地埋管换热器的设计与施工

GSHP系统是以大地为冷源（或热源），通过中间介质（通常是水或防冻液）作为热载体，并使中间介质在封闭环路(通常是塑料管组成)中循环流动，从而实现与大地进行热量交换的目的，并进而通过热泵实现对建筑物的空调。

GSHP空调系统主要包括三个回路：用户回路、制冷回路和地下换热器回路。

根据需要也可以增加第四个回路－生活热水回路。

地源热泵是一种新型的高效、节能、环保的空调系统, 是我国调整能源利用结构, 发展利用可再生能源策略的重点推广项目之一。

有蓄能作用！！！水平埋管就是将塑料管水平敷设在离地面1～2m的地沟内. 水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响, 效率较低, 而且占地的面积比较大, 在国内建筑物比较密集的情况下, 它的使用受到一定的限制. 水平埋管的地热换热器有以下几种形式: (1) 水平单管; (2) 水平双管; (3) 水平四管; (4) 水平六管（5）新开发的水平螺旋状和扁平曲线状。

实践证明, 水平换热器的寿命较长。

竖直埋管就是在地层中垂直钻孔, 孔的深度一般在30～150 米. 在竖直埋管方式中,由于地下深层土壤温度比较恒定, 占地面积小, 因此在地源热泵工程中得到了广泛的应用. 竖直埋管的地热换热器的形式有以下几种: (1) 单U型管; (2) 双U型管（或W型管）; (3) 小直径螺旋盘管; (4) 大直径的螺旋盘管; (5) 立式柱状; (6) 蜘蛛状. 在竖直埋管换热器中, 目前应用最为广泛的是单U型管。

确定地热换热器的长度有两种方法: 一是估算法; 二是计算机模拟法. 所谓估算法就是首先根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出地热换热器的放热量或吸热量, 然后确定地热换热器的布置方式, 再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需地热换热器的长度. 这种方法简单, 比较适合工程设计, 但是系统的负荷大部分时间是处于部分负荷状态, 因此按照峰值负荷确定的地热换热器的长度往往过于保守, 这也增加了地热换热器的投资. 另外由于国内对地源热泵方面所做的研究工作多数仍处于实验研究阶段, 有关地热换热器在不同土壤温度和不同类型土壤的传热特性的数据比较缺乏, 因此目前还无法利用该方法准确确定换热器的长度.计算机模拟法是根据建立的地热换热器的传热模型编制出相应的计算软件, 通过输入土壤的热物性参数和建筑物的负荷来确定地热换热器的长度.钻孔间距的大小是由钻孔的传热半径决定的, 而钻孔单位长度的换热量、连续运行时间及土壤的热物性决定了钻孔的传热半径的大小. 理想情况是钻孔间距应大于连续运行时间内钻孔的传热半径. 钻孔的传热半径可通过模拟软件计算.竖直埋管地热换热器的传热模型对于地热换热器，其整个传热过程是一个复杂的非稳态的传热过程，诸如土壤的热物性、含水量、土壤温度、埋管材料、管子直径、管内流体的物性、流速等都对地热换热器的传热产生影响。

地埋管换热系统安装地源热泵系统的地埋管换热器是供传热介质与岩土体换热用的，由埋于地下的密闭循环管组构成的，又称为土壤热交换器。

根据管路埋置方式不同，分为水平地埋管换热器和竖直地埋管换热器。

水平地埋管换热器在安装时可不设置坡度。

最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m。

竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m，钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3-6m。

水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。

地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管(PE80或PE100)或聚丁烯管(PB)，不宜采用聚氯乙烯(WC)管。

管件与管材应为相同材料。

地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。

管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应小于1.0MPa。

(1)地埋管换热系统安装前的准备工作1)地埋管换热系统施工前应了解埋管场地内已有地下管线、其他地下结构物的功能及其准确位置，并应进行地面清理。

2地埋管换热系统施工过程中，应严格检查并做好管材保护工作。

进人现场的地埋管及管件应逐件进行外观检查，宜采用刚制造出的管材，地埋管运抵工地后，应用空气试压进行检漏试验。

(2)管道连接1)按设计要求的尺寸，用热熔或电熔的方法连接地埋管组。

2)地埋管换热器的U形弯管接头，宜选用定型的U形弯头成品件，尤其是对竖直地埋管换热器。

3)对管道进行冲洗。

4)及时对管组开口端部进行密封。

(3)地埋管换热器的安装1)水平地埋管换热器安装:①按设计要求的位置、水平尺寸及深度，开挖沟槽。

②在沟槽底部铺设相当于管径厚度的细砂。

③对准备埋人沟槽的水平地埋管换热器做第一次水压试验。

在试验压力下，稳压至少l5ndn，稳压后压力降不应大于3，且无泄漏现象。

④将水平地埋管换热器放入沟槽内，与环路集管连接，并进行固定。

⑤进行第二次水压试验。

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。

地源热泵系统U型地埋管换热器的选型要点及施工技术摘要：本文在工程施工的基础上，对该系统的选型及施工技术进行了探讨与研究，其中包括地下换热器的布置形式、环路方式及管材的选择，管径、管长及数目、钻孔间距确定，管内传热介质、钻孔深度、回填料的选择等。

此文可以应用在该系统的设计、施工中，对实际工程有较强的指导意义。

关键词：地源热泵；地下换热器；选型；施工技术1、概述地源热泵是指将传统空调器的冷凝器与蒸发器延伸至地下，使其与浅层地能（浅层土壤、地下水和地表水）进行热交换来提供冷热源，或是通过中间介质（如水或以水为主要成份的防冻液）在封闭的环路里在土壤中循环流动，实现利用浅层地能为建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源技术。

地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，是热泵很好的供热热源和供冷能源。

地源热泵系统可分为地下换热器的设计施工和地上设备管道的设计施工两部分，地上设备管道的安装施工与设计和传统暖通空调设备的设计与安装并无太大差别，而地下换热器的设计与施工比较有特点，作者结合无锡某项目地源热泵工程的设计与施工的特点，对地埋管换热器的的设计选型及施工问题进行研究与经验讨论。

2、U型地埋管换热器的选型埋管处地质情况和岩土传热性能是地埋管换热器设计选型与施工的重要参数。

设计地埋管换热器时，首先需要确定当地的岩土类型、导热系数、比热容等参数。

2.1 地埋管的管材、管径与传热介质2.1.1 地埋管管材地源热泵系统地埋管管材的选择非常重要。

一般来说，一旦将地埋管换热器埋入地下后，基本就不可能进行维修或更换。

地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，我国国家标准[1]给出了地埋管换热器地埋管管道外径尺寸标准和管道的压力级别，地埋管外径及壁厚可按规定选用。

2.1.2 管径的选择原则管径的选择应根据热泵本身的换热器的流量要求以及选用的串联或并联的形式确定。

埋管管径不能太大，要保证管中流体的流速足够大，保证管中流体处于紊流区（Re≥2100），有利于强化流体与管壁的换热效率[2]；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（经验数字是0.3-1.0m/s之间），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。

地埋管换热系统工程各分部分项工程的施工工艺说明（一）、地源热泵系统设计技术要求1、地埋管换热系统设计前，应根据岩土体地质勘查结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性。

2、埋管区域建筑物之间的距离，应符合地下构筑物与建筑物间距的相关规定。

3、地埋管施工时严禁损坏其它地下管线及构筑物。

4、地埋管换热器安装完成后，应在埋管区域做出标志或表明管线的定位带，并以现场的两个永久目标进行定位。

（二）、底埋管管材与换热工质1、地埋管管材应符合以下规定：①.底埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小、热膨胀型号的塑料管及管件，不应采用金属管道或聚氯乙烯（PVC）管及管件。

宜采用高密度聚乙烯管。

②.地埋管质量应符合国家规定标准中的各项规定，管材工称压力不得小于1.0Mpa。

工作温度应在-20℃～-50℃范围内。

地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11 倍选择。

③.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。

2、换热工质应以水为首选。

（三）、地埋管换热系统设计1、地埋管换热系统设计前应明确待埋管区域内各种地下管线的种类、位置及深度，预留未来地下管线所需的埋管空间及埋管区域进出重型设备的车道位置和荷载。

2、地埋管换热器应根据可使用地面面积、岩土体地质勘查结果及挖掘成本等因素确定埋管方式。

3、地埋管换热器设计计算应考虑岩土体及回填材料热物性的影响，宜采用专用软件进行设计计算。

4、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。

5、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。

6、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；7、地埋管换热系统应根据地质特性确定回填料配方，回填料的导热系数应不低于钻孔外岩土体层的导热系数。

（四）、地埋管换热系统施工1、地埋管换热系统施工前应具备以下资料：①.埋管区域的现场勘查资料；②.设计说明及孔位布置图纸③.施工组织设计；2、地埋管换热系统施工前应了解埋管场地内已有地下管线、其它地下构筑物的功能及其准确位置，并应进行地面清理，铲除地面杂草、杂物和浮土，平整地面。

地源热泵中央空调系统室外地埋管工程施工工法菏建集团工业设备安装公司李志恒王萌1.前言地源热泵系统是利用浅层土壤能量（岩土体、地下水或地表水）进行冷热交换，冬季把土壤中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时岩土体、地下水或地表水为“热源”；夏季把室内热量“取”出来，释放到岩土体、地下水或地表水中，此时岩土体、地下水或地表水为“冷源”（如下图所示）。

图一（地源热泵系统工作原理示意图）地源热泵系统由地源热泵机组、地埋管换热设备、水力模块、热水蓄水箱、室内机、地板采暖设备和生活热水设备等组成的一种新型空调型式。

系统通过地埋管换热设备与土壤冷热交换，并将交换后的水通过循环水泵分别输送到室内机供冷供热、地板采暖和热水蓄水箱中供给生活热水（如下图所示）。

图二（地源热泵中央空调系统组成示意图）地源热泵中央空调系统室外地埋管工程由于其技术上的优势，推广这种技术有明显的节能、环保、经济效益。

特别是近年来菏泽市政府大力推广绿色环保、低能耗建筑，菏泽中高档小区陆续引进和采用地源热泵中央空调系统，安装公司技术科故将地源热泵室外地埋管施工工艺结合工程实例整理成施工工法，以便今后同类工程借鉴、应用。

2、工法特点：2.1 室外地埋管工程开机钻井的过程基本上都是用自动化程度较高的机械设备进行施工，杜绝了大量人力、物力的浪费，节约了施工成本；并且可以用高科技检测仪器对施工过程中的数据进行实时检测、分析、反馈，指导施工，确保施工安全、高效；施工过程快速、准确、经济、实用。

2.2 室外地埋管工程施工过程中产生的建筑垃圾少、施工噪音小，对周边建筑、设施、环境破坏程度极低；节能、环保，完全满足有关部门关于安全文明工地的要求。

2.3 双U型PE管下井前已预制制作完毕，下管过程施工简单、方便快捷。

本工程管材采用PE管，管材连接技术可靠。

3、适用范围菏泽市位于黄河下游冲积平原中部，以陆相沉积为主。

本区域的工程地质条件是稳定的，是良好的建筑物拟建场地。

地埋换热管施工工艺一、换热器施工工艺1. 土壤源换热器施工工艺流程介绍2. 垂直埋管的施工工艺2.1测量放线管道根据设计图纸的位置与测量人员密切配合，进行测量、放线，共同完成测量放线工作，在施工场地的周边进行放线找点，这样能准确的保证钻孔位置的确定。

2.2 换热孔的钻凿(1) 钻机就位后，查核钻孔位置，钻机水平度、钻头直径，确认无误后开钻，钻头直径不小于200mm。

(2) 钻进过程中，记录员应认真填写钻进记录表，记录起停钻的时间、钻杆长度，以及在钻进过程中的其它问题。

(3) 钻进到达要求深度后，查验钻孔深度和孔径，在下管程序没有准备好以前不能过早提起钻具。

(4) 钻井过程中，如遇地下暗河，卵石层含土量少或泥浆浓度不够可采用石灰，红土，膨润土造浆护壁或填充堵漏。

(3) 为避免泥浆坑渗水扰动基础，在泥浆坑表面加了一层塑料防水薄膜，打孔完毕后将薄膜去除，并将泥浆坑填平。

2.3下管准备(1) 管运达现场后，质检员应查验管材合格证、规格型号，并抽检管径大小。

(2) 检验合格后进行打压试验，试验压力以设计要求为准，带压观测2小时以上，无渗不漏无破裂，即为合格。

打压完后，每组双U型换热管的管头上应保持密封，并且保持管内的打压水。

2.4下管作业人员将PE管运至现场，根据地质情况采用人工或机械下管，必须保证换热器下到设计深度。

2.5 回填回填工序也称为回填封井，正确的回填要达到两个目的：一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现密封的作用，避免地下含水层受到地表水等可能的污染。

回填材料是指用于填充地下换热器与地层之间的填充材料。

竖直地埋管换热器灌浆回填料宜采用原浆材料。

回填方法：循环井眼沉淀。

2.6打压当回填完成后，还要再进行一次打压试验，打压0.6MPa，无渗不漏无破裂，即为合格。

2.7换热孔的半成品保护地埋管钻孔施工完成以后，须将PE管用管堵封闭严实,然后将管子外露部分用胶带缠好。

防止成品换热孔的PE管内进入污垢。