【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(lái)講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)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(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)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(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱，并且可以減小鉆孔直徑，降低工程造價(jià)。顯然，上述兩個(gè)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(duì)更大管徑的管道。本設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外有關(guān)科研單位的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果知，單根垂直埋管對(duì)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(chǎng)地面積可用情況一般可取為4～6m，這也是國(guó)內(nèi)外常用的工程經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，擬將地下?lián)Q熱器布置在賓館樓西側(cè)生態(tài)停車場(chǎng)、花壇及升旗廣場(chǎng)等。豎井深度多數(shù)采用50～100m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)井資料地質(zhì)，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(fèi)用以及可用于布置地下?lián)Q熱器的場(chǎng)地面積，本設(shè)計(jì)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(jī)的鉆頭的直徑根據(jù)需要在100mm～150mm之間。本設(shè)計(jì)確定鉆孔直徑為110mm。 ，U型管換熱器長(zhǎng)度140m。在各鉆孔中U型管地?zé)釗Q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(fèi)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(fèi)用較低,且常?？刹贾贸赏淌?當(dāng)各并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)換熱量也相同,其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力，同時(shí)各并聯(lián)管路系統(tǒng)的阻力損失也易于平衡。因此, 本設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)，埋設(shè)深度太淺，地面車輛、行人等動(dòng)靜荷載會(huì)對(duì)管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，地表溫和室外空氣溫度也會(huì)對(duì)管內(nèi)流體溫度產(chǎn)生較大影響；埋設(shè)深度太深，施工費(fèi)用會(huì)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(shí),按流向應(yīng)有i=?！?～1m 。供、回水集管上裝設(shè)排氣裝置。每一根并聯(lián)環(huán)路供水管線進(jìn)地下埋管部分的入口處應(yīng)設(shè)置帶有關(guān)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(xiàng)目，建筑物的冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)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(chǔ)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(chǎn)生的夏季埋地?fù)Q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(yùn)行的問(wèn)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(yùn)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(jī)組的低溫?zé)嵩?，通過(guò)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(dān)系統(tǒng)的冷負(fù)荷。冷卻塔配合一臺(tái)LSSFBLGR490熱泵機(jī)組（2號(hào)機(jī)組）使用，機(jī)組只在制冷狀態(tài)運(yùn)行。冷卻塔和機(jī)組的啟動(dòng)主要由埋地?fù)Q熱器的進(jìn)出口水溫來(lái)控制，當(dāng)進(jìn)出口水溫超過(guò)設(shè)定的最高值時(shí)，冷卻塔和機(jī)組就開始運(yùn)行，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的冷負(fù)荷的要求；當(dāng)埋地?fù)Q熱器的進(jìn)出口水溫降到設(shè)定最低的值時(shí)，冷卻塔和機(jī)組就停止運(yùn)行。這樣整個(gè)熱泵系統(tǒng)從長(zhǎng)期運(yùn)行的條件來(lái)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(fù)荷不平衡從而影響其整體效率的問(wèn)題。埋地盤管從土壤中的取(放)熱率的大小隨著建筑物負(fù)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^(guò)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(guò)程。目前，針對(duì)U型管地?zé)釗Q熱器，有多種設(shè)計(jì)計(jì)算方法存在。這些計(jì)算方法，主要是基于以下基礎(chǔ)理論，即：Ingersoll and Plass線熱源理論，目前大多數(shù)U型管地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法以該理論作為基礎(chǔ)；。本設(shè)計(jì)采用國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)（IGSHPA）計(jì)算模型作為U型管地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。IGSHPA模型是北美確定地下埋管換熱器尺寸的標(biāo)準(zhǔn)方法，是以線熱源理論為基礎(chǔ)，以最冷月和最熱月的負(fù)荷為計(jì)算的依據(jù)，不僅考慮了管道熱阻的計(jì)算，而且還提供了計(jì)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(wèn)題提供了計(jì)算依據(jù)。IGSHPA模型給出的U型管地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度計(jì)算方程如下：冬季制熱工況時(shí)，＝ （1）夏季制冷工況時(shí)，＝ （2）式（1）與式（2）中，為多個(gè)U型管地?zé)釗Q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(gè)U型管換熱器的土壤熱阻中計(jì)算得到，其計(jì)算式：= （3）這里為指數(shù)積分，=，為管道外壁半徑；為土壤的熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)），105 ㎡/s（㎡/day）； 為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)；為時(shí)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(duì)單根垂直埋管產(chǎn)生熱干擾而引起的附加土壤熱阻，(㎡℃)/W。在時(shí)， （4）當(dāng)時(shí)， （5）這里， （6） （7）在鉆孔內(nèi)部，把U型管簡(jiǎn)化為具有當(dāng)量直徑的單管，管道外壁半徑由當(dāng)量半徑取代。當(dāng)量半徑定義為： ，其中n表示一個(gè)鉆孔中垂直埋管的根數(shù)，對(duì)于單U型管地?zé)釗Q熱器，n＝2。 式（1）與式（2）中，為管壁熱阻。對(duì)于單根垂直埋管，；其中為管子內(nèi)壁半徑；為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。對(duì)于U型管，它的管壁熱阻為：= （8）這里，ID，OD分別為管道的內(nèi)、外直徑，m；Doe為管道的當(dāng)量外直徑，m，對(duì)于單U型管地?zé)釗Q熱器，n=2 。式（1）與式（2）中， 、分別為熱泵機(jī)組的供熱部分運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)和供冷部分運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)：= （9）= （10）為冬季制熱工況時(shí)土壤的年最低溫度，℃；為冬季制熱工況時(shí)熱泵機(jī)組的最低進(jìn)口流體溫度，℃。為冬季制熱工況時(shí)埋地?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)溫差，℃。為夏季制熱工況時(shí)土壤的年最高溫度，℃；為夏季制冷工況時(shí)熱泵機(jī)組的最高出口流體溫度，℃。為夏季制冷工況時(shí)埋地?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)溫差，℃。為熱泵處于最低進(jìn)口流體溫度時(shí)的供熱負(fù)荷，W；為熱泵處于最高出口流體溫度時(shí)的制冷負(fù)荷，W。 為冬季制熱工況機(jī)組進(jìn)口流體溫度為時(shí)熱泵機(jī)組的性能系數(shù)；為夏季制冷工況機(jī)組出口流體溫度為時(shí)熱泵機(jī)組的性能系數(shù)。、均由機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。根據(jù)式（1）與式（2），可分別計(jì)算出設(shè)計(jì)熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)冷負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的U型管換熱器的長(zhǎng)度和，本設(shè)計(jì)，地埋管只提供冬季熱負(fù)荷所需熱量，故只需根據(jù)式（1）計(jì)算出設(shè)計(jì)熱負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的U型管換熱器的長(zhǎng)度。土壤的年最低溫度 IGSHPA模型采用Kusuda分析解方程來(lái)計(jì)算土壤溫度，計(jì)算式為： （11） 式中 ，為在土壤地下深度Xs 處、時(shí)間t時(shí)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(dòng)，依據(jù)位置、土壤類型和含水量而變化，對(duì)于草地表面，～℃；為土壤熱擴(kuò)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(jì)算的結(jié)果，地下土壤的年最高、最低溫度波動(dòng)范圍隨著土壤深度的增加迅速下降，至深度7m時(shí)，年最高、最低溫度波動(dòng)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(shè)計(jì)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(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，℃，℃。熱泵機(jī)組的最低進(jìn)口流體溫度以及相應(yīng)的制熱性能系數(shù) 本設(shè)計(jì)根據(jù)冬季供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷確定地下?lián)Q熱器的長(zhǎng)度，因此需要確定熱泵機(jī)組的最低進(jìn)口流體溫度以及相應(yīng)的制熱性能系數(shù) 。參考ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)，供暖時(shí)，熱泵的最低進(jìn)口流體溫度， 不小于當(dāng)?shù)刈畹褪彝鈿鉁卦偌由?6～22 ℃。根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，℃，這里確定為12℃，符合土壤源熱泵系統(tǒng)對(duì)最低進(jìn)口流體溫度的要求。最低進(jìn)口流體溫度下熱泵機(jī)組的的制熱性能系數(shù)也根據(jù)熱泵機(jī)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(jì)算U型管換熱器的土壤熱阻 。為了計(jì)算周圍鉆孔中U型管換熱器對(duì)所計(jì)算鉆孔中單U型管土壤熱阻影響，對(duì)連續(xù)運(yùn)行1500小時(shí)后不同半徑處（以所計(jì)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(chǎn)生附加的土壤熱阻進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，結(jié)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(shè)計(jì)只考慮半徑6m以內(nèi)，即以所計(jì)算的U型管換熱器為中心，前后左右共4個(gè)鉆孔中U型管換熱器所產(chǎn)生的附加土壤熱阻（最不利情況）。這樣，利用式（3），計(jì)算出土壤熱阻= (㎡℃)/W 。管壁熱阻 U型管換熱器外徑32mm，內(nèi)徑25mm， W/m℃ 。利用式（8）計(jì)算管壁熱阻，管壁熱阻＝ （m℃）/ W 。熱泵的供熱部分運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)=當(dāng)一月為設(shè)計(jì)月時(shí)，熱泵供熱部分運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)為一個(gè)小于1的數(shù)字，根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)，～，本設(shè)計(jì)取。U型管換熱器埋管長(zhǎng)度和數(shù)量的計(jì)算根據(jù)式（1），如上各項(xiàng)所述，在計(jì)算和確定了（1）式中的各項(xiàng)參數(shù)之后，計(jì)算出U型換熱器的長(zhǎng)度：＝14260 m 所需U型管換熱器的數(shù)量： N＝14260/140=102 用于空調(diào)系統(tǒng)的LSSFBLGR770型（制熱量為557KW，制冷量為769KW）熱泵機(jī)組的供冷與供熱。 土壤耦合換熱器的水力計(jì)算地下埋管的水力計(jì)算方法與冷卻水系統(tǒng)水力計(jì)算相同，不再重復(fù)。計(jì)算結(jié)果如下表71 表71 地下埋管水力計(jì)算表地下埋管水管水力計(jì)算表序號(hào)負(fù)荷(kW)流量(kg/h)計(jì)算內(nèi)徑(mm)管徑（mm）管長(zhǎng)(m)ν(m/s)R(Pa/m)△Py(Pa)ξ動(dòng)壓(Pa)△Pj(Pa)△Py+△Pj(Pa)1459789481403248683592140343274304125437965188125532555900110627146612110721737324908163280366675910918748667510111256311631263136314631563164150174150183340193340202632212632222632140231112563324459789481403小計(jì)　　　　　 土壤耦合換熱器的施工安裝地埋管換熱系統(tǒng)施工前應(yīng)了解埋管場(chǎng)地內(nèi)已有地下管線、其他地下構(gòu)筑物的功能及其準(zhǔn)確位置，并應(yīng)進(jìn)行地面清理，鏟除地面雜草、雜物，平整地面。管道連接應(yīng)符合下列規(guī)定： 埋地管道應(yīng)采用熱熔或電熔連接。聚乙烯管道連接應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ101的有關(guān)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(duì)長(zhǎng)度應(yīng)能滿足插入鉆孔后與環(huán)路集管連接的要求，組對(duì)好的U形管的兩開口端部，應(yīng)及時(shí)密封。 水平地埋管換熱器鋪設(shè)前，溝槽底部應(yīng)先鋪設(shè)相當(dāng)于管徑厚度的細(xì)砂。水平地埋管換熱器