【正文】 為保持各環(huán)路之間的水力平衡,采用同程式系統(tǒng) 塑料管的選擇一般來講，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(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)。在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：（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，并且可以減小鉆孔直徑，降低工程造價。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)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，,對更大管徑的管道。本設計選取聚乙烯（PE）管，管徑選取DN32 mm，～(ｍ?Ｋ),。 土壤耦合換熱器的布置根據(jù)國內外有關科研單位的實驗研究結果知，單根垂直埋管對周圍土壤的熱作用半徑為2～3m,因此為了避免各管井間的熱干擾，其間距根據(jù)埋管場地面積可用情況一般可取為4～6m，這也是國內外常用的工程經驗值。根據(jù)現(xiàn)場情況，擬將地下?lián)Q熱器布置在賓館樓西側生態(tài)停車場、花壇及升旗廣場等。豎井深度多數(shù)采用50～100m，根據(jù)現(xiàn)場勘測井資料地質，在深度79米以上為各種粘土層，而在79m以下則為各種巖石層。考慮到鉆孔的難易程度、施工費用以及可用于布置地下?lián)Q熱器的場地面積，本設計將孔洞深度確定為71m ?？讖降拇笮÷源笥赨型管與灌漿管組件的尺寸為宜，一般要求鉆機的鉆頭的直徑根據(jù)需要在100mm～150mm之間。本設計確定鉆孔直徑為110mm。 ，U型管換熱器長度140m。在各鉆孔中U型管地熱換熱器的聯(lián)接上，其形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大,管道費用較高,并且壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小,管道費用較低,且常?？刹贾贸赏淌?當各并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時換熱量也相同,其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力，同時各并聯(lián)管路系統(tǒng)的阻力損失也易于平衡。因此, 本設計方案在U型管換熱器的管路連接上選用并聯(lián)同程式，這也是大多數(shù)實際工程優(yōu)先采用的管路布置連接方式。聯(lián)接各U型管換熱器的分集水管，水平單層埋設，埋設深度太淺，地面車輛、行人等動靜荷載會對管道結構的穩(wěn)定性產生影響，地表溫和室外空氣溫度也會對管內流體溫度產生較大影響；埋設深度太深，施工費用會大幅增加。綜合上述因素考慮， m。各并聯(lián)環(huán)路水平分集水管在安裝時,按流向應有i=。～,～1m 。供、回水集管上裝設排氣裝置。每一根并聯(lián)環(huán)路供水管線進地下埋管部分的入口處應設置帶有關閉閥的檢查井。土壤耦合換熱器吸熱與放熱的平衡 本工程項目，建筑物的冷負荷遠大于熱負荷，因此采用了混合土壤源熱泵系統(tǒng)，在單純的土壤源熱泵系統(tǒng)的基礎上附加冷卻塔作為排放熱源，克服了單純的土壤源熱泵系統(tǒng)由于向土壤排放熱量和提取熱量的不平衡性而產生的夏季埋地換熱器出口水溫升高、熱泵性能降低從而降低系統(tǒng)效率甚至影響系統(tǒng)運行的問題 。其工作原理與單純的土壤熱泵基本相似。冬季混合土壤熱泵系統(tǒng)的冷卻塔不運行，其工作原理與單純的土壤熱泵的工作原理相同，將大地作為熱泵機組的低溫熱源，通過埋地盤管獲取土壤中熱量為建筑物供熱；夏季熱泵與冷卻塔共同承擔系統(tǒng)的冷負荷。冷卻塔配合一臺LSSFBLGR490熱泵機組（2號機組）使用，機組只在制冷狀態(tài)運行。冷卻塔和機組的啟動主要由埋地換熱器的進出口水溫來控制，當進出口水溫超過設定的最高值時，冷卻塔和機組就開始運行，以滿足整個系統(tǒng)的冷負荷的要求；當埋地換熱器的進出口水溫降到設定最低的值時，冷卻塔和機組就停止運行。這樣整個熱泵系統(tǒng)從長期運行的條件來看，冬季從大地中取出的熱量與夏季排放到大地中的熱量基本平衡，解決了單純土壤熱泵由于系統(tǒng)的負荷不平衡從而影響其整體效率的問題。埋地盤管從土壤中的取(放)熱率的大小隨著建筑物負荷的大小及室外氣象參數(shù)的改變而不斷的變化，且其?。ǚ牛徇^程將改變土壤初始溫度的分布。因此，埋地盤管的傳熱是典型的不穩(wěn)態(tài)傳熱過程。目前，針對U型管地熱換熱器，有多種設計計算方法存在。這些計算方法，主要是基于以下基礎理論，即：Ingersoll and Plass線熱源理論，目前大多數(shù)U型管地熱換熱器的設計計算方法以該理論作為基礎；。本設計采用國際地源熱泵協(xié)會（IGSHPA）計算模型作為U型管地熱換熱器的設計計算方法。IGSHPA模型是北美確定地下埋管換熱器尺寸的標準方法，是以線熱源理論為基礎，以最冷月和最熱月的負荷為計算的依據(jù)，不僅考慮了管道熱阻的計算，而且還提供了計算單根豎埋管、多根豎埋管及水平埋管換熱器土壤熱阻的方法，為解決豎埋管間的相互熱干擾問題提供了計算依據(jù)。IGSHPA模型給出的U型管地熱換熱器的長度計算方程如下：冬季制熱工況時，＝ （1）夏季制冷工況時，＝ （2）式（1）與式（2）中，為多個U型管地熱換熱器的土壤熱阻，是將相鄰U型管換熱器的熱阻迭加到單個U型管換熱器的土壤熱阻中計算得到，其計算式：= （3）這里為指數(shù)積分，=，為管道外壁半徑；為土壤的熱擴散率（導溫系數(shù)），105 ㎡/s（㎡/day）； 為土壤的導熱系數(shù)，W/(mK)；為時間；為半徑為的單根垂直埋管周圍土壤熱阻，(㎡℃)/W；為半徑為的單根垂直埋管周圍，距單根垂直埋管半徑分別為、…、處的M根垂直埋管對單根垂直埋管產生熱干擾而引起的附加土壤熱阻，(㎡℃)/W。在時， （4）當時， （5）這里， （6） （7）在鉆孔內部，把U型管簡化為具有當量直徑的單管，管道外壁半徑由當量半徑取代。當量半徑定義為： ，其中n表示一個鉆孔中垂直埋管的根數(shù)，對于單U型管地熱換熱器，n＝2。 式（1）與式（2）中，為管壁熱阻。對于單根垂直埋管，；其中為管子內壁半徑；為管壁導熱系數(shù)，W/(mK)。對于U型管，它的管壁熱阻為：= （8）這里，ID，OD分別為管道的內、外直徑，m；Doe為管道的當量外直徑，m，對于單U型管地熱換熱器，n=2 。式（1）與式（2）中， 、分別為熱泵機組的供熱部分運轉系數(shù)和供冷部分運轉系數(shù)：= （9）= （10）為冬季制熱工況時土壤的年最低溫度，℃；為冬季制熱工況時熱泵機組的最低進口流體溫度，℃。為冬季制熱工況時埋地換熱器的設計溫差，℃。為夏季制熱工況時土壤的年最高溫度，℃；為夏季制冷工況時熱泵機組的最高出口流體溫度，℃。為夏季制冷工況時埋地換熱器的設計溫差，℃。為熱泵處于最低進口流體溫度時的供熱負荷，W；為熱泵處于最高出口流體溫度時的制冷負荷，W。 為冬季制熱工況機組進口流體溫度為時熱泵機組的性能系數(shù)；為夏季制冷工況機組出口流體溫度為時熱泵機組的性能系數(shù)。、均由機組實測數(shù)據(jù)確定。根據(jù)式（1）與式（2），可分別計算出設計熱負荷與設計冷負荷所對應的U型管換熱器的長度和，本設計，地埋管只提供冬季熱負荷所需熱量，故只需根據(jù)式（1）計算出設計熱負荷所對應的U型管換熱器的長度。土壤的年最低溫度 IGSHPA模型采用Kusuda分析解方程來計算土壤溫度，計算式為： （11） 式中 ，為在土壤地下深度Xs 處、時間t時的溫度（以年為周期），℃；TM為土壤地下平均溫度，℃；As為年地表面土壤溫度波動，依據(jù)位置、土壤類型和含水量而變化，對于草地表面，～℃；為土壤熱擴散系數(shù)，㎡/day； 為最小土壤表面溫度的天數(shù)，d。利用式（11），位于一定深度Xs處的最高、最低土壤溫度分別為： （12） （13）利用式（12）與式（13）計算的結果，地下土壤的年最高、最低溫度波動范圍隨著土壤深度的增加迅速下降，至深度7m時，年最高、最低溫度波動范圍接近于零。如圖 71 所示。圖71 土壤年最高、最低溫度變化曲線本設計中，垂直布置的U型管換熱器井深71m，地下土壤的年最高、最低溫度可取為土壤地下平均溫度，即： （14）根據(jù)《空氣調節(jié)設計手冊》，℃，℃。熱泵機組的最低進口流體溫度以及相應的制熱性能系數(shù) 本設計根據(jù)冬季供暖設計熱負荷確定地下?lián)Q熱器的長度，因此需要確定熱泵機組的最低進口流體溫度以及相應的制熱性能系數(shù) 。參考ASHRAE標準，供暖時，熱泵的最低進口流體溫度， 不小于當?shù)刈畹褪彝鈿鉁卦偌由?6～22 ℃。根據(jù)《空氣調節(jié)設計手冊》，℃，這里確定為12℃，符合土壤源熱泵系統(tǒng)對最低進口流體溫度的要求。最低進口流體溫度下熱泵機組的的制熱性能系數(shù)也根據(jù)熱泵機組數(shù)據(jù)而確定。U型管換熱器的土壤熱阻根據(jù)式（3）計算U型管換熱器的土壤熱阻 。為了計算周圍鉆孔中U型管換熱器對所計算鉆孔中單U型管土壤熱阻影響，對連續(xù)運行1500小時后不同半徑處（以所計算U型管所在鉆孔中心為圓心）鉆孔中U型管由于熱干擾而產生附加的土壤熱阻進行了詳細的計算，結果如 圖72所示：圖72 附加土壤熱阻隨半徑的變化規(guī)律由圖2可以看出：附加土壤熱阻隨半徑的增大而迅速減小，在半徑大于6米后幾乎為零，即熱干擾的影響可以忽略。因此，本設計只考慮半徑6m以內，即以所計算的U型管換熱器為中心，前后左右共4個鉆孔中U型管換熱器所產生的附加土壤熱阻（最不利情況）。這樣，利用式（3），計算出土壤熱阻= (㎡℃)/W 。管壁熱阻 U型管換熱器外徑32mm，內徑25mm， W/m℃ 。利用式（8）計算管壁熱阻，管壁熱阻＝ （m℃）/ W 。熱泵的供熱部分運轉系數(shù)=當一月為設計月時，熱泵供熱部分運轉系數(shù)為一個小于1的數(shù)字，根據(jù)國外工程經驗，～，本設計取。U型管換熱器埋管長度和數(shù)量的計算根據(jù)式（1），如上各項所述，在計算和確定了（1）式中的各項參數(shù)之后，計算出U型換熱器的長度：＝14260 m 所需U型管換熱器的數(shù)量： N＝14260/140=102 用于空調系統(tǒng)的LSSFBLGR770型（制熱量為557KW，制冷量為769KW）熱泵機組的供冷與供熱。 土壤耦合換熱器的水力計算地下埋管的水力計算方法與冷卻水系統(tǒng)水力計算相同，不再重復。計算結果如下表71 表71 地下埋管水力計算表地下埋管水管水力計算表序號負荷(kW)流量(kg/h)計算內徑(mm)管徑（mm）管長(m)ν(m/s)R(Pa/m)△Py(Pa)ξ動壓(Pa)△Pj(Pa)△Py+△Pj(Pa)1459789481403248683592140343274304125437965188125532555900110627146612110721737324908163280366675910918748667510111256311631263136314631563164150174150183340193340202632212632222632140231112563324459789481403小計　　　　　 土壤耦合換熱器的施工安裝地埋管換熱系統(tǒng)施工前應了解埋管場地內已有地下管線、其他地下構筑物的功能及其準確位置，并應進行地面清理，鏟除地面雜草、雜物，平整地面。管道連接應符合下列規(guī)定： 埋地管道應采用熱熔或電熔連接。聚乙烯管道連接應符合國家現(xiàn)行標準《埋地聚乙烯給水管道工程技術規(guī)程》CJJ101的有關規(guī)定； 豎直地埋管換熱器的U形彎管接頭，宜選用定型的U形彎頭成品件，不宜采用直管道煨制彎頭； 豎直地埋管換熱器U形管的組對長度應能滿足插入鉆孔后與環(huán)路集管連接的要求，組對好的U形管的兩開口端部，應及時密封。 水平地埋管換熱器鋪設前，溝槽底部應先鋪設相當于管徑厚度的細砂。水平地埋管換熱器