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摘要：本文在工程施工的基础上，对该系统的选型及施工技术进行了探討与研究，其中包括地下换热器的布置形式、环路方式及管材的选择，管径、管长及数目、钻孔间距确定，管内传热介质、钻孔深度、回填料的选择等。此文可以应用在该系统的设计 、施工中，对实际工程有较强的指导意义。
关键词：地源热泵；地下换热器；选型；施工技术
1、概述
地源热泵是指将传统空调器的冷凝器与蒸发器延伸至地下，使其与浅层地能（浅层土壤、地下水和地表水）进行热交换来提供冷热源，或是通过中间介质（如水或以水为主要成份的防冻液）在封闭的环路里在土壤中循环流动，实现利用浅层地能为建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源技术。地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，是热泵很好的供热热源和供冷能源。
地源热泵系统可分为地下换热器的设计施工和地上设备管道的设计施工两部分，地上设备管道的安装施工与设计和传统暖通空调设备的设计与安装并无太大差别，而地下换热器的设计与施工比较有特点，作者结合无锡某项目地源热泵工程的设计与施工的特点，对地埋管换热器的的设计选型及施工问题进行研究与经验讨论。
2、U型地埋管换热器的选型
埋管处地质情况和岩土传热性能是地埋管换热器设计选型与施工的重要参数。设计地埋管换热器时，首先需要确定当地的岩土类型、导热系数、比热容等参数。
2.1 地埋管的管材、管径与传热介质
2.1.1 地埋管管材
地源热泵系统地埋管管材的选择非常重要。一般来说，一旦将地埋管换热器埋入地下后，基本就不可能进行维修或更换。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，我国国家标准[1]给出了地埋管换热器地埋管管道外径尺寸标准和管道的压力级别，地埋管外径及壁厚可按规定选用。
2.1.2 管径的选择原则
管径的选择应根据热泵本身的换热器的流量要求以及选用的串联或并联的形式确定。埋管管径不能太大，要保证管中流体的流速足够大，保证管中流体处于紊流区（Re≥2100），有利于强化流体与管壁的换热效率[2]；一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s 以下（经验数字是0.3-1.0m/s之间），对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s 以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m 当量长度以下。
2.1.3 埋管内传热介质
在国内南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。目前应用较多的有：盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等。为了防止出现结冰现象，添加防冻液后的传热介质冰点宜比设计最低运行水温低3~5℃。一般来说，防冻液的浓度应保证循环液的凝固点比循环液的最低温度低8℃，最少也要低3℃[3]
2.2 地埋管换热器的负荷计算
首先确定建筑物的夏季空调设计总冷负荷、冬季空调设计总热负荷和热水负荷（如果选用的话），总冷、热设计负荷是用来确定系统设备（如热泵）的大小和型号，以及根据设计负荷设计空调风管及送、回风口的分布。同时，总冷、热设计负荷又是地埋管换热器负荷计算的基础。地埋管换热器的设计进行全年动态负荷计算，地埋管换热器中循环介质的换热量应满足一年当中地源热泵系统释放到地下的总热量（供冷方式）或一年当中最冷月从地下吸收的总热量（供热方式）。即，地埋管换热器的换热量应满足地源热泵系统实际的最大吸热量或最大释热量的要求，且这两者宜基本平衡。
在供冷季节，地源热泵系统的实际最大释热量发生在与建筑物最大冷负荷相对应的时刻。输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统空调总冷负荷、热泵机组压缩机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，地源热泵系统的实际最大吸热量发生在与建筑物最大热负荷相对应的时刻。从地下吸收的热量等于系统空调总热负荷扣除机组压缩机的耗功，并扣除循环水泵的耗功量。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。
即，夏季地埋管换热器最大释热量和冬季地埋管换热器最大吸热量可由下式计算：
KW(1)
KW(2)
其中 ——夏季地埋管换热器最大释热量，KW，——夏季空调总设计冷负荷，KW
——冬季地埋管换热器最大吸热量，KW，——冬季空调总设计热负荷，KW
——设计工况下热泵机组的制冷系数，——供冷季水泵的小时耗功量，KW
——设计工况下热泵机组的供热系数，——供热季水泵的小时耗功量，KW
H——地源热泵系统运行的小时数
最大释热量与最大吸热量相差不大的工程，分别计算制冷与供热工况下的地埋管换热器的负荷，取其大者；当两者相差较大，全年冷、热负荷平衡失调时，宜进行技术经济比较，采用辅助散热（增加冷却塔）或辅助供热（热水系统）来解决，一方面经济性较好，同时也可避免因吸热和释热不平衡所导致的地埋管区域岩土温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低运行效率。因此地埋管换热器的设计应充分考虑全年冷、热负荷不均的影响。
2.3 地埋管换热器的布置形式
目前地埋管换热器主要有水平埋管和竖直埋管两种方式。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。
2.3.1 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1所示为常见水平地埋管形式，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，因此在使用水平埋管时应用多层管的较多。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。
图1 几种常见水平地埋管形式
2.3.2 竖直埋管
目前使用最多的是单U形管，双U形管，简单套管式管，如图2所示，竖直U型埋管换热器采用在钻孔中插入U型管的方法，一般地质条件下，多采用单U型埋管。但对于较坚硬的的岩石层，选用双U型埋管比较合适，因为此时每米钻孔费用会增高很多。采用双U型埋管，也是解决地下埋管空间不足的很好方法。
套管式换热器的外管直径一般为100～200mm，内管为φ25～φ32ｍｍ。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。但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。
由于U型埋管施工简单，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。
图2 竖直地埋管换热器形式
2.3.3 地埋管系统环路连接方式
地埋管换热器各钻空之间的埋管有串联方式也有并联方式，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。
目前工程上常以并联方式的地埋管系统为主，对于并联的流体通道，应确保各并联的U型管进、出口压力基本相同，可使用较大管径的管子做二级集、分水器，它是管路中循环介质在各并联环路之间循环流动的调节控制装置，将若干口井的地埋管汇集到地埋管侧二级集、分水器中，可以提高管路的水利稳定性。
2.4 地埋管换热器的管长度计算与孔间距
根据所选择的地埋管换热器的类型及布置形式，来设计计算地热换热器的管长。与传统的空调系统设计相比，地埋管换热器管长的设计计算是特有的内容，它不同于换热器的计算，迄今为止尚未有统一的规范。它的计算应根据现场实测岩土体及回填料的热物性参数，采用专业的设计软件进行计算[4]。
在方案设计阶段也可以用下面所介绍的纯经验计算方法进行地埋管换热器管长的估算：利用管材的“换热能力” 埋管管长。所谓“换热能力”即单位埋管管长的估计换热量。
2.4.1 水平埋管的管长计算及管沟间距
水平埋管的单位管材“换热能力”估计在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估算公式如下：
其中 L ——埋管总长，m
——冬季地埋管换热器最大吸热量，KW
分母“20”是每m 管长冬季从土壤的吸热量，W/m
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）、埋管的布置形式等等有关。根据专业地源热泵厂家实际经验，建议管沟间距：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最小高度不小于1.2m。
2.4.2 垂直埋管的管长计算及钻孔间距
垂直埋管的“换热能力”为单位垂直埋管深度换热量，一般垂直单U 形管埋管为40～60 W/m(井深)，垂直双U形管为50～80W/m(井深)左右，设计时取换热能力的下限值。
垂直双U 形管埋管总长具体估算公式如下：
其中 L ——埋管总长，m
——冬季地埋管换热器最大吸热量，KW
分母“50”是每m 管长冬季从土壤的吸热量，W/m
关于竖井间距根据专业地源热泵厂家实际经验，所建议的是：工程较小，埋管单排布置时，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行时，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m。 考虑到管群的管井垂直度不可能绝对控制好，特建议连续运行的管群至少间隔为5.0 米。从换热角度分析，间距大热干扰少，对换热有好处，但占地面积大，埋管造价也有所增加。
钻孔深度的选择
在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、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。
对于水平埋管，从国内实际工程经验看，单层管最佳埋设深度1.2～2.0m，双层管为1.6～2.4m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。
对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。竖直埋管按埋设深度不同分為浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。竖直埋管钻孔深度多数采用50～100m之间，可以在此范围内选择钻孔深度，用此深度带入如下公式算钻孔数目:
其中：N——钻孔总数；L=垂直埋管埋管总长度，m；H——选择的钻井深度，m
“4”——竖井内为双U管，如是单U管为“2”
若计算结果钻井数目偏大，可对计算结果进行调整，适当增加钻井深度。
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，中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。中埋管在国内的地源热泵工程中占多数。
钻井回填材料的选择
钻井回填材料介于地埋管换热器的管壁与钻孔壁之间，用来增强埋管和周围岩土的换热。回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有着重要的意义。如采用导热性能不良的回填材料将显著增大钻孔内的热阻，在同样的条件下将导致所需的钻孔总长度增加，同时也意味着系统初投资以及运行费用的增加。
钻井回填材料的导热能力对地下管路的换热能力有着重要的影响，因此灌浆料必须根据实地测得的土壤传热系数和土质构成采用合适的回填料配方，其导热系数不应低于钻孔外岩土体的导热系数。
1999年，美国Brookhaven国家实验室研制出一种回填材料（水泥、石英砂、膨润土、水、减水剂等的混合物）[5]，其导热系数达到了2.16W/m·K，热稳定性好，可以用于干燥的岩土地区。减少回填料中的水灰比、砂灰比可降低水泥砂浆固化后的孔隙率，从而提高导热系数。
采用高性能的水泥砂浆回填材料，由于它的高传热性，将减少地埋管换热器的钻孔长度和埋管长度，也会降低运行中的循环泵的功耗。
可以用如下公式估算回填料的需用量：
式中：V——所需回填料的量，m³
N——钻孔总数量，个
——钻孔直径，m
——U型管直径，m
H——钻孔孔深，m
3、U型地埋管换热器的施工技术
地源热泵地埋管换热器施工流程如图3所示。
图3地源热泵地埋管换热器施工流程图
竖直U型埋管换热器
3.1.1 放线、钻孔
钻孔前根据地埋管总平面图做好测量放线及管孔定位工作将钻孔排列位置逐一落实在施工现场。单U管钻孔孔径约110~130mm，双U管钻孔孔径约为130~150mm。孔径的大小以能够较容易的插入所设计的U型管及灌浆管为准。钻孔直径小需要的回填料较少，钻孔费也较低。图4为钻孔施工现场。
在竖直地埋管系统中安装一定长度的U型地埋管是首要目的，而并非要钻一定深度的井。即总钻孔深度一定，可根据现场的地质条件决定钻孔的个数和经济合理的钻孔深度。
地埋管换热器的组装应和钻孔相配合，制定严密的施工组织计划。即在钻完一孔前,埋管必须组装好，在钻孔完毕后应尽快将地埋管放入孔中。
3.2.2 U型管的组装、试压与清洗
所谓电熔连接就是将电熔管件套在管材、管件上，预埋在电熔管件内表面的电阻丝通电发热产生的热能加热、熔化电熔管件的内表面和与之承插的管材外表面使之融为一体。
图5所示为常用电熔连接管件。
电熔连接能够减少焊接过程中人为因素的影响；通过管件的结构设计和精准地控制输入功率（优化操作电压或电流和通电时间），可以获得高质量的接头：强度高、寿命长、水密封性好；而且操作简单，施工效率高。而人们常提及的热熔连接一般只适用于公称直径大于63mm的管材，且熔接过程中易受环境和人为影响。
在电熔连接的过程中对接管材应尽量采用原厂配套材料；对接管段外径、壁厚应一致；待焊管材和管件内外表面应光滑平整，无异状，并清洁管材表面的污物，标出插入温度，通电加热时的电压和加热时间应符合电熔连接机具生产厂家及管件生产厂家的规定。在焊接过程中及焊接完成后的冷却阶段，不得移动连接件或施加任何外力。
组装好U型管后应对U型管进行第一次试压、清洗，并在有压状态下将U型管两个端口密封，以防止杂物进入。
3.2.3 垂直下管与第二次试压
在组装完U型管后，管内应注满水保证有压，增加自重，抵消一部分下管过程中的浮力，因为钻孔内一般情况下充满泥浆，浮力较大。钻孔完成后，应立即下管，因为钻好的孔搁置时间过长，有可能出现钻孔局部堵塞或坍塌。下管是将U型管和灌浆管一起插入孔底。下管方法有人工下管和机械下管两种。当钻孔较浅或泥浆密度较小时，宜采用人工下管。反之，可采用机械下管。常用的机械下管方法是将U型管捆绑在钻头上，然后利用钻孔机的钻杆将U型管送入钻孔深处，此时U型管底部的保护尤为重要。下管速度要均匀，防止下管过程中损坏塑料管，如果遇有障碍和不顺畅现象，暂停下管，并立即查明原因，并做好处理后才能继续下管。下放U型管时，必须保证管道没有扭曲、变形。U型管的长度应比孔深略长，以使其能露出地面300mm以上，便于后续施工。竖直地埋管换热器下管完成后，应及时对管道进行试压验收，确认U型管无渗漏后，方可封堵。
3.2.4 钻孔回填灌浆封孔
钻孔回填工序也称为灌浆封井，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时，回填过程结束封孔。图6为钻孔回填封孔示意图。
灌浆时应根据灌浆泵的速度将灌浆管（与地埋管材质相同，整根灌浆管无接头）逐渐抽出，使灌浆液自下而上灌注封孔，高压回填，确保钻孔灌浆密实、无空腔，回填料凝固后具有良好导热能力。竖井回填前必须对垂直换热管进行第二次试压合格后才能进行，回填过程中管道必须进行保压，一旦压力出现异常立即停止，查明原因后才能进行回填，第一次回填后还要多次检查。回填材料采用水泥、石英砂、膨润土、水、减水剂等按一定比例混合。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方可进行。回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护，防止后续施工造成破坏。图7为下管完毕且回填完成后施工现场。
3.2.5地埋管换热器的水压试验与清洗
地埋管系统水压试验操作步骤及要求如下：垂直地埋管插入钻孔前，应做第一次水压试验，在试验压力下，稳压5min，稳压后压力降不应大于3%，且无渗漏现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，下管完毕后进行第二次水压试验，在试验压力下保压1小时，在确认压降不大于3%,且无渗漏现象后，进行灌浆封孔的施工。在垂直地埋管与环路集管（室外集、分水器）装配完成后，应进行第三次水压试验，在试验压力下，稳压至少30min，压降不应大于3%,且无渗漏现象。地埋管换热系统全部安装完毕后，且环路集管（室外集、分水器）与机房分集水器连接完成后，应进行第四次水压试验，在试验压力下，稳压至少12小时，压降不应大于3%,且无渗漏现象。
水压试验应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，不得以气压代替水压试验。回填全部完成后，方可拆除压力检验装置，有条件可以保留以备随时检测。地埋管管道试压合格后应对整条管道进行冲洗消毒，冲洗水应清洁，流速应大于1.0m/s，直到冲洗水的排放水与进水的浊度相一致为止。
4、工程实例
无锡国联金融大厦项目
工程概况
本工程位于江苏省无锡市，总建筑面积为18万平米，该工程由常规制冷系统结合地源热泵系统，地源热泵冬季提供采暖用热水及生活热水，夏季在提供生活热水的同时，生产冷水并入大楼总制冷系统，利用地埋管实现冷热的储存、转换，节省运行费用。该工程地源热泵空调系统夏季能承担的冷负荷为4000kW，冬天能承担的热负荷为4000kW，同时夏季辅以干冷风机加强散热以保证冬夏季土壤的热平衡。
地埋管换热器设计选型与安装
根据施工现场土壤热物性试验研究报告提供的数据，该地区土壤换热量为137.3W/M井深。利用专业公司的专业设计模拟软件进行地埋管设计。根据实际场地条件,共设计有效井深37米的地埋管井513口；设计有效井深100米的地埋管井88口，双U型埋管，地埋管布置随可利用空间的形状而变化。钻孔孔径均为180mm，钻孔间距控制在5米左右。地埋管管材选用的是承压等级为PE100的高密度聚乙烯HDPE管，其中37米深的管井地埋管规格dn25*2.3mm，100米深管井地埋管规格为dn32x3mm。根据项目实地测得的土壤传热系数和土质构成，回填材料采用钻井原浆及飽和湿性粘土与沙的混合物，其导热系数与钻孔外岩土体的导热系数基本相同。
此工程由于钻孔数量多，地埋管管群系统较大，因此将整个埋管区域分成了六个区，每个区由一定的数量的U型管构成独立的地埋管换热器系统，每个区的埋管由设置在地源小室的地源侧二级集、分水器并联相连，如图8为分区竖直地埋管多组并联管网平面示意图，如图9、图10所示地源侧二级集、分水器的连接大样图与示意图。各区二级集、分水器的干管直接与设置在制冷机房中的集、分水器相连，从而形成多组埋管并联的系统管网。这样多组并联管网便于分组调控，提高了埋管系统的可靠性，而且大大减少了大量管件。
应用情况
该工程设计过程与施工过程完全符合《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）的标准，并结合工程地点实际情况对地埋管换热器合理选型，正确施工，自投入使用以来，使用效果良好，系统运行正常，系统本身基本无需维护。
5、结束语
由于地源热泵地埋管换热器的实际施工是整个地源热泵系统的关键，地埋管换热器中传热问题的复杂性、实际工程所涉及的地质和气候条件以及建筑空调系统的多样性，实际工程应用的选型方式和施工技术措施在不断发展，但是暖通空调工程的设计和施工具有可比拟性，因此本文介绍的地埋管换热器的设计选型及施工技术的经验具有普遍性，可以作为地埋管选型与施工的技术参考，更好的发挥地源热泵系统的节能和环保效益，为建设可持续发展的节约型社会做出贡献。
参考文献
[1]建设部（GB50366-2005）《地源热泵系统工程技术规范》北京：中国建筑工业出版社，2005.
[2]Canela Research Inc．《地源热泵工程技术指南》北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]章熙民，任泽霈，梅飞鸣，等．《传热学》北京：中国建筑工业出版社，1985.
[4]刁乃仁，方肇洪．《地埋管地源热泵技术》北京：高等教育出版社，2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地源热泵；地下换热器；选型；施工技术
1、概述
地源热泵是指将传统空调器的冷凝器与蒸发器延伸至地下，使其与浅层地能（浅层土壤、地下水和地表水）进行热交换来提供冷热源，或是通过中间介质（如水或以水为主要成份的防冻液）在封闭的环路里在土壤中循环流动，实现利用浅层地能为建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源技术。地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，是热泵很好的供热热源和供冷能源。
地源热泵系统可分为地下换热器的设计施工和地上设备管道的设计施工两部分，地上设备管道的安装施工与设计和传统暖通空调设备的设计与安装并无太大差别，而地下换热器的设计与施工比较有特点，作者结合无锡某项目地源热泵工程的设计与施工的特点，对地埋管换热器的的设计选型及施工问题进行研究与经验讨论。
2、U型地埋管换热器的选型
埋管处地质情况和岩土传热性能是地埋管换热器设计选型与施工的重要参数。设计地埋管换热器时，首先需要确定当地的岩土类型、导热系数、比热容等参数。
2.1 地埋管的管材、管径与传热介质
2.1.1 地埋管管材
地源热泵系统地埋管管材的选择非常重要。一般来说，一旦将地埋管换热器埋入地下后，基本就不可能进行维修或更换。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，我国国家标准[1]给出了地埋管换热器地埋管管道外径尺寸标准和管道的压力级别，地埋管外径及壁厚可按规定选用。
2.1.2 管径的选择原则
管径的选择应根据热泵本身的换热器的流量要求以及选用的串联或并联的形式确定。埋管管径不能太大，要保证管中流体的流速足够大，保证管中流体处于紊流区（Re≥2100），有利于强化流体与管壁的换热效率[2]；一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s 以下（经验数字是0.3-1.0m/s之间），对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s 以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m 当量长度以下。
2.1.3 埋管内传热介质
在国内南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。目前应用较多的有：盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等。为了防止出现结冰现象，添加防冻液后的传热介质冰点宜比设计最低运行水温低3~5℃。一般来说，防冻液的浓度应保证循环液的凝固点比循环液的最低温度低8℃，最少也要低3℃[3]
2.2 地埋管换热器的负荷计算
首先确定建筑物的夏季空调设计总冷负荷、冬季空调设计总热负荷和热水负荷（如果选用的话），总冷、热设计负荷是用来确定系统设备（如热泵）的大小和型号，以及根据设计负荷设计空调风管及送、回风口的分布。同时，总冷、热设计负荷又是地埋管换热器负荷计算的基础。地埋管换热器的设计进行全年动态负荷计算，地埋管换热器中循环介质的换热量应满足一年当中地源热泵系统释放到地下的总热量（供冷方式）或一年当中最冷月从地下吸收的总热量（供热方式）。即，地埋管换热器的换热量应满足地源热泵系统实际的最大吸热量或最大释热量的要求，且这两者宜基本平衡。
在供冷季节，地源热泵系统的实际最大释热量发生在与建筑物最大冷负荷相对应的时刻。输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统空调总冷负荷、热泵机组压缩机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，地源热泵系统的实际最大吸热量发生在与建筑物最大热负荷相对应的时刻。从地下吸收的热量等于系统空调总热负荷扣除机组压缩机的耗功，并扣除循环水泵的耗功量。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。
即，夏季地埋管换热器最大释热量和冬季地埋管换热器最大吸热量可由下式计算：
KW(1)
KW(2)
其中 ——夏季地埋管换热器最大释热量，KW，——夏季空调总设计冷负荷，KW
——冬季地埋管换热器最大吸热量，KW，——冬季空调总设计热负荷，KW
——设计工况下热泵机组的制冷系数，——供冷季水泵的小时耗功量，KW
——设计工况下热泵机组的供热系数，——供热季水泵的小时耗功量，KW
H——地源热泵系统运行的小时数
最大释热量与最大吸热量相差不大的工程，分别计算制冷与供热工况下的地埋管换热器的负荷，取其大者；当两者相差较大，全年冷、热负荷平衡失调时，宜进行技术经济比较，采用辅助散热（增加冷却塔）或辅助供热（热水系统）来解决，一方面经济性较好，同时也可避免因吸热和释热不平衡所导致的地埋管区域岩土温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低运行效率。因此地埋管换热器的设计应充分考虑全年冷、热负荷不均的影响。
2.3 地埋管换热器的布置形式
目前地埋管换热器主要有水平埋管和竖直埋管两种方式。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。
2.3.1 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1所示为常见水平地埋管形式，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，因此在使用水平埋管时应用多层管的较多。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。
图1 几种常见水平地埋管形式
2.3.2 竖直埋管
目前使用最多的是单U形管，双U形管，简单套管式管，如图2所示，竖直U型埋管换热器采用在钻孔中插入U型管的方法，一般地质条件下，多采用单U型埋管。但对于较坚硬的的岩石层，选用双U型埋管比较合适，因为此时每米钻孔费用会增高很多。采用双U型埋管，也是解决地下埋管空间不足的很好方法。
套管式换热器的外管直径一般为100～200mm，内管为φ25～φ32ｍｍ。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。但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。
由于U型埋管施工简单，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。
图2 竖直地埋管换热器形式
2.3.3 地埋管系统环路连接方式
地埋管换热器各钻空之间的埋管有串联方式也有并联方式，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。
目前工程上常以并联方式的地埋管系统为主，对于并联的流体通道，应确保各并联的U型管进、出口压力基本相同，可使用较大管径的管子做二级集、分水器，它是管路中循环介质在各并联环路之间循环流动的调节控制装置，将若干口井的地埋管汇集到地埋管侧二级集、分水器中，可以提高管路的水利稳定性。
2.4 地埋管换热器的管长度计算与孔间距
根据所选择的地埋管换热器的类型及布置形式，来设计计算地热换热器的管长。与传统的空调系统设计相比，地埋管换热器管长的设计计算是特有的内容，它不同于换热器的计算，迄今为止尚未有统一的规范。它的计算应根据现场实测岩土体及回填料的热物性参数，采用专业的设计软件进行计算[4]。
在方案设计阶段也可以用下面所介绍的纯经验计算方法进行地埋管换热器管长的估算：利用管材的“换热能力” 埋管管长。所谓“换热能力”即单位埋管管长的估计换热量。
2.4.1 水平埋管的管长计算及管沟间距
水平埋管的单位管材“换热能力”估计在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估算公式如下：
其中 L ——埋管总长，m
——冬季地埋管换热器最大吸热量，KW
分母“20”是每m 管长冬季从土壤的吸热量，W/m
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）、埋管的布置形式等等有关。根据专业地源热泵厂家实际经验，建议管沟间距：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最小高度不小于1.2m。
2.4.2 垂直埋管的管长计算及钻孔间距
垂直埋管的“换热能力”为单位垂直埋管深度换热量，一般垂直单U 形管埋管为40～60 W/m(井深)，垂直双U形管为50～80W/m(井深)左右，设计时取换热能力的下限值。
垂直双U 形管埋管总长具体估算公式如下：
其中 L ——埋管总长，m
——冬季地埋管换热器最大吸热量，KW
分母“50”是每m 管长冬季从土壤的吸热量，W/m
关于竖井间距根据专业地源热泵厂家实际经验，所建议的是：工程较小，埋管单排布置时，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行时，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m。 考虑到管群的管井垂直度不可能绝对控制好，特建议连续运行的管群至少间隔为5.0 米。从换热角度分析，间距大热干扰少，对换热有好处，但占地面积大，埋管造价也有所增加。
钻孔深度的选择
在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、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。
对于水平埋管，从国内实际工程经验看，单层管最佳埋设深度1.2～2.0m，双层管为1.6～2.4m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。
对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。竖直埋管按埋设深度不同分為浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。竖直埋管钻孔深度多数采用50～100m之间，可以在此范围内选择钻孔深度，用此深度带入如下公式算钻孔数目:
其中：N——钻孔总数；L=垂直埋管埋管总长度，m；H——选择的钻井深度，m
“4”——竖井内为双U管，如是单U管为“2”
若计算结果钻井数目偏大，可对计算结果进行调整，适当增加钻井深度。
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，中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。中埋管在国内的地源热泵工程中占多数。
钻井回填材料的选择
钻井回填材料介于地埋管换热器的管壁与钻孔壁之间，用来增强埋管和周围岩土的换热。回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有着重要的意义。如采用导热性能不良的回填材料将显著增大钻孔内的热阻，在同样的条件下将导致所需的钻孔总长度增加，同时也意味着系统初投资以及运行费用的增加。
钻井回填材料的导热能力对地下管路的换热能力有着重要的影响，因此灌浆料必须根据实地测得的土壤传热系数和土质构成采用合适的回填料配方，其导热系数不应低于钻孔外岩土体的导热系数。
1999年，美国Brookhaven国家实验室研制出一种回填材料（水泥、石英砂、膨润土、水、减水剂等的混合物）[5]，其导热系数达到了2.16W/m·K，热稳定性好，可以用于干燥的岩土地区。减少回填料中的水灰比、砂灰比可降低水泥砂浆固化后的孔隙率，从而提高导热系数。
采用高性能的水泥砂浆回填材料，由于它的高传热性，将减少地埋管换热器的钻孔长度和埋管长度，也会降低运行中的循环泵的功耗。
可以用如下公式估算回填料的需用量：
式中：V——所需回填料的量，m³
N——钻孔总数量，个
——钻孔直径，m
——U型管直径，m
H——钻孔孔深，m
3、U型地埋管换热器的施工技术
地源热泵地埋管换热器施工流程如图3所示。
图3地源热泵地埋管换热器施工流程图
竖直U型埋管换热器
3.1.1 放线、钻孔
钻孔前根据地埋管总平面图做好测量放线及管孔定位工作将钻孔排列位置逐一落实在施工现场。单U管钻孔孔径约110~130mm，双U管钻孔孔径约为130~150mm。孔径的大小以能够较容易的插入所设计的U型管及灌浆管为准。钻孔直径小需要的回填料较少，钻孔费也较低。图4为钻孔施工现场。
在竖直地埋管系统中安装一定长度的U型地埋管是首要目的，而并非要钻一定深度的井。即总钻孔深度一定，可根据现场的地质条件决定钻孔的个数和经济合理的钻孔深度。
地埋管换热器的组装应和钻孔相配合，制定严密的施工组织计划。即在钻完一孔前,埋管必须组装好，在钻孔完毕后应尽快将地埋管放入孔中。
3.2.2 U型管的组装、试压与清洗
所谓电熔连接就是将电熔管件套在管材、管件上，预埋在电熔管件内表面的电阻丝通电发热产生的热能加热、熔化电熔管件的内表面和与之承插的管材外表面使之融为一体。
图5所示为常用电熔连接管件。
电熔连接能够减少焊接过程中人为因素的影响；通过管件的结构设计和精准地控制输入功率（优化操作电压或电流和通电时间），可以获得高质量的接头：强度高、寿命长、水密封性好；而且操作简单，施工效率高。而人们常提及的热熔连接一般只适用于公称直径大于63mm的管材，且熔接过程中易受环境和人为影响。
在电熔连接的过程中对接管材应尽量采用原厂配套材料；对接管段外径、壁厚应一致；待焊管材和管件内外表面应光滑平整，无异状，并清洁管材表面的污物，标出插入温度，通电加热时的电压和加热时间应符合电熔连接机具生产厂家及管件生产厂家的规定。在焊接过程中及焊接完成后的冷却阶段，不得移动连接件或施加任何外力。
组装好U型管后应对U型管进行第一次试压、清洗，并在有压状态下将U型管两个端口密封，以防止杂物进入。
3.2.3 垂直下管与第二次试压
在组装完U型管后，管内应注满水保证有压，增加自重，抵消一部分下管过程中的浮力，因为钻孔内一般情况下充满泥浆，浮力较大。钻孔完成后，应立即下管，因为钻好的孔搁置时间过长，有可能出现钻孔局部堵塞或坍塌。下管是将U型管和灌浆管一起插入孔底。下管方法有人工下管和机械下管两种。当钻孔较浅或泥浆密度较小时，宜采用人工下管。反之，可采用机械下管。常用的机械下管方法是将U型管捆绑在钻头上，然后利用钻孔机的钻杆将U型管送入钻孔深处，此时U型管底部的保护尤为重要。下管速度要均匀，防止下管过程中损坏塑料管，如果遇有障碍和不顺畅现象，暂停下管，并立即查明原因，并做好处理后才能继续下管。下放U型管时，必须保证管道没有扭曲、变形。U型管的长度应比孔深略长，以使其能露出地面300mm以上，便于后续施工。竖直地埋管换热器下管完成后，应及时对管道进行试压验收，确认U型管无渗漏后，方可封堵。
3.2.4 钻孔回填灌浆封孔
钻孔回填工序也称为灌浆封井，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时，回填过程结束封孔。图6为钻孔回填封孔示意图。
灌浆时应根据灌浆泵的速度将灌浆管（与地埋管材质相同，整根灌浆管无接头）逐渐抽出，使灌浆液自下而上灌注封孔，高压回填，确保钻孔灌浆密实、无空腔，回填料凝固后具有良好导热能力。竖井回填前必须对垂直换热管进行第二次试压合格后才能进行，回填过程中管道必须进行保压，一旦压力出现异常立即停止，查明原因后才能进行回填，第一次回填后还要多次检查。回填材料采用水泥、石英砂、膨润土、水、减水剂等按一定比例混合。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方可进行。回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护，防止后续施工造成破坏。图7为下管完毕且回填完成后施工现场。
3.2.5地埋管换热器的水压试验与清洗
地埋管系统水压试验操作步骤及要求如下：垂直地埋管插入钻孔前，应做第一次水压试验，在试验压力下，稳压5min，稳压后压力降不应大于3%，且无渗漏现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，下管完毕后进行第二次水压试验，在试验压力下保压1小时，在确认压降不大于3%,且无渗漏现象后，进行灌浆封孔的施工。在垂直地埋管与环路集管（室外集、分水器）装配完成后，应进行第三次水压试验，在试验压力下，稳压至少30min，压降不应大于3%,且无渗漏现象。地埋管换热系统全部安装完毕后，且环路集管（室外集、分水器）与机房分集水器连接完成后，应进行第四次水压试验，在试验压力下，稳压至少12小时，压降不应大于3%,且无渗漏现象。
水压试验应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，不得以气压代替水压试验。回填全部完成后，方可拆除压力检验装置，有条件可以保留以备随时检测。地埋管管道试压合格后应对整条管道进行冲洗消毒，冲洗水应清洁，流速应大于1.0m/s，直到冲洗水的排放水与进水的浊度相一致为止。
4、工程实例
无锡国联金融大厦项目
工程概况
本工程位于江苏省无锡市，总建筑面积为18万平米，该工程由常规制冷系统结合地源热泵系统，地源热泵冬季提供采暖用热水及生活热水，夏季在提供生活热水的同时，生产冷水并入大楼总制冷系统，利用地埋管实现冷热的储存、转换，节省运行费用。该工程地源热泵空调系统夏季能承担的冷负荷为4000kW，冬天能承担的热负荷为4000kW，同时夏季辅以干冷风机加强散热以保证冬夏季土壤的热平衡。
地埋管换热器设计选型与安装
根据施工现场土壤热物性试验研究报告提供的数据，该地区土壤换热量为137.3W/M井深。利用专业公司的专业设计模拟软件进行地埋管设计。根据实际场地条件,共设计有效井深37米的地埋管井513口；设计有效井深100米的地埋管井88口，双U型埋管，地埋管布置随可利用空间的形状而变化。钻孔孔径均为180mm，钻孔间距控制在5米左右。地埋管管材选用的是承压等级为PE100的高密度聚乙烯HDPE管，其中37米深的管井地埋管规格dn25*2.3mm，100米深管井地埋管规格为dn32x3mm。根据项目实地测得的土壤传热系数和土质构成，回填材料采用钻井原浆及飽和湿性粘土与沙的混合物，其导热系数与钻孔外岩土体的导热系数基本相同。
此工程由于钻孔数量多，地埋管管群系统较大，因此将整个埋管区域分成了六个区，每个区由一定的数量的U型管构成独立的地埋管换热器系统，每个区的埋管由设置在地源小室的地源侧二级集、分水器并联相连，如图8为分区竖直地埋管多组并联管网平面示意图，如图9、图10所示地源侧二级集、分水器的连接大样图与示意图。各区二级集、分水器的干管直接与设置在制冷机房中的集、分水器相连，从而形成多组埋管并联的系统管网。这样多组并联管网便于分组调控，提高了埋管系统的可靠性，而且大大减少了大量管件。
应用情况
该工程设计过程与施工过程完全符合《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）的标准，并结合工程地点实际情况对地埋管换热器合理选型，正确施工，自投入使用以来，使用效果良好，系统运行正常，系统本身基本无需维护。
5、结束语
由于地源热泵地埋管换热器的实际施工是整个地源热泵系统的关键，地埋管换热器中传热问题的复杂性、实际工程所涉及的地质和气候条件以及建筑空调系统的多样性，实际工程应用的选型方式和施工技术措施在不断发展，但是暖通空调工程的设计和施工具有可比拟性，因此本文介绍的地埋管换热器的设计选型及施工技术的经验具有普遍性，可以作为地埋管选型与施工的技术参考，更好的发挥地源热泵系统的节能和环保效益，为建设可持续发展的节约型社会做出贡献。
参考文献
[1]建设部（GB50366-2005）《地源热泵系统工程技术规范》北京：中国建筑工业出版社，2005.
[2]Canela Research Inc．《地源热泵工程技术指南》北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]章熙民，任泽霈，梅飞鸣，等．《传热学》北京：中国建筑工业出版社，1985.
[4]刁乃仁，方肇洪．《地埋管地源热泵技术》北京：高等教育出版社，2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。