随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的哀求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的紧张组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。地源热泵供热空调系统是一种利用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。冬季通过接管大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地开释热量，给建筑物供冷。相应的，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。
土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交流器。
地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，须要二次换热。
地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交流器替代土壤热交流器。
虽然采取地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能知足哀求，以是其利用范围受到一定限定。国外（如美国、欧洲）紧张研究和运用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。目前缺少系统设计数据以及较详细的设计辅导，本文进行了初步磋商，以供参考。
1、土壤源热泵系统设计的紧张步骤
（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量打算
建筑物冷热负荷打算与常规空调系统冷热负荷打算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。
冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤接管的热量。可以由下述公式[2]打算：
kW（1）
kW（2）
个中Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW
Q1--夏季设计总冷负荷，kW
Q2＇——冬季从土壤接管的热量，kW
Q2--冬季设计总热负荷，kW
COP1--设计工况下水源热泵机组的制冷系数
COP2--设计工况下水源热泵机组的供热系数
一样平常地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，打算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2。若样本中无所需的设计工况，可以采取插值法打算。
（2）地下热交流器设计
这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，紧张包括地下热交流器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力打算及水泵选型等。（不才文将详细阐述）
（3）其它
2、地下热交流器设计
2.1、选择热交流器形式
2.1.1、水平（卧式）或垂直（立式）
在现场勘测结果的根本上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔用度，确定热交流器采取垂直竖井支配或水平支配办法。只管水平支配常日是浅层埋管，可采取人工挖掘，初投资一样平常会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多[3]，并且每每受可利用地皮面积的限定，以是在实际工程中，一样平常采取垂直埋管支配办法。
根据埋管办法不同，垂直埋管大致有3种形式：（1）U型管（2）套管型（3）单管型（详见[2]）。套管型的内、外管中流体热交流时存在热丢失。单管型的利用范围受水文地质条件的限定。U型管运用最多，管径一样平常在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，资料表明[4]：最深的U型管埋深已达180m。U型管的范例环路有3种（详见[1]），个中利用最普遍的是每个竖井中支配单U型管。
2.1.2、串联或并联
地下热交流器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道用度较高，并且长度压降特性限定了系统能力。并联系统管径较小，管道用度较低，且常常支配成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一样平常都采取并联同程式。结合上文，即常采取单U型管并联同程的热交流器形式。
2.2、选择管材
一样平常来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或改换，这就哀求担保埋入地下管材的化学性子稳定并且耐堕落。常规空调系统中利用的金属管材在这方面存在严重不敷，且须要埋入地下的管道的数量较多，该当优先考虑利用价格较低的管材。以是，土壤源热泵系统中一样平常采取塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以波折或热熔形成更稳定的形状，可以担保利用50年以上；而PVC管材由于不易波折，接头处耐压能力差，随意马虎导致泄露，因此，不推举用于地下埋管系统。
2.3、确定管径
在实际工程中确定管径必须知足两个哀求[2]：（1）管道要大到足够保持最小运送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以担保流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个哀求相互抵牾，须要综合考虑。一样平常并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交流器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速掌握在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速掌握在2.44m/s以下或一样平常把各管段压力丢失掌握在4mH２O/100m当量长度以下[1]。
2.4、确定竖井埋管管长
地下热交流器长度的确定除了已确定的系统支配和管材外，还须要有当地的土壤技能资料，如地下温度、传热系数等。文献[2]先容了一种打算方法共分9个步骤,很繁琐，并且部分数据不易得到。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来打算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一样平常垂直埋管为70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管长）旁边[3]。
设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），详细打算公式如下：
（3）
个中Q1＇——竖井埋管总长，m
L--夏季向土壤排放的热量，kW
分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m
2.5、确定竖井数目及间距
国外，竖井深度多数采取50～100m[2]，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式打算竖井数目:
（4）
个中N--竖井总数，个
L--竖井埋管总长，m
H--竖井深度，m
分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约即是竖井深度的2倍。
然后对打算结果进行圆整，若打算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装本钱大大增加。
关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一样平常为4.5m[3]，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m[4]。若采取串联连接办法，可采取三角形支配（详见[2]）来节约占地面积。
2.6、打算管道压力丢失
在同程系统中，选择压力丢失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力打算。可采取当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降，将所有管段压降相加，得出总阻力。
2.7、水泵选型
根据上述打算最不利环路所得的管道压力丢失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力丢失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择知足哀求的水泵型号及台数。
2.8、校核管材承压能力
管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力即是大气压力、重力浸染静压和水泵扬程一半的总和[1]，即：
个中ｐ——管路最大压力，Pa
ｐo--建筑物所在的当地大气压，Pa
ρ——地下埋管中流体密度，kg/m3
g--当地重力加速度，m/s2
h--地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m
ρh--水泵扬程，Pa
3、其它
3.1、与常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（一样平常为1m）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。
3.2、在某些商用或公用建筑物的地源热泵系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下热交流器十分弘大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限定，地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计，同时增加赞助换热装置（如冷却塔＋板式换热器，板式换热器紧张是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。该方法可以降落安装用度，担保地源热泵系统具有更大的市场前景，尤实在用于改造工程[1]。
4、设计举例
4.1、设计参数
上海某复式住宅空调面积212m2。
4.1.1、室外设计参数
夏季室外干球温度tw＝34℃,湿球温度ts＝28.2℃
冬季室外干球温度tw＝-4℃,相对湿度φ＝75％
4.1.2、室内设计参数
夏季室内温度tn＝27℃,相对湿度φn＝55％
冬季室内温度tn＝20℃,相对湿度φn＝45％
4.2、打算空调负荷及选择紧张设备
参考常规空调建筑物冷热负荷的打算方法，打算得到各房间冷热负荷并选择风机盘管型号；考虑房间共用系数（取0.8），得到建筑物夏季设计总冷负荷为24.54kW，冬季设计总热符负荷为16.38kW，选择WPWD072型水源热泵机组2台，本设计举例工况下的COP1＝3.3，COP2＝3.7。
4.3、打算地下负荷
根据公式（1）、（2）打算得
kW
kW
取夏季向土壤排放的热量Q1＇进行设计打算。
4.4、确定管材及埋管管径
选用聚乙烯管材PE63（SDR11），并联环路管径为DN20，集管管径分别为DN25、DN32、DN40、DN50，如图1所示。
4.5、确定竖井埋管管长
根据公式（3）打算得
m
4.6、确定竖井数目及间距
选取竖井深度50m，根据公式（4）打算得
个
圆整后取10个竖井，竖井间距取4.5m。
4.7、打算地埋管压力丢失
参照本文2.6先容的打算方法，分别打算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10―11―11′－1′各管段的压力丢失，得到各管段总压力丢失为40kPa。再加上连接到热泵机组的管路压力丢失，以及热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力丢失，所选水泵扬程为15mH2O。
4.8、校核管材承压能力
上海夏季大气压力ｐo＝100530Pa，水的密度ρ＝1000kg/m３，
当地重力加速度g＝9.8m/s2，高度差h＝50.5m
重力浸染静压ρgh＝494900Pa
水泵扬程一半0.5ρh＝7.5mH2O＝73529Pa
因此，管路最大压力ｐ＝ｐo＋ρgh＋0.5ρh＝668959Pa（约0.7Mpa）
聚乙烯PE63（SDR11）额定承压能力为1.0MPa，管材知足设计哀求。
5、结论
地源热泵系统在我国长江流域及其周围地区具有广阔的运用前景，但有关影响土壤源热泵系统广泛运用的紧张成分（如地下热交流器的传热强化、土壤性子等）的研究还很有限，设计时大致可以遵照以下原则：
（1）若建筑物周围可利用地表面积充足，应首先考虑采取比较经济的水平埋管办法；相反，若建筑物周围可利用地表面积有限，应采取竖直U型埋管办法。
（2）只管可以采取串联、并联办法连接埋管，但并联办法采取小管径，初投资及运行用度均较低，以是在实际工程中常用，且为了保持各并联环路之间阻力平衡，最好设计成同程式。
（3）选择管径时，除考虑安装本钱外，一样平常把各管段压力丢失掌握在4mH2O/100m（当量长度）以下，同时应使管内流动处于紊流过渡区。
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