一、相关国家标准GB 50366-2005第4部分
4地埋管换热系统
4.1一般规定
4. 1. 1 地埋管换热系统设计前，应根据工程勘察结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性。
4. 1. 2 地埋管换热系统施工时，严禁损坏既有地下管线及构筑物。
4. 1. 3 地埋管换热器安装完成后，应在埋管区域做出标志或标明管线的定位带，并应采用2个现场的永久目标进行定位。
4. 2 地埋管管材与传热介质
4. 2. 1 地埋管及管件应符合设计要求，且应具有质量检验报告和生产厂的合格证。
4. 2. 2 地埋管管材及管件应符合下列规定：
l 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PEl00)或聚丁烯管(PB)，不宜采用聚氯乙烯(PVC)管。管件与管材应为相同材料。
2 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。地埋管外径及壁厚可按本规范附录A的规定选用。
4. 2. 3 传热介质应以水为首选，也可选用符合下列要求的其他介质：
1 安全，腐蚀性弱，与地埋管管材无化学反应；
2 较低的冰点；
3 良好的传热特性，较低的摩擦阻力；
4 易于购买、运输和储藏。
4. 2. 4 在有可能冻结的地区，传热介质应添加防冻剂。防冻剂的类型、浓度及有效期应在充注阀处注明。
4. 2. 5 添加防冻剂后的传热介质的冰点宜比设计最低运行水温低3～5℃。选择防冻剂时，应同时考虑防冻剂对管道与管件的腐蚀性，防冻剂的安全性、经济性及其对换热的影响。
4. 3地埋管换热系统设计
4. 3. 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。
4. 3. 2 地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。
4. 3. 3 地埋管换热器换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或释热量的要求。在技术经济合理时，可采用辅助热源或冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。
4. 3. 4 地埋管换热器应根据可使用地面面积、工程勘察结果及挖掘成本等因素确定埋管方式。
4. 3. 5 地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料热物性参数，采用专用软件进行。竖直地埋管换热器的设计也可按本规范附录B的方法进行计算。
4. 3. 6 地埋管换热器设计计算时，环路集管不应包括在地埋管换热器长度内。
4. 3. 7 水平地埋管换热器可不设坡度。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。
4. 3. 8 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。
4. 3. 9 地埋管换热器管内流体应保持紊流流态，水平环路集管坡度宜为0. 002。
4. 3. 10 地埋管环路两端应分别与供、回水环路集管相连接，且宜同程布置。每对供、回水环路集管连接的地埋管环路数宜相等。供、回水环路集管的间距不应小于0. 6m。
4. 3. 1l 地埋管换热器安装位置应远离水井及室外排水设施，并宜靠近机房或以机房为中心设置。
4. 3. 12 地埋管换热系统应设自动充液及泄漏报警系统。需要防冻的地区，应设防冻保护装置。
4. 3. 13 地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料的导热系数不应低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。
4. 3. 14 地埋管换热系统设计时应根据实际选用的传热介质的水力特性进行水力计算。
4. 3. 15 地埋管换热系统宜采用变流量设计。
4. 3. 16 地埋管换热系统设计时应考虑地埋管换热器的承压能力，若建筑物内系统压力超过地埋管换热器的承压能力时，应设中间换热器将地埋管换热器与建筑物内系统分开。
4. 3. 17 地埋管换热系统宜设置反冲洗系统，冲洗流量宜为工作流量的2倍。
4. 4地埋管换热系统施工
4. 4. 1 地埋管换热系统施工前应具备埋管区域的工程勘察资料、设计文件和施工图纸，并完成施工组织设计。
4. 4. 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、其他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，平整地面。
4. 4. 3 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。
4. 4. 4 管道连接应符合下列规定：
1 埋地管道应采用热熔或电熔连接。聚乙烯管道连接应符合国家现行标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJl01的有关规定；
2 竖直地埋管换热器的U形弯管接头，宜选用定型的U形弯头成品件，不宜采用直管道煨制弯头；
3 竖直地埋管换热器U形管的组对长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的要求，组对好的U形管的两开口端部，应及时密封。
4. 4. 5 水平地埋管换热器铺设前，沟槽底部应先铺设相当于管径厚度的细砂。水平地埋管换热器安装时，应防止石块等重物撞击管身。管道不应有折断、扭结等问题，转弯处应光滑，且应采取固定措施。
4. 4. 6 水平地埋管换热器回填料应细小、松散、均匀，且不应含石块及土块。回填压实过程应均匀，回填料应与管道接触紧密，且不得损伤管道。
4. 4. 7 竖直地埋管换热器U形管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。下管过程中，U形管内宜充满水，并宜采取措施使U形管两支管处于分开状态。
4. 4. 8 竖直地埋管换热器U形管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔。当埋管深度超过40m时，灌浆回填应在周围临近钻孔均钻凿完毕后进行。
4. 4. 9 竖直地埋管换热器灌浆回填料宜采用膨润土和细砂(或水泥)的混合浆或专用灌浆材料。当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时，宜采用水泥基料灌浆回填。
4. 4. 10 地埋管换热器安装前后均应对管道进行冲洗。
4. 4. 1l 当室外环境温度低于0℃时，不宜进行地埋管换热器的施工。
4. 5地埋管换热系统的检验与验收
4. 5. 1 地埋管换热系统安装过程中，应进行现场检验，并应提供检验报告。检验内容应符合下列规定：
1 管材、管件等材料应符合国家现行标准的规定；
2 钻孔、水平埋管的位置和深度、地埋管的直径、壁厚及长度均应符合设计要求；
3 回填料及其配比应符合设计要求；
4 水压试验应合格；
5 各环路流量应平衡，且应满足设计要求；
6 防冻剂和防腐剂的特性及浓度应符合设计要求；
7 循环水流量及进出水温差均应符合设计要求。
4. 5. 2 水压试验应符合下列规定：
1 试验压力：当工作压力小于等于1. 0MPa时，应为工作压力的1. 5倍，且不应小于0. 6MPa；当工作压力大于1. 0MPa时，应为工作压力加0. 5MPa。
2 水压试验步骤：
1) 竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验。在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3％，且无泄漏现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1h。水平地埋管换热器放人沟槽前，应做第一次水压试验。在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3％，且无泄漏现象。
2) 竖直或水平地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。在试验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不应大于3％，且无泄漏现象。
3) 环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验。在试验压力下，稳压至少2h，且无泄漏现象。
4) 地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行第四次水压试验。在试验压力下，稳压至少12h，稳压后压力降不应大于3％。
3 水压试验宜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；不得以气压试验代替水压试验。
4. 5. 3 回填过程的检验应与安装地埋管换热器同步进行。

二、地埋管换热器长度计算
对于较大的工程（建筑面积超过5000平方米）在用估算法确定管长后，应采用以下方法精算。
根据所选择的地埋管换热器的类型及布置形式，设计计算地埋管换热器的管长。与传统的空调系统设计相比，这是地源热泵空调系统设计所特有的内容，而且它也不同于一般的换热器的设计计算。地埋管换热器设计计算可根据现场实测岩土体及回填料热物性参数，采用适当的专用软件进行。
在地埋管换热器设计计算时，环路集管作为安全裕量一般不包括在地埋管换热器长度内。但对于水平埋管量较多的竖直埋管系统，水平埋管应折算成适量的地埋管换热器长度。
地埋管换热器计算的基本任务，一是在给定地埋管换热器和热泵的参数以及运行条件的情况下，确定地埋管换热器循环液的进出口温度，以保证系统能在合理的工况下工作；二是根据用户确定的循环液工作温度的上下限确定地埋管换热器的长度。计算方法为：
（1） 初步设计地埋管换热器，设计地埋管换热器的几何尺寸及布置方案；
（2） 计算钻孔内热阻，根据初步设计的换热器几何参数、物性参数等计算；
（3） 计算运行周期内孔壁的平均温度和极值温度；
（4） 计算循环液的进出口温度、极值温度和平均温度；
（5） 调整设计参数，使循环液进出口温度满足设计要求。
在计算相邻钻孔在阶跃加热下对计算钻孔的温度响应时，首先假设每个钻孔负担的热（或冷）负荷均相等。对于多个U形埋管，要分别计算每个U形埋管在单孔孔壁处引起的温度响应，然后求和。
对已有的地埋管换热器可进行校核计算，即根据地埋管换热器的负荷及地埋管换热器的容量，可计算循环液的进出口温度随时间的变化。
1、使用软件计算的方法。
通常计算换热器的长度的软件按如下框图设计，具体的程序可能因软件而异，
应按软件的使用说明来进行。


2、使用工程设计半经验公式的计算方法
由于地埋管换热器中的传热过程是三维非稳态的传热，影响因素非常复杂，很难用简单的公式加以描述和概括，因此在实际工程中还广泛采用以半经验公式为主的设计计算方法，主要用来根据最大冷、热负荷估算地埋管换热器所需埋管的长度。这类半经验方法的概念相对地简单明了，比较容易为工程技术人员接受。其缺点是各热阻项的计算都做了大量的简化假定，模型过于简单，能够考虑的因素有限，特别是难于考虑冷、热负荷随时间的变化和全年中冷、热负荷的转换和不平衡等较复杂的因素，因此它对各种复杂条件的普遍适用性还值得不断地探讨和验证。此外，即使是这种最简单的以半经验公式为主的设计计算方法，因为其中反复用到指数积分函数，对于工程中实际遇到的多孔的地埋管换热器，实际的计算工作量也太大，以至于也必须借助于适当的计算机软件来进行。
在这一类方法中，以国际地源热泵协会(IGSHPA)和美国供热制冷和空调工程师协会(ASHRAE)曾共同推荐的美国俄克拉荷马州立大学(Oklahoma State University)提议的方法影响最大。对于竖直埋管的地埋管换热器，该方法的要点如下：
首先收集和确定一组设计所需的初始数据，包括当地的气象数据和岩土的性质以及传热特性、选用的热泵的特性、建筑供热和供冷的负荷、选用的管材的特性等。然后根据最冷的一月份和最热的七月份计算地埋管换热器所需的长度。它也可以根据能量分析的温频法计算系统全年供热季和供冷季的平均性能和能耗。
计算地埋管换热器所需的长度时按以下步骤进行：
(1)确定埋管的平面布置并计算岩土的传热热阻。设计者必须先确定管群的布置形式及其间距。对于一些选定的布置形式，这一方法基于Kelvin线热源理论并以连续运行1500h为基准计算了岩土的热阻，并以图表的形式给出计算结果以供设计时选用。
该方法定义单个钻孔地埋管换热器的岩土热阻为：
（m•k/w） (2-1)
其中， ， 是指数积分； 是钻孔的半径(m)，a和 分别是岩土的平均热扩散率(㎡/s)和热导率(w/m•k)， 是运行的时间(s)。按以上定义的指数积分的近似计算公式为：
对于0

对于X≥1：

A=X8 +8.573 328 7X6+18.059 017X4+8.637 609X2+0.267 773 7
B=X8+9.573 322 3X6+25.632 956 1X4+21.099 6531X2+3.968 496 9
对于多个竖直钻孔的地埋管换热器，该方法定义岩土的热阻为：
(m•k/w) (2-2)
其中， 是钻孔本身的埋管引起的热阻， 分别是与所考虑的钻孔的距离为 的钻孔中的埋管对该钻孔的热干扰引起的热阻。
(2)对于钻孔内的热阻，该方法采用一维简化模型，即把钻孔内的两根或四根管子假想为一根“当量管”。该当量管的外半径为：
(2-3)
其中，n是钻孔中埋管的根数，对于单U形管n=2；对于双U形管n=4。
管壁的传热热阻为：
(2-4)
式中 —管子的外径(m)；
—管子的内径(m)；
—当量管的外径(m)；
—管壁的热导率(w/m•k)。
(3)确定热泵的最高和最低进水温度，计算供热和供冷的运行份额。
该方法推荐供热工况时最低进水温度值比当地最低气温高16～22℃；推荐的供冷工况的最高进水温度一般为37℃，但在南方可考虑高达40．5℃。根据选定的最高和最低进水温度和选用的热泵，可以确定热泵的制冷量和制热量以及制冷和制热的性能系数 和 。
供热和供冷的运行份额由式(2-5)、式(2-6)确定：
(2-5)
(2-6)
(4)计算地埋管换热器钻孔总长度：
根据以上计算得到的数据，可以分别计算满足供热和供冷所需的地埋管换热器钻孔总长度。
(2-7)
(2-8)
式中 H—供热；
C—供冷；
L—钻孔的长度(m)；
CAP—热泵的在设计进水温度下的额定出力(制热或制冷量)；
COP—热泵的性能系数；
F—运行份额；
和 —分别是管壁的热阻和岩土的热阻(m•k/w)；
—地下未受干扰时的平均温度(k)；
和 —最高和最低进水温度(k)。
为同时满足供热和供冷的需要，应采用 和 中的较大者作为设计钻扎总长度。
(5)逐月能量分析。利用以上的公式，还可以用温频法进行逐月的能量分析。由于地下的温度随时间不断变化，热泵的进水温度(因而热泵的COP)也随时间变化，因此必须采用试算法，计算过程很繁琐。此外，由于采用半经验的简化公式，得到的结果的可靠性也不高。在这里略去IGSHPA方法中能量分析的介绍。

三、地埋管换热器系统的水力计算
1、压力损失计算
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。国内已有的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。
（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
A=
式中 A—地埋管的断面面积（㎡）；
dj—地埋管的内径（m）。
（4） 计算管内流体的流速V
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应大于2300以确保紊流。
Re=
式中 Re—管内流体的雷诺数；
—管内流体的密度（kg/m3）；
μ—管内流体的动力黏度（N•s/m2）。
（6）计算管段的沿程阻力PY
Pd=0.158 0.75μ0.25 dj1.25V1.75
PY= PdL
式中 PY—计算管段的沿程阻力（Pa）；
Pd—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Pj
Pj= PdLj
式中 Pj—计算管段的局部阻力（Pa）；
Lj—计算管段管件的当量长度（m）。
管件的当量长度可按下表计算。
（8）计算管段的总阻力Pz
Pz=Py+Pj
式中 Pz—计算管段的总阻力（Pa）。


管件当量长度表

名义管径 弯头的当量长度/m T型三通的当量长度/m
in mm 90°
标准型 90°
长半径型 45°
标准型 180°
标准型 旁流三通 直流
三通 直流三通后缩小1/4 直流三通后缩小1/2
3/8 DN10 0.4 0.3 0.2 0.7 0.8 0.3 0.4 0.4
1/2 DN12 0.5 0.3 0.2 0.8 0.9 0.3 0.4 0.5
3/4 DN20 0.6 0.4 0.3 1.0 1.2 0.4 0.6 0.6
1 DN25 0.8 0.5 0.4 1.3 1.5 0.5 0.7 0.8
5/4 DN32 1.0 0.7 0.5 1.7 2.1 0.7 0.9 1.0
3/2 DN40 1.2 0.8 0.6 1.9 2.4 0.8 1.1 1.2
2 DN50 1.5 1.0 0.8 2.5 3.1 1.0 1.4 1.5
5/2 DN63 1.8 1.3 1.0 3.1 3.7 1.3 1.7 1.8
3 DN75 2.3 1.5 1.2 3.7 4.6 1.5 2.1 2.3
7/2 DN90 2.7 1.8 1.4 4.6 5.5 1.8 2.4 2.7
4 DN110 3.1 2.0 1.6 5.2 6.4 2.0 2.7 3.1
5 DN125 4.0 2.5 2.0 6.4 7.6 2.5 3.7 4.0
6 DN160 4.9 3.1 2.4 7.6 9.2 3.1 4.3 4.9
8 DN200 6.1 4.0 3.1 10.1 12.2 4.0 5.5 6.1

2、循环泵的选择
根据水力计算的结果，合理确定循环水泵的流量和扬程，并确保水泵的工作点在高效区。同时，应选择与防冻液兼容的水泵类型。根据许多工程的实际情况，地埋管系统循环水泵的扬程一般不超过32m。扬程过高时，应加大水平连接管管径，减少比摩阻。管径引起的投资增加不多，而水泵的电耗是长期的。为了减少消耗，节省运行费用，可采用水泵台数控制或循环泵的变流量调节方式。
当系统较大、阻力较高，且各环路负荷特性相差较大，或压力损失相差悬殊（差额大于50kPa）时，亦可考虑采用二次泵方式，二次水泵的流量与扬程可以根据不同负荷特性的环路分别配置，对于阻力较小的环路可以降低二次泵的扬程，做到“量体裁衣”，避免无谓的浪费。