地源熱幫浦換熱器是由埋到地下的管材與大地進行耦合換熱，這種管叫地藕管，由地藕管組成的換熱系統稱作地藕管換熱器。
建築物冷、負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同，在這裡不再贅述。
冬、夏季地下換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式[2]計算：
kw1）
kw2）
其中 ——夏季向土壤排放的熱量，kw
——夏季設計總冷負荷，kw
——冬季從土壤吸收的熱量，kw
——冬季設計總熱負荷，kw
——設計工況下熱幫浦機組的製冷係數
——設計工況下熱幫浦機組的供熱係數
熱幫浦機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的製冷量、制熱量以及製冷係數、供熱係數，計算時應從樣本中選用設計工況下的 、 。若樣本中無所需的設計工況，可以採用插值法計算。
（**）張立均 2023年4月生，高階工程師
2 地藕管熱交換器設計計算
地藕管熱交換器設計是土壤源熱幫浦系統設計的核心內容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水幫浦選型等。
熱交換器選擇形式一般常見有水平（臥式）或垂直（立式）式，在實際工程中採用水平式還是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大，取決於工程場地大小、當地岩土型別及挖掘成本。若場地足夠大且無堅硬岩石，則水平式較經濟，若採用布管機進行多管布置還可減少占地面積。若場地面積有限則應採用垂直式埋管，很多情況下這是唯一選擇。
若場地中有堅硬的岩石，用鑽岩石的鑽頭鑽孔成本高。首先應在現場勘測結果的基礎上，考慮現場可用地表面積、當地土壤型別以及鑽孔費用，確定熱交換器採用垂直豎井布置或水平布置方式。儘管水平布置通常是淺層埋管，可採用人工挖掘，初投資會減少，但它的換熱效能比豎埋管差很多，會受當地氣溫影響較大，並且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，一般採用垂直埋管布置方式。
2.1 埋管方式
垂直埋管大致有3種形式：（1）u型管（2）套管型（3）單管型。套管型的內、外管中流體熱
交換時存在熱損失。單管型的使用範圍受水文地質條件的限制。u型管應用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱效能越好.
資料表明：最深的u型管埋深已達180m。u型管的典型環路有3種，其中使用最普遍的是每個豎井中布置單u型管和雙u型管。
２.２聯管方式
地下熱交換器中流體流動的迴路形式有串聯和併聯２種。串聯系統管徑較大，管道費用較高，
並且長度壓降特性限制了系統能力。併聯系統管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式。當每個併聯環路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利於提高系統能力。
因此，實際工程一般都採用併聯同程式。實際工程中確定管徑必須滿足２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流體保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。
一般併聯環路用小管徑，集管用大管徑。地下熱交換器埋管常用管徑有φ20mm、φ25mm，力求使管內流動處於紊流狀態，管內流速控制在0.6m～1.
2m/s之間,對更大管徑的管道，管內流速控制在2.44m/s以下，或一般把各管段壓力損失控制在4mh2o/100m當量長度以下。
２.３ 地藕管材料的選擇
地藕管換熱器一旦埋入地下後，是不可能進行維修或更換的，這就要求保證埋入地下管材的化學性質穩定並且耐腐蝕。常規使用的金屬管材在這方面存在不耐腐蝕性的嚴重不足，且需要埋入地下的管道數量較多，應優先考慮使用**較低的管材。所以，土壤源熱幫浦系統中一般採用塑料管材。
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連線和形狀，可以保證使用50年以上,並且導熱性能較好。pvc、ppr管材由於不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致洩漏，因此，不推薦用於地下埋管系統。一般情況下地藕管的壁厚在滿足強度的情況下，應選擇薄壁管，以減小地藕管換熱器與大地的換熱熱阻。
２.４ 南北方負荷情況
地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外，還要了解當地土壤技術引數，如地下溫度、地下水情況、土壤傳熱系數、大氣溫度等諸多方面的影響因素，計算起來很繁瑣，並且部分資料不易獲得。在實際工程中，可以利用管材「換熱能力」來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長換熱量。
在某些特定情況下，可利用相關軟體進行計算。相關資料推薦一般垂直埋管為70～110w/m(井深)，這個數字很籠統。我國地域遼闊，南北溫差跨度大，南方以供冷為主，北方以供暖為主。
廣東地區向地下排熱溫差可達13～15℃，北方地區更大。所以南北方地區夏季供冷時單位延長公尺井深可提能量比供暖時要大。北方供暖由於地下水溫偏低可提取溫差只有幾度，單位延長公尺可提取的能量就小得多。
經我們多年的實踐，採用雙u管供暖，石家莊以南地區可選70w/m以上。北方地區主要考慮供暖，石家莊地區（水溫15～16℃左右）55～65w/m，北京地區（水溫13～14℃左右）50～55w/m，瀋陽地區（水溫11～12℃左右）45～50w/m比較合適（以上資料可能偏於保守）。如果按單位延長公尺所取熱量值過大，勢必會在熱幫浦機組執行時造成機組結霜，地源側降至0℃以下，會使機組的cop降低。
在長春以北地下水溫度在9℃以下，採用地源熱幫浦系統投資和佔地面都很大，所以不建議採用地源熱幫浦專案。在北方地區地藕換熱器的設計能滿足供暖要求的，肯定都能滿足供冷（因為供冷時在地下可提取的溫差比較大）要求，在華南地區能滿足供冷要求的肯定會滿足供暖要求（華南地區熱負荷非常小）。
２.５ 換熱量計算及井深確定
設計時可取換熱能力的下限值，即50w/m（井深），具體計算公式如下：
3）其中 ——豎井深，m
——夏季向土壤排放的熱量，kw
分母「50」是夏季每m井深散熱量，w/m
２.６ 確定豎井數目及間距
豎井深度多數採用50～100m，鑽井深60m以內鑽機成本少，費用低；如果大於60m，其鑽機成本會提高；井深80m以內，可用國產普通型承壓（承壓1.0mpa）塑料管。如深度大於80m，需採用高承壓塑料管，其成本將會大大增加。
據比較，井深50m的造價比100m的要低30％～50％。井深者的換熱效率也較高，往往因受可鑽井面積的影響井深大多選取80~100m左右。設計者可在上述條件範圍內選擇乙個合適的豎井深度h，代入下式計算豎井數目:
4）其中 ——豎井總數，個
——總鑽井延長公尺數，m
——豎井深度，m
然後對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，可以增加豎井的數量，一般不增加深度，否則鑽孔和安裝成本大大增加。
關於豎井間距，有資料指出，雙u型管豎井的水平間距一般為4.5～5m 。一般不採用串聯連線方式，可採用等邊三角形布置以節約占地面積。
２.7 計算管道壓力損失
在同程系統中，選擇壓力損失最大的熱幫浦機組所在環路作為最不利環路進行阻力計算，並設定水力平衡裝置，進行管網調節，實現高效執行和節能。
２.8 水幫浦選型
根據上述計算最不利環路所得管道壓力損失，再加上熱幫浦機組、平衡閥和其他裝置元件的壓力損失，確定水幫浦揚程，需考慮一定的安全裕量。根據系統總流量和水幫浦揚程，選擇滿足要求的水幫浦型號及台數。
校核管材承壓能力：管路最大壓力應小於管材的承壓能力。若不計豎井灌漿引起的靜壓抵消，管路所需承受的最大壓力等於大氣壓力、重力作用靜壓和水幫浦揚程一半的總和，即：
其中 ——管路最大壓力，pa
——建築物所在的當地大氣壓，pa
——地下埋管中流體密度，kg/m3
——當地重力加速度，m/s2
——地下埋管最低點與閉式迴圈系統最高點的高度差，m
——水幫浦揚程，pa
３ 地源熱幫浦系統的鑽井
鑽井的地下結構常見２大類：岩石地質、沙粘土地質。岩石地質一般採用潛孔錘鑽機配用中或高風壓空氣壓縮機，鑽進速度較快，但井成本較高，如果的岩石上面土層較厚需要下護壁管，如果下管深度超過23公尺時，成井後拔護壁管會很費勁或根本把不上來；沙石粘土結構鑽井一般採用迴轉鑽機鑽進，鑽進速度較快，鑽井成本較低。
鑽井孔徑大多在φ155～φ200之間，在不考慮地下水的情況下，岩石結構的傳熱要優於沙粘土結構。
４ 其它需要注意的問題
1.與常規空調系統類似，地藕管換熱系統需在高於閉式迴圈系統最高點處（一般為1m）設計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。
2.在某些商用或公用建築物的地源熱幫浦系統中，在南方系統的供冷量遠大於供熱量，導致地下熱交換器十分龐大，**昂貴，為節約投資或受可用地面積限制，地下埋管可以按照設計供熱工況下最大吸熱量來設計，同時增加輔助換熱裝置（如冷卻塔＋板式換熱器，板式換熱器主要是使建築物內環路可以獨立於冷卻塔執行）承擔供冷工況下超過地下埋管換熱能力的那部分散熱量。該方法可以降低工程投資，保證地源熱幫浦系統具有更大的應用前景，尤其適用於改造工程。
3北方地區冬季供暖季節地藕管側溫度過低可考慮灌注乙二醇防凍液。
５ 結語
地源熱幫浦系統在我國長江流域及其周圍地區具有廣闊的應用前景，但有關影響土壤源熱幫浦系統廣泛應用的主要因素（如地下熱交換器的傳熱強化、土壤性質等）的研究還很有限，設計時大致可以遵循以下原則：
１.若建築物周圍可利用地表面積充足，應首先考慮採用比較經濟的水平埋管方式；相反，若建築物周圍可利用地表面積有限，應採用豎直u型埋管方式。
2.儘管可以採用串聯、併聯方式連線埋管，但併聯方式採用小管徑，初投資及執行費用均較低，所以在實際工程中常用，且為了保持各併聯環路之間阻力平衡，一般應計成同程式方式。
3.選擇管徑時，除考慮安裝成本外，一般把各管段壓力損失控制在4mh2o/100m以下。
（責編：達公）
[1] 徐偉等.地源熱幫浦工程技術指南.北京：中國建築工業出版社;
[2] 謝汝鏞.地源熱幫浦系統的設計.現代空調;
[3] 肖益民等.地源熱幫浦空調系統的設計施工方法及應用例項.現代空調。
地源熱幫浦系統優點
暖通知識 1 高效 一般空調對著空氣換熱稱為風冷熱幫浦，缺點在於天氣炎熱或者寒冷最需要冷量或熱量 時效率反而下降。地溫一年四季基本恆定在16 左右，略高於該地區平均溫度1到2度，使得熱 幫浦無論在製冷或制熱工況中均處於高效率點。2 節能省費用 冬季執行時，cop約為4.2，即投入1kw電能，可得到4...
地源熱幫浦系統方案
目錄一 專案概況 1 二 設計參考標準及規範 1 三 設計引數 1 1 室外氣象引數 1 2 室內設計引數 1 四 空調設計 2 1.室內冷熱負荷確定 2 2.末端系統確定 2 3.熱幫浦機房的設計 2 4.地埋管設計 3 五 初投資分析 4 1.機房部分 表 4 2.地埋部分 表 5 3.地暖部分...
地源熱幫浦系統設計基礎
1 總平面布置和地表情況，包括 專案範圍的大小和形狀。專案周圍現存和規劃建築。道路，綠地，人工景觀和附屬設施的情況。現有的水井，廢水，中水情況。2 地質，水文和地表水的調查報告，包括 地表水應用調查報告。地下水系統實驗井的調查報告。實驗井是為了解決地下水資源的具體情況和地質情況而設定的。地下水質條件...