摘 要：在设计水平埋管的换热器的尺寸的时候，采用一维无限大介质中面热源的非稳态导热的基本模型，同时考虑水平布管密度的影响以及长期负荷和短期负荷的不同作用设计水平埋管量。
关键词：水地埋管；大开挖；非稳态导热；热泵
中图分类号：TU71 文献标识码：A
自地源热泵空调引入我国以来，在政府大力推广及暖通同仁的不断努力下，技术不断成熟、市场占有率迅速扩大和相应制度不断完善，这种技术已成为暖通空调的一种发展趋势 ，但水平地埋管地源热泵空调在我国的应用研究方面还有很多空白，本文通过具体案例对水平埋管的设计进行介绍。
一、工程概况
1建筑简介
某俱乐部位于成都市，建筑物集中布置在高尔夫球场的南部，俱乐部内有六种类型的建筑，其中A型建筑450㎡，B型建筑900㎡，C1型建筑600㎡，C2型建筑800㎡，E型建筑1800㎡。B型建筑布置集中，成线型排布，其他类型的建筑交错布置在近似矩形的区域。
2成都地区的气候条件：
冬季采暖室外计算干球温度：2℃；夏季空调室外计算干球温度：31.6℃；全年逐时最低温度为：-9℃；全年逐时最高温度为：34.8℃。
全年的日最高温度出现在8月份，温度值为：29.7℃；全年的日最低温度出现在1月份，温度值为：2.4℃； 得到地面的年温度波振幅：
=13.7。
恒温层土壤的温度为18℃，浅层土壤受地表年平均温度变化的影响，所以在供冷和供热高峰期考虑了土壤原始温度偏离深层土壤温度的修正项：
夏季供冷的时候取+值，冬季供热的时候取-值。
其中，T——年温度波周期，
——水平埋管的埋深（m），在这个工程计算中我们按照埋深1.5
——地面年温度波振幅
3建筑负荷
根据图纸建筑群的冷负荷热负荷以及运行期间的平均负荷如表1。
二、方案概述
考虑到该建筑群周围设有高尔夫球场，可利用埋管的面积大，决定采用大开沟方式水平螺旋埋管的布置方式。建筑物为别墅楼，为便于控制，采用一家一单独热泵机组，在每户楼下设置一小型机房，根据建筑物面积的大小，A户型每2-5栋双拼楼房为一组，B户型一栋双拼为一组，C1和C2户型4-6栋为一组，E户型一栋为一组，每组水平埋管通过分集水器和用户侧和埋管侧相连，分集水器安放放在室外窗井，各个螺旋管回路采用De32的管子，四个螺旋管回路通过联箱，合成De63的管子，通向室外窗井的集水水器，又通向各栋楼的热泵机房和热泵机组相连，一户一热泵直接供给用户，各个回路同程布置。
根据建筑物的负荷确定每组埋管的环路数，占地面积，埋管的总长度，并计算出循环液进入地下的温度。具体的计算见方案设计计算。
1方案设计计算
在设计水平埋管的换热器的尺寸的时候，采用一维无限大介质中面热源的非稳态导热的基本模型，同时考虑水平布管密度的影响以及长期负荷和短期负荷的不同作用。计算模型的基本框架介绍如下。
无限大介质中面热源的非稳态导热模型考察平面热源引起的温度场随时间的变化，物体的初始温度为，引进过余温度，当时间时在处有一个恒定的热流强度为的平面热源持续的释放热量。则计算恒温热源表面处的温升为：
其中——土壤未受干扰时的温度场，即土壤的原始温度
——单位面积上的热流密度
下面以一组水平埋管的计算为例来说明水平埋管的计算方法。各个区域的负荷情况如表2。
计算建筑区域2合用一组水平埋管，这一区域包括4栋A的建筑，建筑物的总面积为3600，该区域负荷情况如表3所示。
夏季制冷工况：
热源表面处的温升，可以将夏季运行期间内的负荷，考虑为一个持续作用的平均负荷和一个脉冲负荷作用所引起的温度响应的和。初步设计阶段，将整个夏季的运行时间考虑为4个月，脉冲负荷的持续时间取时间为8小时。
管内流体的附加温升
其中 ——每单位面积的峰值冷负荷
——单位管长的热阻，包括流体和管壁的对流换热热阻，管壁的热阻和管壁到均温平面的热阻，考虑了管子的排布密度对温升的影响。流体与管壁的对流换热系数，考虑实际情况，根据流体的流速温度，管材，估算得
——每土地中平均布置的管长，示意图如图1所示。
根据以上的钻孔壁的温度和附加的温升可以计算出流体的平均温度：
流体进入地下的极值温度为：
夏天时：最高极值温度
冬天制热情况：
初步设计阶段，将整个冬季的运行时间考虑为4个月，脉冲负荷的持续时间取时间为24小时。
同样得，冬天时：最低极值温度
——每个环路所占的土地面积，
——每个环路循环液的流量，
——循环液的比热，
考虑取土壤的热扩散系数：，
导热系数：。
利用软件计算结果如下：
水平埋管的布置方式为：螺旋埋管的直径为1.2，每个环路之间的间距为0.6，每个环路的长度为28米。每四个环路组成一个回路，共30组回路，采用同程布置。
所盘的螺旋管的直径m
环路与环路之间的间距m
环路的总数为=60
总的埋地面积㎡
每单位面积的埋管长度m
由设计计算软件计算所得到的夏季进入地埋管的最大温度℃，冬天进入地埋管的最低温度℃。
采用以上的计算方法，分别计算各个区域的情况，区域的划分见cad图，表格中列出了各个区域的情况见表4。
结语
本方案最大的优势就是在设计水平埋管的换热器的尺寸的时候，采用一维无限大介质中面热源的非稳态导热的基本模型，同时考虑水平布管密度的影响以及长期负荷和短期负荷的不同作用，由设计计算软件计算得出每组埋管的环路数，埋地面积以及所需要的埋管长度，并计算出了循环液夏天进入地下的最高温度和冬天进入地下的最低温度。采用此模型计算所需要的埋管面积为178655，考虑建筑群周围的面积，适合采用大开挖水平埋管布置，采用水平埋管极大的降低了钻孔费用。
参考文献
[1]刁乃人，方肇洪，等. 地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社.2006.
[2]杨坤丽，韦延年，刘晖.水平螺旋式浅埋土—气型地源热泵系统节能效益分析[D]. 四川建筑科学研究，2008.