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地源热泵空调系统基本知识讲座
（一）：地源热泵工作原理
一、地源热泵简介
地源热泵是地下土壤层为冷（热）源对建筑物进行供暖、供热水和空调供应的技术。众所周知，地层之下一年四季均保持一个相对稳定的温度。在夏季，地下的温度要比地面空气温度低，在冬季却比地面空气温度高。地源热泵正是利用大地的这个特点，通过埋藏在地下的换热器，与土壤或岩石交换热量。地源热泵全年运行工况稳定，不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。所以，地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。在冬天，管道内的液体将地下的热量抽出，然后通过系统导入建筑物内，同时蓄存冷量，以备夏用；在夏天，热量从建建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬用。地源热泵一年四季均能可靠的提供高品质的冷暖空气，为我们营造一个非常舒适的室内环境。因此，地源热泵空调得到了广泛的发展，尤其适合作为户式中央空调的冷（热）源。
地源热泵的历史很悠久，美国早在上世纪初就开始了对地源热泵的性能研究，目前在美国地源热泵已经成为了一种成熟的，完全产业化技术。到2001年止，已安装了400000台地源热泵，且还在以每年10%速度稳步增长。在北欧如瑞典这些国家，90%的房屋装有地源热泵。相对而言，我国对地源热泵的研究则要晚得多，直到上世纪80年代才有一些单位对它开始进行系统研究。国内开始对土壤源热泵的探索性研究，但在如何有效地降低系统初投资、保证系统的可靠运行等方面的研究一直没有突破。其主要的原因是已开展的研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行性能测试并与传统的空气热源热泵性能进行技术经济比较，从而得出土壤源热泵节能的一般性结论。
二、热泵工作原理
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温，用著名的热力学第二定律准确表述是：“热量不可能自发由低温传递到高温”。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。

热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：压缩机（Compressor）起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器(Evaporator)是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器(Condenser)是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀(ExpansionValve)或节流阀(ThrottleValve)对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
三、热泵机组的分类
热泵机组是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵机组或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。
利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用范围远不及空气源热泵。
四、 地源热泵工作原理及分类
地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”，如图1所示。
室外地能换热系统
水源热泵
建筑物采暖或空调末端
水循环
水或空气循环

图 1 地源热泵能量转换原理
地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
图2 地源热泵设备
地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源有较好的蓄能作用。
五、地源应用分类
地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是热泵很好的供热热源和供冷冷源，其温度变化如图3和图4所示。
图4 不同深度土壤温度季节波动情况 图3 月平均温度随深度的变化情况
根据 ASHRAE Handbook: HVACApplications.（1995）的分类，地源热泵属于地热能资源（Geothermal EnergySourse）利用的一个大类，地源热泵按照室外换热方式不同又可分为四类（图5）：
图5: 地源热泵系统分类
1. 埋管式土壤源热泵系统，
2. 地下水热泵系统，
3.单井换热热井
4.地表水热泵系统。
根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调，这些国家更为关注地下季节性蓄能应用，地源热泵又可以归类于地下季节性蓄能（UndergroundThermal EnergyStorage，UTES）应用领域，其中最重要的、占有绝大部分的一个应用分支是地下埋管式蓄能（DTES orBTES）与热泵机组（Heat Pump，HP）相结合的地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumpsGCHPs，埋管式土壤源热泵系统），如图6所示的分类：

图 6 蓄能地源热泵分类

（二）：地源热泵系统的分类与应用方式
一、地源热泵系统的分类
1、埋管式土壤源热泵系统：也称地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumps
GCHPs）或土壤热交换器地源热泵（Ground heat exchanger heatpumps），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
1）水平埋管地源热泵系统（Horizontal ground-coupled heat
pump）：比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下，如图2－1所示.。
图2－1水平埋管地源热泵系统
当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器的布置问题,常有的布置方式有以下两种.
（a）串联式水平埋管：将地下水平埋管换热管串接成一个或有限的几个独立的水循环管路，如图2－2所示。优点是结构简单，缺点是管路系统流动阻力大，且部分管路段换热效果差。

图2－2 串联式水平埋管
（b）并联式水平埋管：将地下水平埋管换热管并联连接成一起，形成一个独立的水循环管路，如图2－3所示。优点是管路系统流动阻力小，且管路段换热比较均匀；缺点是连接比较复杂，且可能产品换热管路间的水力不平恒。

图2－3并联式水平埋管
2）垂直埋管地源热泵系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump）
（a）换热器井管路直接接入机房：比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,换热器井数比较少可以直接接入机房，如图2－4所示。
（b）换热器井管路汇集到集水器：当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器井群的布置问题,一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房，如图2－5所示。

图2－4 换热器井管路直接接入机房 2－5 换热器井管路汇集到集水器
（c）垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：桩基换热器（或叫做能量桩，EnergyPiles），即在桩基里布设在换热管道，如图2－6所示。

（b）长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统），如

图2－9盘旋布置埋管地源热泵系统

（c）沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统：螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫：沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统，，如图2－10所示。
图2－10 沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统

2、 地下水热泵系统（Groundwater heat pumps, GWHPs）
也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。无论是深井水，还是地下热水都是热泵的良好的低位热源。地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。深井水的水温一般约比当地气温高1~2℃。通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行。

图2－11 深井回灌式水源热泵系统
单井换热热井（Standing column well heat pumps,SCW）也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为"热井"。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。

图2－12单井换热热井
3、地表水热泵系统（Surface-water heat pumps,SWHPs）：由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源，如图2－13所示。

图2－13地表水热泵系统
4、此外，还有一种“直接膨胀式”（Direct-Expansion），它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的蒸发器（RefrigerantinTubes）直接埋入地下进行换热，即制冷剂直接进入地下回路进行换热，由于取消了板式或者套管式式换热器，换热效率有所提高，但是由于制冷剂使用量比较大，整体经济性和安全性不高。
二、地源热泵应用方式
地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类：
1. 家用系统
用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调，原理结构如图2－14所示。
图2－14 家用地源热泵系统 图2－15 商用地源热泵系统
2.商用系统
商用地源热泵系统的原理结构如图2－15所示，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。
1） 集中系统：热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间，如图2－16所示。
水源热泵
地源

用户
水源热泵
地源

水源热泵
水源热泵

16 集中系统图 2－17 分散系统

2）分散系统：用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气，如图2－17所示。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。
3）混合系统
将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉，如图2－18所示。

图2－18 混合系统 图2－19 水环热泵系统

南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。
4）水环路热泵空调系统
水环路热泵(Water-Loop Heat Pump，简称WLHP)空调系统，它由许多台水源热泵空调机(WSHP)组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源。水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。
夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。春季/秋季运行：对有内区与周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显。
冬季运行：全部或大多数机组为供热，供热源（地源或加热源）把热量补充到水环路。图2－19 水环热泵系统
（三）：地源热泵（GSHP）的系统选型设计

一、确定建筑物的冷热设计负荷
设计负荷是用来确定系统设备的大小和型号的，根据设计负荷设计空气分布系统（送风口，回风口和风管系统），设计负荷的计算必须以当地设计日的标准设计工况为依据。在确定建筑物的最大负荷时，必须逐时计算出每个房间、每个区域所必需的负荷信息，并求出其中的最大值。
为了进一步分析土壤热泵系统的能耗情况，必须对建筑物进行必要的能耗计算。通常所采用的方法有：度日法，温频法和逐时法。
度日法是最简单的计算方法，但通常结果不理想。当系统运行效率取决于室外空气条件时，不能采用度日法计算该系统的能耗，例如土壤热泵系统。
温频法是将全年温度划分为若干组，分别计算系统在每个温度组内的能耗量。温频法考虑到了外空气的影响和部分负荷工况的影响，而且该方法可以通过精确划分满足特殊系统的要求。温频法计算能耗对于手算和计算机计算都很方便。
逐时法主要是用于需要确定大量细节的大型建筑的能耗计算，由于其计算量非常大，通常采用计算机计算。
二、热泵机组的选择
对住宅和商业系统来说，设备通常是一个机组模块，一旦选定一个机组，则许多参数都是固定的，调节的余地不大。例如，土壤热泵的设计水流量的调节范围也是有限的。因此，系统的其他部分如风机盘管系统或土壤换热器以及防冻循环泵等都必须与热泵的制热（冷）量要求相匹配。在大型建筑热泵系统内，一般要采用二次输送系统。在这种系统中，中央机组的确定应满足建筑物的最大负荷。而二次输送系统中的空气处理器的换热能力应满足该区域的当地负荷。
1. 热泵容量的选择：
热力循环原理表明同一热泵不可能同时满足冷热两种负荷。选择热泵容量的依据究竟是热负荷还是冷负荷呢？这个问题的解决首先要考虑人的舒适感。当系统的制冷量大于冷负荷时，系统必须频繁的启动，这会造成盘管的平均温度升高，同时又不能去除室内空气中的湿度，频繁的循环还会降低设备的使用寿命，降低运行效率，增加制冷过程的运行费用。设备选得过大也会增加系统的初投资。因此，在江苏地区选择热泵一般情况下应该以冬季热冷负荷为依据。由于在南方地区冷负荷相对较高，而冬季的热冷负荷相对较低，在这种情况下，设备容量的选择可以适当偏大，但一般不要超过热负荷的25%。
2．热泵性能的确定：
假定其他变量如空气体积流量，室内空气温度等保持不变，则土壤热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关，如一年的运行时间，土壤类型，土壤换热器的类型、大小等。当季节变化时，如果系统不频繁运行，进水温度大约和地下土壤的温度相同。
三、地源热泵循环水的换热量计算
由于无论是土壤热泵系统的土壤换热器，水源热泵系统的管井还有地表水热泵系统的地表水换热器设计需要知道在某一特定阶段内从地下吸取的热量或释放到地下的热量，即地源热泵循环水的换热量，通常应满足一年中最冷月和最热月的要求。在供冷季节，输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统热负荷、系统耗功量和循环水泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。在供热季节，从地下吸收的热量等于设备的制热量减去输入的电功。输入的热量包括压缩机耗功量和循环水泵的耗功量。
冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：Q11= Q1*(1+1／COP1)，Q12= Q2*(1+1／COP2)
其中，
Q11 — 夏季向浅层地表排放的热量，kW， Q1 — 夏季设计总冷负荷，kW
Q12 — 冬季从浅层地表吸收的热量，kW， Q2 — 冬季设计总热负荷，kW
COP1 — 设计工况下水-水热泵机组的制冷系数
COP2 — 设计工况下水-水热泵机组的供热系数
一般地，水-水热泵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COP1、COP2
。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。
四、选择室内末端系统
土壤热泵系统的室内末端系统选择相当灵活，可以采用多种方式。例如：风机盘管系统，地板采暖方式，全空气系统等。通常采用风机盘管系统时，空气分布系统的设计主要考虑以下三个方面：
（1）选择安装风管的最佳位置；
（2）根据室内的得热量/热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的位置；
（3）根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。

室内末端系统一般采用既能供热又能供冷，因此设计时必须二者兼顾。一个不能提供舒适性环境的系统运行时效率必然很低。土壤热泵系统通常采用两种类型的送风系统：地板四周下送风系统和吊顶上送风系统。
对于只有一层的建筑来说，热泵系统的送风装置的理想安装位置就是沿房间外墙地板或四周的地板。这种送风方式是处理过的空气形成一股垂直向上分散的气流，这使系统无论在冬季还是夏季都能保证良好的气流分布和良好的舒适感。地板下送风系统通常采用吊顶回风或上回风方式回风。上回风系统中，顶棚周围的热空气由于虹吸作用被吸入回风管内，当系统开始运行时冷空气从地板下向上流动，并充满整个房间。由于在制冷运行期间，将最热的空气返回系统，故系统的效率较高。
由于经过土壤热泵系统处理的空气比空气源热泵处理的空气温度高，但比从锅炉出来的空气温度要低，为了保证能有一个舒适的环境，设计的风管和散流器应能向室内送入足够的风量。
五、其他注意事项
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。
2）在某些商用或公用建筑物的土壤热泵系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下热交换器十分庞大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制，地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计，同时增加辅助换热装置（如冷却塔＋板式换热器，板式换热器主要是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。该方法可以降低安装费用，保证土壤热泵系统具有更大的市场前景，尤其适用于改造工程。
（四）：土壤热泵系统（GCHP）的土壤换热器设计
（1）土壤热泵系统（GCHP）的土壤换热器设计
摘要：地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，是土壤源热泵系统设计的核心内容，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时成本最低土壤换热器的选型主要涉及以下几个方面：
一、土壤换热器埋管的布置型式
目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种布置型式，即水平埋管和垂直埋管。选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。实际工程中往往在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，故一般采用垂直埋管布置方式。

图 1 布管形式
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（图2），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。
图2 水平埋管形式
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（图3），另一种是螺旋状管（图4）。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。

图3 扁平曲线状管 图4螺旋状管

管路的埋设视岩土情况，可采取挖沟或大面积开挖方法，在商用建筑的施工中常借助水利工程相关施工机械如开渠机等（图5）。

图5 管路的埋设施工

从国内实际工程经验看中，单层管最佳深度1.2～2.0m，双层管1.6～2.4m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施工时，占用场地大，在实际使用中，往往是单层与多层互相搭配；螺旋管优于直管，但不易施工。由于浅埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情况（如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应），对冬夏冷暖联供系统使用者很少。位于美国北方一工程水平埋管系统的典型实例显示，地下埋管换热器有效换热量70kW，系统液体的流量为13.6m3/h(3.8 L /s)。24 个循环回路，12条沟，沟间距1.5m。每个回路的换热负荷2.92kW，液体流量0.57m3/h(0.158 L/s)，单位换热量的液体流量为0.195m3/h·kW（3.25L/min·kW）。可利用的地面积是83m×30m=2490m2。
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）。
目前使用最多的是单U 形管（Single-U-pipe），双U形管（Double-U-pipe），简单套管式管（Simple Coaxial pipe），下面作一简述。

图 6 垂直埋管形式
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（主要是流量不宜过大所限）。由于其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用最多。如美国加州斯托克斯大学供应了48万m2 空调建筑的地源热泵系统，有390 个深度超过120m的地下埋管，据介绍，采用这种地源热泵系统较常规空调每年可节约各种费用45.5 万美元，其中能量费用33万美元，节电25%，节约燃料费70%。
国外有的工程把U形管捆扎在桩基的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面，这种技术称为桩基换热器或是能量桩。也有直接在建筑物框架内直接埋设布置管道，作为厚板埋管工程（embeddedpipework slab）的一个应用。

图 7 埋管工程
如瑞士某工厂地源热泵系统从600 个桩基中吸收热量或冷量，用于2 万平方米建筑物的供暖和制冷。
2）套管式换热器的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ25ｍｍ。由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，根据文献试验结果，其换热效率较U形管提高16.7%。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比U形管高。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。为防止漏水，套管端部封头部分宜由工厂加工制作，现场安装，以保证严密性。
二、土壤换热器的埋管深度
水平埋管埋设情况比较简单，前面已述。关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况，工程及场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。结合国情与工程实践，其中有几点应注意到：①钻井深60m以内井深的钻机成本少，费用低，如果大于60m，其钻机成本会提高；②井深80m以内，可用国产普通型承压（承压1.0MPa）塑料管，如深度大于80m，需采用高承压塑料管，其成本大大增加；③据比较，井深50m的造价比100m 的要低30%～50%。上述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。
一般来讲，浅埋管优点是：投资少，成本低，钻机要求不高，可使用普通承压（0.6～1.0MPa）的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平衡性较好。其缺点是占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中深埋者低。
深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定，换热效率高，单位管长换热量大，管路接头少。其缺点是投资大，成本高，需采用高承压（1.6～2.0MPa）塑料管，钻机性能要求高；由于深层岩土温度场受地面温度影响很小，因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使用效果。在国外，有的采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措施，帮助地下岩土实现热平衡。
中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大，取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济，如果采用布管机进行多管布置还可减少场地占用面积。

图8 埋管深度
当场地面积有限时则应采用垂直式埋管，很多情况下这是唯一选择，如果场地中有坚硬的岩石，则必须更换专用的钻岩石的钻头（图9）。

图9 钻岩石的钻头
三、地下埋管系统环路方式
1 串联方式和并联方式
在串联系统中，几个井（水平管为管沟）只有一个流通通路；并联方式是一个井（管沟）有一个流通通路，数个井有数个流通通路，美国北方一典型的并联系统，地下埋管换热器换热量70kW，孔间距4.5m，与建筑物边界间距3m，占地面积为45m×15m=675m2。在同样埋管的换热量下，垂直埋管比水平埋管换热器占地面积少73%左右。
串联方式的优点是：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于并联方式。其缺点是：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。
并联方式的优点是：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。其缺点是：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。
2 同程式和异程式
根据分配管和总管的布置方式，有同程式和异程式系统。在同程式系统中流体流过各埋管的流程相同，因此各埋管的流动阻力、流体流量和换热量比较均匀。异程式系统中流体通过各埋管的路程不同，因此各个埋管的阻力不相同，导致分配给每个埋管的流体流量也不均衡，使得各埋管的换热量不均匀，不利于发挥各埋管的换热效果。
由于地下埋管多环路难于设置调节阀或平衡阀，难于做到系统各环路的水力平衡，因此在实际工程中采用同程式者居多。布置成同程式时，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。
（五）：土壤热泵系统（GCHP）的土壤换热器设计（续）
土壤热泵系统（GCHP）的土壤换热器设计
摘要：地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，是土壤源热泵系统设计的核心内容，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时成本最低。土壤换热器的选型主要涉及以下几个方面：
四、 土壤换热器的埋管材料
1 管材选择
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。60
年代以前，地下埋管多用金属管，虽然它的传热性能好，但耐腐蚀性差，使用10～20年就已腐蚀坏，严重降低了地源热泵的使用寿命，因此也阻碍了地源热泵的发展。地下埋管系统换热器需要埋入地下的管道的数量较多，多半优先考虑使用价格较低的管材。70年代，性价比优异的树脂管材出现，克服了金属管的缺点，大大促进了地源热泵的发展。由于聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管柔韧性好，强度高，而且可以通过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头，可以在额定温度和压力工况下保证使用50年以上，因此在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。由于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。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。
2 选择埋管种类应注意的问题
1）了解制造商提供管子所属的“管子体系”，该管子是由何种树脂制作而成，抵抗环境应力致裂的能力，有关管子材料说明和安装方法。（PE材料按照国际上统一的标准划分为五个等级：PE32 级、PE40 级、PE63 级、PE80 级和PE100
级。用于地源热泵管道PE 管的生产为高密度聚乙烯HDPE，其等级是PE80、PE100 两种）。
2） 应选择导热系数大，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℃，售价相应较低的管材。
3） 在保证要求情况下，选择的管材管壁尽量薄，配套用管件不应选择金属的，最好选用相同材料或工程塑料尼龙等材料制造的管件。
4） 应要求厂家提供管子阻力计算用的图、表或相应的数据。
5） 能按用户要求的管子长度，成捆供应，以减少埋管接头数量。
6） 选用管子时注意管子的外径、内径及厚度。一般常用的塑料管规格为：
3/4"(φ25×2.3，di=20.4)；25.4mm，即1"(φ32×2.9，di=26.2)；31.75mm，即1
又1/4"(φ40×3.7，di=32.6)；38.1mm，即1
又1/2"(φ50×4.6,di=40.8)；50.8mm，即2"(φ63×5.8，di=51.4)。
3 管件与连接
1）常见的各种管件见下图

图10 管件
2）管群的常用连接方式见下图

图 11管群的常用连接方式
3）管子联接方法有热熔联接和电熔联结（采用这两种连接方式的优点是接口处的强度甚至比管材本身的强度更高），前者由于价格优势被经常采用又可以分为两种：承接联接和对接联接，对于小管径常采用前者。

图12 管子联接
五、 确定埋管管长与埋管间距
地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等（可以通过热响应实验测得）。

图13 土壤热响应测试原理
1 水平埋管：确定管沟数目及间距
在方案设计阶段中，可以利用管材“换热能力”来估算埋管管长。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，单沟单管埋管总长具体计算公式如下：
L=2*Q*1000/20
其中，L ——埋管总长，m
Q ——冬季从土壤取出的热量，kW，
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）。视现场情况和工程大小，埋管可沿建筑物周围布置成任意形状，如线形、方形、矩形、圆弧形等等。但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31.75~50.8mm，即1 又1/4"～2"；串联每沟2 管，管径31.75~38.1mm，即1又1/4"～1 又1/2"。并联每沟2 管，管径25.4~31.75mm，即1"～1 又1/4"；并联每沟4～6管，管径19.05~25.4mm，即3/4"～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 垂直埋管确定竖井数目及间距
在垂直埋管换热器的方案设计阶段中，也可以利用管材“换热能力”来估算埋管管长。这时换热能力即单位垂直埋管深度换热量，一般垂直单U
形管埋管为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。
垂直双U 形管埋管总长具体计算公式如下
L=4*Q*1000/80
其中，L — 埋管总长，m
Q — 冬季从土壤取出的热量，Kw，
分母“80”是每m 管长冬季从土壤取出的热量，W/m
国外，竖井深度多数采用50～100m，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）
其