隨著我國建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對建筑節(jié)能的要求越來越高，而供熱系統和空調系統是建筑能耗的主要組成部分，因此，設法減小這兩部分能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調系統是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統[1]。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應地，地源熱泵系統分土壤源熱泵系統、地下水熱泵系統和地表水熱泵系統3種形式。
土壤源熱泵系統的核心是土壤耦合地熱交換器。
地下水熱泵系統分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱。
地表水熱泵系統與土壤源熱泵系統相似，用潛在水下并聯的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器。
雖然采用地下水、地表水的熱泵系統的換熱性能好，能耗低，性能系數高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國外（如美國、歐洲）主要研究和應用的地源熱泵系統以及我國理論研究和實驗研究的重點均是土壤源熱泵系統。目前缺乏系統設計數據以及較具體的設計指導，本文進行了初步探討，以供參考。
1. 土壤源熱泵系統設計的主要步驟
（1）建筑物冷熱負荷及冬夏季地下換熱量計算
建筑物冷熱負荷計算與常規(guī)空調系統冷熱負荷計算方法相同，可參考有關空調系統設計手冊，在此不再贅述。
一般地，水源熱泵機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數、供熱系數，計算時應從樣本中選用設計工況下的COP1、COP2。若樣本中無所需的設計工況，可以采用插值法計算。
（2）地下熱交換器設計
這部分是土壤源熱泵系統設計的核心內容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）
（3）其它
2. 地下熱交換器設計
2.1選擇熱交換器形式
2.1.1水平（臥式）或垂直（立式）
在現場勘測結果的基礎上，考慮現場可用地表面積、當地土壤類型以及鉆孔費用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多[3]，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根據埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型（詳見[2]）。套管型的內、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質條件的限制。U型管應用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明[4]：最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環(huán)路有3種（詳見[1]），其中使用最普遍的是每個豎井中布置單U型管。
2.1.2串聯或并聯
地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種，串聯系統管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統能力。并聯系統管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯環(huán)路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統能力。因此，實際工程一般都采用并聯同程式。結合上文，即常采用單U型管并聯同程的熱交換器形式。
2.2選擇管材
一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調系統中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數量較多，應該優(yōu)先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統。
2.3確定管徑
在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求[2]：（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH２O/100m當量長度以下[1]。
2.4確定豎井埋管管長
地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等。文獻[2]介紹了一種計算方法共分9個步驟,很繁瑣，并且部分數據不易獲得。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右[3]。
2.5確定豎井數目及間距
然后對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。
關于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m[3]，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m[4]。若采用串聯連接方式，可采用三角形布置（詳見[2]）來節(jié)約占地面積。
2.6計算管道壓力損失
在同程系統中，選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯斄块L度法，將局部阻力件轉換成當量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。
2.7水泵選型
根據上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據系統總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數。
2.8校核管材承壓能力
管路最大壓力應小于管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程一半的總和[1]。
3. 其它
3.1與常規(guī)空調系統類似，需在高于閉式循環(huán)系統最高點處（一般為1m）設計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。
3.2在某些商用或公用建筑物的地源熱泵系統中，系統的供冷量遠大于供熱量，導致地下熱交換器十分龐大，價格昂貴，為節(jié)約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設計供熱工況下最大吸熱量來設計，同時增加輔助換熱裝置（如冷卻塔＋板式換熱器，板式換熱器主要是使建筑物內環(huán)路可以獨立于冷卻塔運行）承擔供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低安裝費用，保證地源熱泵系統具有更大的市場前景，尤其適用于改造工程[1]。
4. 設計舉例
4.1設計參數
上海某復式住宅空調面積212m2。
4.1.1室外設計參數
夏季室外干球溫度tw＝34℃,濕球溫度ts＝28.2℃
冬季室外干球溫度tw＝-4℃,相對濕度φ＝75％
4.1.2室內設計參數
夏季室內溫度tn＝27℃,相對濕度φn＝55％
冬季室內溫度tn＝20℃,相對濕度φn＝45％
4.2計算空調負荷及選擇主要設備
參考常規(guī)空調建筑物冷熱負荷的計算方法，計算得到各房間冷熱負荷并選擇風機盤管型號；考慮房間共用系數（取0.8），得到建筑物夏季設計總冷負荷為24.54kW，冬季設計總熱符負荷為16.38kW，選擇WPWD072型水源熱泵機組2臺，本設計舉例工況下的COP1＝3.3，COP2＝3.7。
4.3計算地下負荷
4.4確定管材及埋管管徑
選用聚乙烯管材PE63（SDR11），并聯環(huán)路管徑為DN20，集管管徑分別為DN25、DN32、DN40、DN50。
4.5確定豎井埋管管長
4.6確定豎井數目及間距
圓整后取10個豎井，豎井間距取4.5m。
4.7計算地埋管壓力損失
參照本文2.6介紹的計算方法，分別計算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10―11―11′－1′各管段的壓力損失，得到各管段總壓力損失為40kPa。再加上連接到熱泵機組的管路壓力損失，以及熱泵機組、平衡閥和其他設備元件的壓力損失，所選水泵揚程為15mH2O。
4.8校核管材承壓能力
上海夏季大氣壓力ｐ０＝100530Pa，水的密度ρ＝1000kg/m3，
當地重力加速度g＝9.8m/s2，高度差h＝50.5m
重力作用靜壓ρgh＝494900Pa
水泵揚程一半0.5ρh＝7.5mH2O＝73529Pa
因此，管路最大壓力ｐ＝ｐ０＋ρgh＋0.5ρh＝668959Pa（約0.7Mpa）
聚乙烯PE63（SDR11）額定承壓能力為1.0MPa，管材滿足設計要求。
5. 結論
地源熱泵系統在我國長江流域及其周圍地區(qū)具有廣闊的應用前景，但有關影響土壤源熱泵系統廣泛應用的主要因素（如地下熱交換器的傳熱強化、土壤性質等）的研究還很有限，設計時大致可以遵循以下原則：
（1）若建筑物周圍可利用地表面積充足，應首先考慮采用比較經濟的水平埋管方式；相反，若建筑物周圍可利用地表面積有限，應采用豎直U型埋管方式。
（2）盡管可以采用串聯、并聯方式連接埋管，但并聯方式采用小管徑，初投資及運行費用均較低，所以在實際工程中常用，且為了保持各并聯環(huán)路之間阻力平衡，最好設計成同程式。
（3）選擇管徑時，除考慮安裝成本外，一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m（當量長度）以下，同時應使管內流動處于紊流過渡區(qū)。
參考文獻：
[1]徐偉等.地源熱泵工程技術指南.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.11
[2]謝汝鏞.地源熱泵系統的設計.現代空調，2001.3：33～74
[3]肖益民等.地源熱泵空調系統的設計施工方法及應用實例.現代空調，2001.3：88～100
[4]王勇.地源熱泵研究（1）——地下換熱器性能研究：[碩士學位論文].重慶:重慶建筑大學，1997
歡迎一切與地源熱泵行業(yè)相關的新聞包括但不限于投標中標、技術研發(fā)、新品發(fā)布、從業(yè)經驗、施工技巧、成功案例、創(chuàng)新思維的資訊或論文類投稿，本網網絡部將擇優(yōu)在地源熱泵網微信公眾平臺（微信號：www-dyrbw-com，您也可掃描下面的二維碼）、新浪公眾平臺、地源熱泵網主站、《地源熱泵》雜志上刊登。投稿郵箱：dyrbw@dyrbw.com
Email: direjia@126.com（投稿），direjia@163.com（合作）,
直線電話：18515158288（同微信）
