次进尺长度。
5.4在施工过程中，按一定的钻孔深度，使用水平尺校正钻机。
5.6调平钻机，用垂直吊线法检验其主轴的垂直度，使其垂直度误差＜0.5%L。
地源热泵地埋管计算方法更新：2011-10-13 来源：作者：阅读：894 评论：[0]条摘要：一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。
地埋部分设计（一）管材选择及流体介质一、管材一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。
1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。
2、PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC 管。
3、为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。
4、管件公称压力不得小于1.0Mpa，工作温度应在-20℃～50℃范围内。
5、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。
6、地埋管应能按设计要求长度成捆供应，中间不得有机械接口及金属接头。
二、连接1、热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）2、电熔联结三、流体介质及回填料流体介质南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。
（①盐类溶液--氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。
埋管水温：1、热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7-12℃，与普通冷水机组相同。
地埋管中循环水进入U管的最高温度应<37℃，与冷却塔进水温度相同。
2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。
地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3-4℃。
当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。
但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。
在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。
地温是恒定值，可通过测井实测。
有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4℃左右。
天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。
回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。
材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。
从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。
回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。
（二）埋管系统环路一、埋管方式1、水平埋管水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。
（单层管最佳深度1.2～2.0m，双层管1.6～2.4m）近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。
它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。
2 、垂直埋管根据埋管形式的不同，一般有单U 形管，双U 形管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。
1）U 形管型：是在钻孔的管井内安装U 形管，一般管井直径为100～150mm，井深10~200m，U 形管径一般在φ50mm 以下。
2）套管式换热器：的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ25ｍｍ。
其换热效率较U 形管提高16.7%。
缺点：⑴下管比较困难，初投资比U 形管高。
⑵在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度≤30m 的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。
二、地下埋管系统环路方式1、串联方式优点：①一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出；②串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高缺点：①串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；②由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多；③安装劳动成本增大；④管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。
2、并联方式优点：①由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低；②所需防冻液少；③安装劳动成本低。
缺点：①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气；②各并联管道的长度尽量一致（偏差应≤10%），以保证每个并联回路有相同的流量；③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。
从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多三、地埋管打孔孔径孔径：根据地质结构不同，钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。
（三）地下埋管系统设计一．地下换热量计算地下换热量可以由下述公式计算：Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW （1）Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）其中Q1'--夏季向土壤排放的热量，kWQ1--夏季设计总冷负荷，kWQ2'--冬季从土壤吸收的热量，kWQ2--冬季设计总热负荷，kWCOP1--设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP2--设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的、。
若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。
二、地下热交换设计1.水平埋管：确定管沟数目:埋管管长的估算：利用管材“换热能力”，即单位埋管管长的换热量。
水平埋管单位管材“换热能力”在20～40W/m（管长）左右，；设计时可取换热能力的下限值，即20 W/m。
单沟单管埋管总长具体计算公式如下：L=Q/20其中L --埋管总长，mQ --冬季从土壤取出的热量，w分母“20”是每m 管长冬季从土壤取出的热量，W/m单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管布置时分别乘上0.9、0.85、0.75、0.70 的热干扰系数（热协调系数）。
确定管沟间距：为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距。
该间距的大小与运行状况（如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停机比等）、埋管的布置形式（如单行布置，只有两边有热干扰；多排布置，四面均有热干扰）等等有关。
建议串联每沟1 管，管径1/4"～2"；串联每沟2 管，1 又1/4"～1 又1/2"。
并联每沟2 管，1"～1 又1/4"；并联每沟4～6 管，管径13/4"～1"。
管沟间距：每沟1 管的间距1.2m，每沟2 管的间距1.8m，每沟4 管间距3.6m。
管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。
2、竖直埋管确定竖井埋管管长一般垂直单U 形管埋管的换热能力为60～80 W/m(井深)，垂直双U 形管为80～100W/m(井深)左右，设计时可取换热能力的下限值。
一般垂直埋管为70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管长）左右。
设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），双U管设计具体计算公式如下：L=Q1/25 （3）其中L--竖井埋管总长，mQ1--夏季向土壤排放的热量，W分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m确定竖井数目及间距国外，竖井深度多数采用50～100m[2]，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:N=L/(4*H) （4）其中N--竖井总数，个L--竖井埋管总长，mH--竖井深度，m分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。
然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。
关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一般为4.5m[3]，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m[4]。
若采用串联连接方式，可采用三角形布置（详见[2]）来节约占地面积。
工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m注意事项1、垂直地埋管换热器埋管深度应大于30m，宜为60m～150m；钻孔间距宜为3m～6m。
水平管埋深应不小于1.2m。
2、地埋管换热器水平干管坡度宜为0.3%，不应小于0.2%。
3、地埋管环路之间应并联且同程布置，两端应分别与供、回水管路集管相连接。
每个环路集管连接的环路数宜相同。
4、地埋管换热器宜靠近机房或以机房为中心设置。
铺设供、回水集管的管沟宜分开布置；供、回水集管的间距不应小于0.6m。
三、管径与流速设计1、确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。
显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。
一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下。
备注：①地下埋管换热器环路压力损失限制在30～50kPa/100m 为好，最大不超过50kPa/100m。
同时应使管内流动处于紊流过渡区。
②地下埋管系统单位冷吨（1 冷吨=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.16～0.19L/s．t③最小管内流速（流量）：在相同管径、相同流速下，水的雷诺数最大大。
所以采用CaCl2 和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。
2、校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。
若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和[1]，即：P=P0+ρgH+0.5Ph其中p--管路最大压力，PaP0--建筑物所在的当地大气压，Paρ--地下埋管中流体密度，kg/m3g--当地重力加速度，m/s2H--地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，mPh--水泵扬程，Pa3其它3.1与常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（一般为1m）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。
