一、土壤式地源热泵空调系统设计

1.水平与垂直埋管

2.地下换热器设计

串联方式	并联方式
单一流通通路，空气容易排除需较大直径管子，换热量较大，但成本高，适用于小型的系统。	可使用较小的管径，成本低，设计安装必须注意保持较高的流体流速，以充分排除空气应同程设计，各并联管路长度一致。

垂直U型埋管并联系统实例

认识埋管材料

	UPVC	PB	PP-R	PEX	ABS	铝塑复合管PE/AL	塑复铜管	PE
长期使用时温度/℃	≤45	≤90	≤70	≤90	≤60	HDPE≤60 XLPE≤90	≤80	≤70
公称压力/Mpa.	1.6	1.6~2.5（冷水） 1.0（热水）	2.0（冷水） 1.0（热水）	1.6（冷水） 1.0（热水）	1.6	1.0 PH管可达2.0	2.0	1.25
膨胀系统/（m/m·℃）	7ｘ10 -5	13ｘ10 -5	11ｘ10 -5	15ｘ10 -5	11ｘ10 -5	2.5ｘ10 -5	1.18ｘ10 -5	1.5ｘ10 -4
导热系数/（W/(m·K)）	0.16	0.22	0.24	0.41	0.26	0.45		0.49
弹性摸量/（N/cm 2 ）	3.5ｘ10 5	3.5ｘ10 5	1.1ｘ10 5	0.6ｘ10 5				8ｘ10 4
膨胀力/MPa（D=32mm ,t=50℃,L=10m）	31	4.8	17.8	25.3	来自暖通南社整理		81.5
管壁厚度	一般	最薄	最厚	一般	一般	厚	薄	一般
单价	便宜	贵	贵	较贵	较贵	较贵	贵	较贵
外径/mm	20~315	16~110	20~110	16~63	15~300	16~63	15~55	20~730
寿命/a	50	50	50	50	50	50	50	50
连接方式	弹性密封或粘接	夹紧式，热熔连接，插接电熔合连接	热熔连接	夹紧式，采用金属或尼龙接头	粘接	夹紧式，采用金属或尼龙接头	焊接式，夹紧式	夹紧式，热熔连接，插接电熔合连接

要求 导热系数大 流动阻力小 热膨胀性好 工作压力符合系统要求 工作温度-20~70℃ 价格低

常见塑料管规格 Φ20ｘ2 Φ25ｘ2.3 Φ32ｘ2.9 Φ40ｘ3.7 Φ50ｘ4.6 Φ63ｘ5.8

不同土质对换热的影响

	k 导热系数 W/（m·K）	a 扩散率 10 －6 m 2 /s	ρ 密度 kg/m 3	c 热容量 kJ/（kg·K）
花岗岩	3.5	1.3	3333	0.84
大理石	2.4	1.03	2917	0.84
致密湿土	1.3	0.65	2183	0.88
致密干土	0.9	0.52	2083	0.84
轻质湿土	0.9	0.52	1667	1.05
轻质干土	0.35	0.28	1500	0.84

密度越大，导热系数越大。

3.埋管管径

两个要求：

满足换热量（管径要大）

保持管道内紊流以保证流体与管道传热

一般并联环路用小管径，集管用大管径

常用管径有：20/25/32/40/50mm

管内流速控制在1.22m/s以下，对大管径（DN50以上），流速<2.44m/s。

间距：

目的：防止埋管间热干扰。

工程规模小，埋管单排布置，间隙运行的，取3.0m间距；

工程规模大，间隙运行的，U型竖埋管间距一般为4.5m；

连续运行的，多排埋管布置，取6m间距。

4.确定埋管形式

类型：单U型管和双U型管

工程规模小，埋管建议采用单U。

工程规模大，且埋管面积不足，埋管建议采用双U。

埋管深度：

水平埋管

单层管最佳埋深为0.8~1.0m

双层管最佳埋深为1.2~1.9m

应埋在当地冻土深度以下

适合间隙使用。

垂直埋管

钻60m以内井深费用低；

井深80m内可用普通承压塑料管，大于80m，需用高承压塑料管（1.6~2.0Mpa），成本大大增加

井深50m造价比井深100米造价敌30~50%

浅埋（≤30m），中埋（31~80m），深埋（≥80m），中埋是最多的选择。

确定埋管所需总管长

经验数据：

垂直埋管70~110W/m（井深，对U型管），或35~55W/m管长

水平埋管取20~40W/m管长。

主要会出现的问题及解决办法

南方夏季冷负荷远大于冬季热负荷，若采用地源热泵将造成两个问题：

土壤热不平衡，长期运行系统效果变差。

按夏季冷负荷造成地热换热器投资巨大。

解决方法

土壤换热量按冬季热负荷的120%设计

多余的冷负荷配置冷却塔进行散热。

5.确定热交换器换热量

按建筑物冷热负荷计算冬夏地下换热量

6.计算管道压力损失

各管段压力损失<30~50KPa/100M

最大不超过50KPa/100M

沿程阻力及局部阻力值可查表格

水泵消耗功率P与热泵容量名义冷吨之比控制在50~75W/冷吨（14.2~21.3W/kW。

7.校核管材承压能力

闭式系统承受最大压力P

P=P0+ρgh+0.5Ph

P0大气压Pa

ρ流体密度，kg/m3

g重力加速度，9.8m/s2

h地下埋管最低点与闭式循环最高点高度差，m

Ph水泵扬程Pa

对于埋管50m，水泵扬程40m的系统，最大承压为0.76MPa。

设计举例

上海某住宅空调面积212m ²

计算空调冷热负荷，并考虑房间同时使用系数，总冷负荷25kW，总热负荷17kW。

选用设备能效比按3.5 计算则夏季向土壤排放热量=25*（1+1/3.5）=32kW。

1）确定管材及埋管管径

选用聚乙烯管材PE63(SDR11)，并联环路管径DN20，取温差为１０度，则单个回路流量＝0.045*32*3.6/10/2＝０.２６m3/h。

分别计算其它集管管径，分别是DN25,DN32,DN40,DN50（见布置图）

2）确定竖井结构

按保守最小数据35W/m管长

埋管总长度Ｌ＝32000/35=914m

确定竖井数目及间距

取竖井深度50m ,竖井数量Ｎ＝914/2/50=9.14

取整数１０个，竖井间距取４.５m

3）计算压力损失

各管路为并联同程布置，按流量查阻力表，计算任意一个管段总压力损失为４０ＫＰa

计算热泵机组水阻力、其它设备的阻力，所选水泵扬程为１５mH2O

4）校核管材承压能力

P=P0+ρgh+0.5Ph＝100530+1000*9.8*50+0.5*15=668959Pa

(约０.７MPa)在ＰＥ的额定承压能力内。

总结

地埋管换热系统的设计内容应包括

设计依据及计算方法

地埋管方式、埋管长度及埋管间距

垂直埋管钻孔分布、数量、深度、孔径及间距

水平埋管沟槽分布、宽度、深度及管间距

换热器及集管规格、材质

换热器环路及系统布置图

传热介质、防冻液及防冻温度

注： “能量桩” 名词解释

能量桩：通过在预制钢筋混凝土方桩中埋设各形状的管状换热器装置进行承载、挡土支护、地基加固的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和地源热泵预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。这样也就缩短施工工期，节约施工费用，更能有效的利用建筑物底板下的面积。

二、地表水/地下水形式地源热泵系统设计

各种水源

热源井设计应符合当地水务管理部门的要求，设计单位应具有水文地质勘察资质

热源井设计应符合GB50296《供水管井技术规范》

1.可使用的必备水源条件

可使用水量是否满足（水井出水量）

可利用水源温度是否满足

可利用水源回灌是否顺利（水井回灌）

注：1）出、回水井轮流使用提高使用寿命

2）单井回灌时地下水要求十分丰富

3.实际设计工况-水温条件

室内循环水温差5℃

可利用不同换热器和井水换热，具体温差根据实际情况而定（大温差小流量，尽量减少地下水提取、回灌量）

例：井水温度16 ℃

制冷时：利用温差可达到16 ℃    16--32 ℃

制热时：利用温差可达到11 ℃    16--5 ℃

4.经验数据

井水设计和施工几个重要参数：

井水温度：15~30℃

井距50~70m，井深应确保水温

取水量在水环水量的50%~100%，水质条件

取水井与回灌井数量不应小于1：1

水量衰减：三年衰减<20%

地面沉降：三年内<5mm

取水井数量=主机总制热量*0.75/单井取热量

标准井孔直径800mm，井管直径500mm，深85m，循环水量100T/H，水温10~20 ℃ ，取水温差5℃，取热能力580KW

5.水源热泵中央空调系统应用条件

6.实际设计工况-水量的计算

制冷时需要水量：温差、冷量→水量

制热时需要水量：温差、热量→水量

提取最大可利用温差

对所需水量提出最小要求（高峰用量）

7.水源水水质

8.地表水源取水

地下水源取水

9.地下水的处理

10.地下水的回灌

目的——热能再生反复利用，保护水资源及稳定地质结构。

条件——取决于含水层的渗透性

水质标准（建议达到下表）

回灌类型——无压（回流）、负压（真空）、加压（正压）。

回灌指标

三、地埋管系统施工工艺（以下工艺及作业图片，仅供参考，暖通南社只是引用，不对作业水平作任何评价）

工程钻孔施工工艺

1.1钻孔前的准备工作

1.1.1在施工前先了解并确定土壤地质条件。

1.1.2确定地下综合管线分布及设置情况，并做好明显的标识记号。

1.1.3平整土地，根据地埋管施工图，用白灰标示具体钻孔位置及总管坑槽位置。

1.1.4确定钻孔支架打设位置。

1.1.5确定钻孔机械电源容量及供给情况。

1.1.6提供水源至钻孔现场。

1.2工程钻孔
1.2.1、根据 工程情况确定钻孔的位置，钻孔直径不小于150mm。钻孔深度以设计要求为准。

1.2.2、每钻完一孔前，套管必须组装好，施钻完毕应尽快将套管放入钻孔中，并立即将水充满套管，以防孔内积水使套管脱离孔底上浮，达不到预定埋设深度。

1.2.3在泥浆或空气旋转钻孔方式中，应沿钻管内部送入高压空气、水、或泥浆，并沿着钻杆的外侧将钻屑送回地面。取出的土壤放入泥浆池中可用作灌浆材料或将其运离作业现场。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔位置冒出地面，在施工前应制订好排水措施，可顺地势挖出排水沟，并在沟的末端挖一个泥浆池，钻孔过程中产生的泥浆在泥浆池中沉淀，作为回填物使用。应注意在各个将要放置钻机的位置不能开挖排水沟或连接各个垂直埋管的水平管沟，防止开挖的管沟被钻机压塌。

3、双U管换热器预制、施工要求
3.1、管道连接采用热熔焊接方式，焊接口必须符合施工规范，注意压接宽度；

3.2、聚乙烯管的制作要求：

a.烯管的连接可采用专用的热熔设备进行热熔连接（热熔承插连接、热熔对焊连接），与金属管道连接应采用法兰连接。

热熔承插连接：
b.承插连接应采用质量可靠的热熔机具，便携式熔接工具适用于dn≤63mm管道及系统最后连接，台式熔接机具适用于dn≥63mm管道预装备连接。
c.热工具加热到熔接温度260℃±10℃，插口管末端应切割平整，与轴线垂直。用笔在承口和插口上做适当的标记，以利于连接定位。
d.热工具的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的内表面。
e.完毕后，迅速移走加热模具，将插口端平直插入承口端，达到连接强度后固定接头，自然冷却至环境温度。

热熔对接

a.外径dn≥63mm的PE管均可采用热熔对接方式连接，该方法经济可靠，其接在承拉和承压时都比管材本具有更高强度。热熔连接温度：200~210。使用该方法时，设备仅需热熔对接机，步骤如下：
b.连接管材置于焊机夹具上并夹紧；
c.管材连接端并铣削连接面；
d.两对接件，使其端面错位量不大于管道壁厚的10%；
e.加热板加热；
f.完毕，取出加热板；
g.接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却。

法兰连接：
套在法兰连接件上；

法兰连接件与PE管道连接按上述工艺处理；

将法兰盘与金属法兰对接。

a.连接前应对管材、管件及附属设备、阀门、仪表按设计要求进行核对，并在施工现场进行外观检查，符合要求方准使用。

b.根据钻孔深度并确定立埋管的长度，没孔两根。接时应使用同一生产厂家的管材和管件，如确需将不同厂家（品牌）的管材、管件连接则应经试验证明其可靠后方准使用。

c.每次连接完成后，应进行外观质量检验，不符合要求的必须返工。

施工人员应进行上岗培训；

每次施工后，管口应临时封堵；

f.在寒冷气候（-5℃以下）和大风环境下进行连接操作时，应采用保护措施或调整施工工艺参数。

聚乙烯管连接的注意事项：
3.3、双U管换热器在钻孔内的安装：

a.钻井深度及埋管长度必须符合设计要求，井深误差不超过2米，保证埋管长度。

b.当桩基孔做好后，可进行下管。下管时应将灌浆管和U型管一起插入孔中，直至孔底，下管时，U型管内宜充满水。

c.U型管下部端头应设保护装置。灌浆管端头宜设防堵护罩，且灌浆时应能够将其冲开。

d.采用人工下管。在下管时套上粗麻绳，辅以服正机构，下管时要尽量保证同心度。通过加力杠杆作用于粗麻绳上，以便下管。

e.U型管两支管间每隔2m～4m应设一弹簧卡（或固定支卡），以将两支管分开。

f.在下管结束后要对管口采取有效的临时封堵措施。

4、 聚乙烯管给水管道检漏与试压
4.1、注意事项：
聚乙烯管管组对完毕，进行外观检查合格后，方可进行压力试验；
试验介质一般采用水，其温度不宜超过40℃；
试验压力应为管道系统工作压力的1.5倍或设计明确规定的试验压力。

4.2、施工过程：
1.)所有管道和管道连接件必须经过检查以防渗漏；

有U型管在安装之前必须经过压力试验，水平管在回填土之前也必须经过压力试验；

2.)交换器必须进行水压试验，试验压力为管道设计工作压力的1.5倍，或系统运行压力的3倍；在试验压力下，稳压1小时(4小时)，观察其压力降，当压降不大于0.05MPa（0.034 MPa），则认为合格。

30分钟内不应该出现渗漏现象；将测得的流量与压降同计算结果进行比较，以判断管路是否有堵塞现象。

3.)水压试验采用手动泵缓慢升压，升压过程中应随时观察与检查不得有渗漏 。

4.)根据设计要求，把U形管底部浸入水中，检查应无气泡冒出，保压4小时，气压应无明显变化，检漏完毕，放掉管内气体，加满水，同时做好临时封闭，且保护接口不受破坏。

5.)在钻孔前，每个U型埋管应平直装配起来，并包扎好防止弯曲收缩。

5、桩内回填材料施工（灌浆回填）主要技术措施
5.1放好埋管、灌浆前，应固定埋管，并在孔和管子之间的缝隙放入一些细黄沙并用石块等固定管口。

5.2U型地埋管随导浆管插入竖井底部，后立即导管灌浆，并用卷边或盖顶熔接密封U型管两端口，以防杂物进入。

5.3在回填料时要使用专用的灌注系统，该灌注系统由高速搅拌机、搅拌池、低速搅拌机及泥浆泵和管路组成。注浆时，先将填料按照设计好的比例放入调整搅拌机中搅拌2－3分钟，然后排入到低速搅拌罐中搅拌。灌浆时，先将阀门打开，把浆液排入到储浆池中，通过高压泥浆泵注入孔内。并通过注入时泥浆的密度与溢出时浆液的密度是否相等来判断是否停止注浆，如果相等则表示浆液已经充满孔内，可以停止注浆。

5.4灌注时，要求泥浆泵的泵压足以使孔底的泥浆上返至地表，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，认为注浆过程结束。注浆时，必须保证注浆的连续性，否则会降低传热效果，影响工程质量。应使用泥浆泵通过灌浆管将混合浆灌入孔中。不得用人工的方法灌浆封孔。应根据机械灌浆的速度将灌浆管逐渐抽出，使灌浆液自下而上灌注封孔，确保钻孔灌浆密实，无空腔。

5.5灌浆材料的配比要根据与甲方及设计商定的结果进行配比。在施工时应对现场的填料配比进行严格的控制。

5.6在水平埋管和系统试压合格，确认无漏后，才开始回填土壤，

5.7回填土首层应为至少200mm厚度的细黄沙，且确保其中无石头及其它硬物，200mm以外用一般土回填，横埋管在地表下的深度至少为1.8米，回填后在相对标高-0.2米处设置对应的横管及立管标识。

试验和鉴定
6.1、管系统安装完成后，应由监理单位来工地现场做试验鉴定，并按如下内容提出报告。

6.2、部竖井的位置和深度以及热交换器的长度是否符合设计要求。

6.3、对灌浆类型、混合过程和将灌浆充入竖井的检验与安装土壤热交换器同步进行。

6.4、监督循环管路、循环集管和管线的试压是否按上述要求进行，以保证没有泄漏。

6.5、如果有必要，需监督不同管线的水力平衡情况。

6.6、检验防冻液和化学防腐剂的特征及浓度是否符合设计要求。

按上面的试验和鉴定结果提交。

地源热泵工程施工应用图表实例

工具	钻孔车
	钻井机
	灌浆车
	钻杆
	钻头
	PE电熔专用设备
	垂直仪  保证孔的垂直度
	试压泵
	垂直孔灌浆泵
	垂直仪器
工艺	管掐
	电熔直接
	PE变径
	灌浆导管深入地耦孔底部按从下至上的方法回灌
材料	单U型头
	双U头
	PE专用件
施工	测量确定井位
	电熔PE管打水试压
	安装管掐
	试压准备
	试压为6公斤
	钻孔
	钻出的岩心
	下管
	灌浆
	灌浆泵给垂直孔灌浆
	沟槽定位画线
	垂直管的保护措施用PVC管护套
	横连排管
	机器反铲开挖
	垂直管剖面
	水平沟槽
	水平沟槽支架敷设
	水平管的铺设
	水平管的固定和间距
	垂直管与水平管连接
	分组试压
	回填（两边回填砂，中间回填原土）
	回填
	夯实
	接到分集水器
	分集水器
	室外检查井
	机房集分水器

钢筋混凝土桩内绑扎换热管

在PE换热管的顶端接出口处安装保护套管并接出钢筋笼，以防止安装灌注桩时对换热管的破坏，同时确保回灌水泥浆料时换热管接头不受水泥浆料的污染，这样才能保证换热管方便连接到水平集管上。