地源热泵设计(地埋管)

T形三通的当量长度（m） 直流三通 直流三通 90°标准 90°长半 45°标准 180°标 后缩 后缩 旁流三通直流三通 型 径型 型 准型 小 小 1/4 1/2 0.4 0.3 0.2 0.7 0.8 0.3 0.4 0.4 0.5 0.3 0.2 0.8 0.9 0.3 0.4 0.5 0.6 0.4 0.3 1 1.2 0.4 0.6 0.6 0.8 0.5 0.4 1.3 1.5 0.5 0.7 0.8 1 0.7 0.5 1.7 2.1 0.7 0.9 1 1.2 0.8 0.6 1.9 2.4 0.8 1.1 1.2 1.5 1 0.8 2.5 3.1 1 1.4 1.5 1.8 1.3 1 3.1 3.7 1.3 1.7 1.8 2.3 1.5 1.2 3.7 4.6 1.5 2.1 2.3 2.7 1.8 1.4 4.6 5.5 1.8 2.4 2.7 3.1 2 1.6 5.2 6.4 2 2.7 3.1 4 2.5 2 6.4 7.6 2.5 3.7 4 4.9 3.1 2.4 7.6 9.2 3.1 4.3 4.9 6.1 4 3.1 10.1 12.2 4 5.5 6.1 弯头的当量长度（m）
表2 聚乙烯（PE）管外径及公称壁厚（mm）
公称外径dn
20 25 32 40 50 63 75 90 110 125 140 160 180 200 225 250 280 315 355 400
平均外径 最小 最大
1.0MPa
20 25 32 40 50 63 75 90 110 125 140 160 180 200 225 250 280 315 355 400 20.3 25.3 32.3 40.4 50.5 63.6 75.7 90.9 111 126.2 141.3 161.5 181.7 201.8 227.1 252.3 282.6 317.9 358.2 403.6 － － － － － +0.8 4.7 /PE80 +0.7 4.5 /PE100 +0.9 5.4 /PE100 +1.1 6.6 /PE100 +1.2 7.4 /PE100 +1.3 8.3 /PE100 +1.5 9.5 /PE100 +1.7 10.7 /PE100 +1.8 11.9 /PE100 +2.1 13.4 /PE100 +2.3 14.8 /PE100 +3.3 16.6 /PE100 +3.7 18.7 /PE100 +4.2 21.1 /PE100 +4.7 23.7 /PE100
表3 聚丁烯（PB）管外径及公称壁厚（mm）
平均外径 公称外径dn 20 25 32 40 50 63 75 90 110 最小 最大
20
25 32 40 49.9 63 75 90 110
20.3
25.3 32.3 40.4 50.5 63.6 75.7 90.9 111
公称壁厚 +0.3 1.9 2.3 2.9 3.7 4.6 5.8 6.8 8.2
表1 岩土热物性参数
天然含水量 序号 岩土名称

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
粘性土 粘性土 粘性土 粘性土 细砂 细砂 细砂 细砂 细砂 中砂 中砂 粗砂 砾砂 砾砂 粗砾砂 粗砾砂 圆砾 圆砾
(%) 27 29 31.4 20 22.1 11.1 5.5 8 16.1 7 13.8 12.4 8.9 5.3 23.3 21.9 9.5 10.5
天然含水量 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 岩土名称 粉土 粉土 粉土 粉土 粉土 粘性土 粘性土 粘性土 粘性土

(%) 16.3 22.9 26.9 25.3 26 26.3 19 29.8 30.1
密度 (kg/m3) 1590 1920 2130 1850 1930 1990 2000 2050 2110
A

4
d2 j
2
式中
A ——地埋管的断面面积（ m ）； d j——地埋管的内径（m）。
三、地埋管水力计算
4) 计算管内流体的流速:
V G 3600 A
式中
V ——管内流体的流速（m/s）； 3 G ——管内流体的流量（m / h）。
5) 计算管内流体的雷诺数，应该大于2300以确保紊流： Vd j Re
+0.5
1.6MPa
－ － +0.5 3.0 /PE100 +0.6 3.7 /PE100 +0.7 4.6 /PE100 +0.9 5.8 /PE100 +1.1 6.8 /PE100 +1.3 8.2 /PE100 +1.5 10.0 /PE100 +1.8 11.4 /PE100 +2.0 12.7 /PE100 +2.2 14.6 /PE100 +3.2 16.4 /PE100 +3.6 18.2 /PE100 +4.0 20.5 /PE100 +4.5 22.7 /PE100 +5.0 25.4 /PE100 +5.7 28.6 /PE100 +6.4 32.2 /PE100 +7.2 36.3 /PE100
密度 (kg/m3) 2170 2020 2140 2090 1800 1570 1310 1420 1460 1490 1510 1260 1950 1600 2130 2200 1860 1830
导热系数

导温系数

比热容
C
(W/m.K) 1.55 1.69 1.85 1.19 1.6 0.73 0.64 0.65 0.86 0.79 1.06 1.06 1.41 1.04 1.88 1.75 1.44 0.94
直接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水，经处理后直 接流经水源热泵机组热交换后返回地下同 一含水层的地下水换热系统。
间接地下水换热系统 由抽水井取出的地下水经中间换热器 热交换后返回地下同一含水层的地下水换 热系统。
一、岩土热物性参数
• 岩土体类型、热特性、热传导性、含水率、密度、温度等是影响地埋管换热 系统性能的主要因素。就地表而言，垂直地表土方向的导热性大于水平方向 的导热性，岩土的热物性参数可参见表1。 表1 岩土热物性参数

式中
Re——管内流体的雷诺数；
——管内流体的密度（ kg / m3 ）； ——管内流体的动力黏度（N .s / m2 ）

三、地埋管水力计算
6) 计算管段的沿程阻力 Py ：
.25 Pd 0.158 0.75 0.25 d 1 V 1.75 j
wenku.baidu.com
Py Pd L
式中
(m2/h) 0.00183 0.00184 0.00223 0.00136 0.00209 0.00165 0.00176 0.00196 0.0021 0.00201 0.00255 0.00285 0.00281 0.0028 0.00228 0.00188 0.00318 0.00198
(kJ/kg.K) 1.41 1.64 1.4 1.51 1.53 1.02 1 0.84 1.01 0.95 0.99 1.06 0.93 0.84 1.39 1.52 0.88 0.93
+0.4 +0.4 +0.5 +0.6 +0.7 +0.8 +1.0 +1.1 +1.3 +1.4 +1.6
10.0
125
140 160
125
140 160
126.2
141.3 161.5
11.4
12.7 14.6
二、地埋管管材
4. 埋地管道应采用热熔或电熔连接。聚乙烯管道的连接应符合国家现 行标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101）的有关规 定。 5. 地埋管宜根据设计中选用的管材长度由厂家成捆供货，以减少埋管 接头数量。竖直地埋管U形管的组对长度应能满足插入钻孔后与水平 环路集管连接的要求。组对好的U形管的两接头部位应及时密封。 6. 竖直地埋管换热器的U形管接头，宜选用定型的U形弯头成品件，不
导热系数
导温系数
比热容
C

(W/m.K) 1.62 1.84 3.14 1.28 1.16 0.93 3.6 3.45 3.14 0.52 0.83

(m2/h) 0.00358 0.0035 0.0046 0.00245 0.00227 0.00214 0.00517 0.00487 0.0046 0.00157 0.00166
Py ——计算管段的沿程阻力（Pa）；
L ——计算管段的长度（m）。 7) 计算管段的局部阻力：
Pj Pd L j
Pd ——计算管段单位管长的沿程阻力（Pa/m）；
式中
Pj——计算管段的局部阻力（Pa）； L j——计算管段管件的当量长度（m）。
管件的当量长度可按表4计算。
表4 管件当量长度表
320
360 天数
地源热泵
普通空调系统
对于制冷来说，地源热泵与常规冷水机组最大的区别是： 空调系统的冷却水冷却变为地下水或土壤冷却。 制热和生活热水供应时，地源热泵系统可以替代锅炉。
地源热泵系统的组成
① 室外地能换热系统 • 土壤源 • 地下水 • 地表水 ② 水源热泵机组 ③ 室内采暖空调末端
公称壁厚/材料等级 公称压力 1.25 MPa
－ 2.3 /PE80 +0.5 3.0 /PE80 +0.6 3.7 /PE80 +0.7 4.6 /PE80 +0.8 4.7 /PE100 +0.9 5.6 /PE100 +1.1 6.7 /PE100 +1.3 8.1 /PE100 +1.4 9.2 /PE100 +1.6 10.3 /PE100 +1.8 11.8 /PE100 +2.0 13.3 /PE100 +2.3 14.7 /PE100 +3.3 16.6 /PE100 +3.6 18.4 /PE100 +4.1 20.6 /PE100 +4.6 23.2 /PE100 +5.2 26.1 /PE100 +5.8 29.4 /PE100
(kJ/kg.K) 0.89 0.84 0.91 0.84 0.92 0.92 0.84 0.91 0.91 0.92 1.02
二、地埋管管材
1. 地埋管管材及管件应符合设计要求，且应具有质量检验报告和出厂 合格证。 2. 地埋管管材及管件应采用相同材料，且应具有化学稳定性好、耐腐 蚀、导热系数大、流动阻力小等质量特性，一般采用高密度聚乙烯 管（PE80或PE100）或聚丁烯管（PB），不宜采用聚氯乙烯（PVC） 管。 3. 地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。聚乙烯管应符合 《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/J13663的要求；聚丁烯管应符合 《冷热水用聚丁烯（PB）管道系统》GB/T194732的要求。管材的公 称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不宜小于 1.0MPa。地埋管外径及壁厚可按表2、表3的规定选用。
地源热 泵系统
地源热泵系统的组成
水循环系统 地源热泵机组
地下热交换器
控制系统
土壤温度随深度变化示意图
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 月份
40
地表 2 FT（0.6m) 30 20 10 0
5 FT (1.5m)
12 FT (3.6m)
0
40
80
120
160
200
240
280
表1 岩土热物性参数
天然含水量 序号 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 岩土名称 卵石+砂 砂岩 石灰岩 石灰岩 石灰岩 石灰岩 大理石+花岗岩 大理石+花岗岩 花岗岩 石灰质凝灰岩 灰质页岩

(%) 9.8 － － － － － － － － － －
密度 (kg/m3) 1840 2250 2700 2250 2000 1700 3000 2800 2700 1300 1760
宜采用直管道煨制弯头，有条件时宜由生产厂家将弯头或定型连接
件与U形管连接好，成套供货。
三、地埋管水力计算
1. 地埋管换热系统设计时应根据实际选用的传热介质的水力特性进行水力
计算。国内目前塑料管的比摩阻均是以水为传热介质，对添加防冻剂的
水溶液均无相应数据，水力计算时可按《地源热泵工程技术指南》 （Ground-source heat pump engineering manual）推荐的方法进行。 1) 确定管内流体的流量、公称直径和流体特性。 2) 根据公称直径，确定地埋管的内径。 3) 计算地埋管的断面面积：
导热系数

导温系数 (m2/h) 0.00129 0.00158 0.00264 0.00178 0.00222 0.00164 0.00152 0.00171 0.00197

比热容 (kJ/kg.K) 1.11 1.5 1.15 1.59 1.35 1.56 1.42 1.71 1.41
(W/m.K) 0.63 1.26 1.79 1.45 1.61 1.41 1.2 1.66 1.63
③ ②
①
什么是地源热泵
地源热泵是一种利用地 表或地下浅层地热等低 温低位热能资源，并采 用热泵原理，通过少量
的高位电能输入，实现 既能供热又能制冷、低 位热能向高位热能转移 的一种技术。
地下水换热系统（ground water system） 与地下水进行热交换的地热能交换系统，分为直接地下 水换热系统和间接地下水换热系统。投资最小、需回灌、有污垢