摘要：阐述地源热泵地下管群换热器的常用型式、实验装置及其设计施工方法，并对建设造价和运行情况作了简单介绍。
1 概述
地源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋入地下，与大地进行冷热交换。由于地源热泵具有可持续发展性，国内外近年来正在加强对它的系统研究。
地源热泵原理如图 1 所示，埋入地下钻孔中的换热管一进一回形成回路与大地进行换热。夏热冬冷地区地温平均温度在 15-20 ℃左右，通常冷凝器的夏季出水温度在 35- 40 ℃之间，与岩土换热温差可达 20-25 ℃。有利于提高制冷系数，而且不会把热量、水蒸汽及细菌等排入大气环境，造成对环境的损害。冬季运行时，冷凝器作为蒸发器，进行地下换热后蒸发器出水温度一般均高于室外气温，可显著提高供系数，不存在空气源热泵随气温下降供热系数显著减少及除霜等问题。地源热泵在于夏季利用冬季蓄存的冷量供冷同时蓄存热量，以备冬用 ; 冬季利用夏季蓄存的热量供热，同时蓄存冷量，以备夏用。夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致 相同，冷暖负荷基本相当，可用同一地下埋管换热器实现建筑的冷暖联供，实属一种节能又保护环境的绿色空调。笔者结合国家自然科学基金课题，在地下单管换热器的实验基础上，建设一个 8kw 地源热泵的地下埋管管群换热器，目的在于研究地下岩土换热的全年动态特性，为地源热泵的设计与运行提供理论依据和可靠的基础数据。本文仅对地下管群换热器的设计及施工问题作一讨论。
2 埋管形式的确定
换热器埋管形式一般有两种形式，即竖埋管和横埋管由于横埋管占地面积较大，且换热指标小于竖埋管，因此，在实验中，我们以竖埋管研究为主。
竖埋管一般可分为 U 型管和套管型两种。其结构形式见图 2 。在前期的实验中，我们已经得到结果，套管型换热器热能力大于 U 型管换热器，因此，在管群实验中，我们以竖直套管型换热器作为主要研究对象。
3 换热器管长计算及平面布置
地源热泵实验基地地下管群换热器换热量为 8000w ，根据前期夏季的实验结果 [1] ，地下岩土为砂岩，经测试及查阅有关文献，砂岩密度 2500kg/m3 ，导热系数λ =2.04W/(m.K) 导温系数 a=0.0033 m2/h ，蓄热系数 s=34.89W/(m.K) ，在埋深 10m 的情况下，单根套管换热器 ( 外管直径 90-100mm) 在夏季稳定情况下的平均传热系数 ( 其定义为换热器内水与大地初始温度每相差 1 ℃时，通过长度 1m 的钻孔，每秒钟传递的热量 )k=3.26W/(m.K) 左右，经测试计算，地下 1-10m 重庆地区夏季的大地原始温度为 21.0 ℃，换热器内进出水温度取 35-40 ℃，平均水温 tp=37.5 ℃。则单位长度钻孔的换热量 q=K ×Δ t=3.14 × (37.5-21.0)=51.8W/m 。与实测值 49w/m 非常接近。由于夏热冬冷地区热泵设计应以夏季降温为主，兼顾冬季供暖，而一般地下管群的传热量冬季大于夏季，因此夏季能满足要求，冬季一般也能达到要求，故本装置按夏季工况设计。
地下管群换热量根据如上实验结果，设计了 15 根埋深 10m 的套管，其换热量在 7742W 左右。另外，为了研究地下水平埋管换热器的换热规律还建设了两层 3 × 4m ，埋深 2 和 1m 的水平蛇形管换热器，其埋管长度为 50m 。
任何形式的换热器都对换热器之间的距离有一定的要求，这个距离主要是避免热短路。而具体确定这个距离要考虑多方面的影响因素，最重要的是确定换热器的运行时间对于竖埋管换热而言，换热模型是以埋管为中心的圆柱面辐射状向外传热，且这种传热是以时间为坐标的不稳定传热。
前期实验我们已经对影响单根竖管的换热距离作了一定的研究，一般影响单管换热距离为 1.5 和 3m 。短时间和间歇运行的换热管间距在 1.5m 较适合，长时间连续运行的间距在 3m 较适合。为了研究不同间距对管群换热的影响该实验基地的埋管间距为 1.5m ，利用阀门的切换来研究不同间距对换热的影响。埋管对称布置，其平面如图 3 所示 :
4 水环路系统设计
研定平面布置后，即可进行水系统设计。对于每一支管沟的三个孔，由于管道水平距离较近，因此考虑为串联式，全系统有五组串联支路，五组串联支路之间采用并联形式，组成同程式管道系统，每组串联换热进出口均设截止阀与主管连接，以便单独对串联支路进行实验和调节。主管道安装在 断面为 400 × 500mm 的主管沟里。
供水主管进入室内后接水泵，板式换热器和空调器，膨胀水箱置于室内，构成一个水 - 空气热泵系统。在竖直埋管换热器的水进入板式换热器之前