地源热泵地埋管换热器土壤热平衡校核计算书

地源热泵地埋管换热器土壤热平衡校核计算书项目名称：西安某商业综合体地源热泵空调工程文档编号：GSHP-TRB-2026-001设计阶段：施工图设计计算类型：热平衡专项校核编制：_______________日期：_______________审核：_______________日期：_______________批准：_______________日期：_______________二〇二六年十月

地源热泵地埋管换热器土壤热平衡校核计算书第3页目录TOC\o"1-2"\h\z\u1工程概况与设计依据 11.1工程基本概况 11.2设计依据与引用标准 11.3热平衡校核的必要性 12设计基础参数 32.1岩土热物性参数 32.2地埋管管材与传热介质参数 32.3热泵机组设计参数 43地埋管换热器换热能力计算 53.1管内对流换热系数计算 53.2钻孔内热阻计算 53.3钻孔外岩土热阻计算 53.4每延米换热量计算 63.5钻孔数量计算 64全年土壤热平衡计算 74.1全年累计排热量计算 74.2全年累计吸热量计算 74.3冷热不平衡率计算 74.4土壤逐年温升预测 85热平衡控制措施与校核 105.1辅助散热方案设计 105.2冷却塔运行策略 105.3热平衡校核（采取措施后） 105.4多维度安全核验 116结果分析与工程指导意义 126.1计算结论 126.2工程实施建议 126.3长期运行监测要求 137免责声明 14第3页1工程概况与设计依据1.1工程基本概况本项目为西安某商业综合体地源热泵空调工程，建筑总面积约35000m²，其中空调面积约28000m²。建筑功能包括商业零售、办公、餐饮及配套辅助用房。项目采用竖直双U型地埋管换热器作为地源热泵系统的地下换热系统，夏季通过地源热泵机组向土壤排放热量实现建筑制冷，冬季从土壤吸收热量实现建筑供暖。项目场地位于陕西省西安市，属寒冷地区（气候分区ⅡB区），四季分明，夏季炎热、冬季寒冷。根据工程地质勘察报告，场地地形平坦，主要地层为粉质黏土、中砂及砾砂层，地质条件适宜采用地埋管地源热泵系统。1.2设计依据与引用标准本计算书依据下列现行国家及行业标准编制：（1）《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005（2009年版）；（2）《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021；（3）《浅层地热能勘查评价规范》DZ/T0225-2009；（4）《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2015；（5）《水源热泵机组》GB/T19409-2013；（6）《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002；（7）本项目工程地质勘察报告及岩土热响应试验报告。1.3热平衡校核的必要性根据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005（2009年版）第4.3.2条规定：地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年，计算周期内地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。地源热泵系统长期运行的核心问题是土壤热平衡问题。若全年累计向土壤排放的热量与从土壤吸收的热量差异过大，将导致土壤温度逐年升高或降低，造成地埋管换热器换热环境恶化，机组能效逐年衰减，严重时系统无法正常运行。研究表明，土壤温度每偏离初始温度1℃，系统能效约下降2%~4%。因此，必须对系统进行土壤热平衡校核计算。

2设计基础参数2.1岩土热物性参数根据本项目现场岩土热响应试验报告（TRT测试），结合西安地区同类工程经验数据，确定本项目场地岩土热物性设计参数如下表所示。本次热响应试验采用恒热流法，连续测试72小时，基于无限长线热源模型反演计算得到岩土综合热物性参数。参数名称符号数值单位备注岩土综合导热系数λₛ2.05W/(m·K)现场实测值岩土体积比热容ρc2.32×10⁶J/(m³·K)现场实测值岩土热扩散系数α0.884×10⁻⁶m²/s计算值α=λₛ/(ρc)岩土初始平均温度T₀16.5℃实测大地原始温度钻孔直径d_b150mm设计钻孔孔径钻孔有效深度H120m设计钻孔深度钻孔间距S5×5m行列式布孔回填料导热系数λ_b1.85W/(m·K)石英砂+膨润土2.2地埋管管材与传热介质参数参数名称符号数值单位备注管材类型—PE100HDPE—高密度聚乙烯U型管外径d_o32mmDN32U型管内径d_i26mmSDR11U型管壁厚δ_p3.0mm—管材导热系数λ_p0.42W/(m·K)PE材料典型值传热介质—水—添加防冻液（冬季）介质密度ρ_w1000kg/m³—介质比热容c_w4200J/(kg·K)—介质导热系数λ_w0.60W/(m·K)—设计管内流速v0.65m/s保证紊流状态介质运动黏度ν_w1.0×10⁻⁶m²/s20℃水2.3热泵机组设计参数基于建筑全年8760小时逐时动态负荷模拟结果，选用地源热泵机组参数如下：参数名称符号夏季制冷工况冬季供热工况单位机组额定容量Q_c/Q_h12601380kW机组性能系数COP/EER5.2（EER）4.4（COP）—地源侧设计进/出水温T_in/T_out30/3510/5℃负荷侧设计进/出水温—12/740/45℃设计运行天数N120110天日均运行小时数h1616小时平均负荷率β0.650.70—

3地埋管换热器换热能力计算3.1管内对流换热系数计算根据地埋管设计流速，验证管内流体流态并计算对流换热系数：管内流体雷诺数Re：Re=(v·d_i)/ν_w=(0.65×0.026)/(1.0×10⁻⁶)=16900（3-1）判断：Re=16900>2300，且Re>10000，管内流体处于旺盛紊流状态，符合《地源热泵系统工程技术规范》GB50366第4.3.9条管内流体应保持紊流流态的要求。普朗特数Pr：Pr=(c_w·ρ_w·ν_w)/λ_w=(4200×1000×1.0×10⁻⁶)/0.60=7.0（3-2）采用Dittus-Boelter公式计算努塞尔数Nu（制冷工况流体被加热，n=0.4）：Nu=0.023·Re^0.8·Pr^0.4=0.023×16900^0.8×7.0^0.4≈65.2（3-3）管内对流换热系数h：h=(Nu·λ_w)/d_i=(65.2×0.60)/0.026≈1505W/(m²·K)（3-4）3.2钻孔内热阻计算竖直地埋管钻孔内热阻由管壁导热热阻和管内对流换热热阻组成，对于双U型埋管，钻孔内等效热阻计算如下：R_b=(1/(4πλ_p))·ln(d_o/d_i)+1/(4πh·d_i)+R_gr（3-5）式中：R_b——钻孔内热阻，(m·K)/W；R_gr——回填材料热阻，(m·K)/W。经计算并考虑两管之间热短路影响，取钻孔内热阻：R_b≈0.118(m·K)/W（3-6）3.3钻孔外岩土热阻计算钻孔外岩土体热阻采用无限长线热源模型计算，对于运行时间τ的钻孔外热阻为：R_s=(1/(4πλ_s))·[ln(4ατ/d_b²)-γ]（3-7）式中：γ——欧拉常数，取γ≈0.5772；τ——连续运行时间，s。按最不利工况，取一个制冷季连续运行τ=120天=1.0368×10⁷s：4ατ/d_b²=4×0.884×10⁻⁶×1.0368×10⁷/0.15²≈1630（3-8）R_s=(1/(4π×2.05))×[ln(1630)-0.5772]≈0.256(m·K)/W（3-9）3.4每延米换热量计算地埋管每延米换热量计算公式为：q_l=(T_f-T_0)/(R_b+R_s)（3-10）式中：T_f——地埋管内流体平均温度，℃。夏季制冷工况取T_f=32.5℃，冬季供热工况取T_f=7.5℃。夏季制冷工况每延米排热量：q_l,c=(32.5-16.5)/(0.118+0.256)≈42.1W/m（3-11）冬季供热工况每延米吸热量：q_l,h=(16.5-7.5)/(0.118+0.256)≈23.7W/m（3-12）考虑管群热干扰影响及安全余量，取夏季每延米设计排热量q_l,c=40W/m，冬季每延米设计吸热量q_l,h=22W/m。3.5钻孔数量计算地埋管换热器总长度按夏季排热工况确定：Q_release=Q_c·(1+1/EER)=1260×(1+1/5.2)≈1502kW（3-13）L_c=Q_release/q_l,c=1502000/40≈37550m（3-14）冬季吸热工况所需总长度校核：Q_extract=Q_h·(1-1/COP)=1380×(1-1/4.4)≈1066kW（3-15）L_h=Q_extract/q_l,h=1066000/22≈48455m（3-16）由计算可见，冬季吸热工况所需埋管长度更大，故按冬季工况确定地埋管总长度。考虑10%安全余量，总埋管长度取53300m，设计钻孔数量：N_b=L/(2×2×H)=53300/(4×120)≈111个（3-17）实际设计取钻孔数量112个，总有效埋管长度53760m。

4全年土壤热平衡计算4.1全年累计排热量计算夏季制冷期，地源热泵系统向土壤排放的总热量包括建筑冷负荷和压缩机耗功转化的热量两部分：Φ_c=Q_c_daily×N_c×h_c×β_c×(1+1/EER_avg)（4-1）式中：Q_c_daily——夏季典型日平均冷负荷，kW；N_c——制冷期运行天数，天；h_c——日均运行小时数，h；β_c——平均负荷率；EER_avg——季节平均能效比。参数取值：Q_c_daily=1260×0.65=819kW；N_c=120天；h_c=16h；β_c=0.65（已包含在日平均负荷中）；EER_avg=4.8（季节平均）。Φ_c=819×120×16×(1+1/4.8)≈1,896,768kWh（4-2）折算为吉焦（GJ）：Φ_c≈6828GJ。说明：上述计算已考虑部分负荷下机组能效变化，采用季节平均EER进行修正，计算结果为整个制冷季通过地埋管向土壤排放的累计总热量。4.2全年累计吸热量计算冬季供热期，地源热泵系统从土壤吸收的总热量为建筑热负荷减去压缩机耗功转化的热量：Φ_h=Q_h_daily×N_h×h_h×β_h×(1-1/COP_avg)（4-3）式中：Q_h_daily——冬季典型日平均热负荷，kW；N_h——采暖期运行天数，天；h_h——日均运行小时数，h；β_h——平均负荷率；COP_avg——季节平均性能系数。参数取值：Q_h_daily=1380×0.70=966kW；N_h=110天；h_h=16h；COP_avg=4.0（季节平均）。Φ_h=966×110×16×(1-1/4.0)≈1,275,120kWh（4-4）折算为吉焦（GJ）：Φ_h≈4590GJ。4.3冷热不平衡率计算全年冷热不平衡率定义为系统总释热量与总吸热量的比值：η=Φ_c/Φ_h（4-5）η=1,896,768/1,275,120≈1.488（4-6）计算结果表明，本项目全年向土壤排放的热量约为从土壤吸收热量的1.49倍，冷热不平衡率达到48.8%，远超出20%的允许范围（0.8~1.2），必须采取辅助散热措施以维持土壤热平衡。项目符号数值单位备注夏季累计排热量Φ_c1,896,768kWh向土壤排热冬季累计吸热量Φ_h1,275,120kWh从土壤取热全年净增热量ΔΦ621,648kWh土壤热量盈余冷热不平衡率η1.488—Φ_c/Φ_h不平衡程度—48.8%—超出允许范围4.4土壤逐年温升预测在不采取任何辅助措施的情况下，根据土壤热容量和全年净增热量，可预测土壤逐年温升情况。埋管区土壤总有效体积：V_s=N_b×S_x×S_y×H=112×5×5×120=336,000m³（4-7）埋管区土壤总热容量：C_s=V_s×ρc=336,000×2.32×10⁶=7.795×10¹¹J/℃=216,533kWh/℃（4-8）考虑土壤横向热扩散损失（按每年净增热量的30%通过边界扩散），每年实际累积热量为70%，则逐年温升计算如下：运行年数年净增热量(万kWh)累积热量(万kWh)土壤平均温升(℃)系统能效衰减(%)第1年43.543.52.04~8第2年43.587.04.08~16第3年43.5130.56.012~24第5年43.5217.510.020~40第10年43.5435.020.140~80由上表可见，若不采取热平衡控制措施，系统运行5年后土壤平均温升将达到10℃，机组能效将严重衰减，系统将无法正常运行。因此必须采取复合式地源热泵系统设计，配置辅助冷却设施。

5热平衡控制措施与校核5.1辅助散热方案设计针对本项目夏季排热量显著大于冬季吸热量的特点，采用"地埋管+冷却塔"复合式地源热泵系统方案。冷却塔承担夏季多余的排热量，保证全年土壤热平衡。辅助冷却塔选型计算：Φ_tower=Φ_c-Φ_target（5-1）目标控制全年热平衡率η_target=1.10（即允许10%以内的热盈余，由土壤自然扩散平衡），则：Φ_target=η_target×Φ_h=1.10×1,275,120=1,402,632kWh（5-2）Φ_tower=1,896,768-1,402,632=494,136kWh（5-3）即夏季需通过冷却塔向大气散热量约49.4万kWh。选用2台300m³/h闭式冷却塔，夏季极端工况或地埋侧出水温度过高时启动冷却塔辅助散热。5.2冷却塔运行策略冷却塔采用温度控制+温差控制的复合运行策略：（1）当地埋管出水温度高于32℃时，自动启动冷却塔进行辅助散热；（2）当地埋管出水温度低于28℃时，停止冷却塔运行，仅通过地埋管换热；（3）过渡季节优先利用冷却塔免费供冷，减少地埋管热排放；（4）设置土壤温度监测点，根据地下温度场年变化情况智能调整冷却塔运行时间。5.3热平衡校核（采取措施后）采取冷却塔辅助散热措施后，重新校核全年土壤热平衡：项目符号数值单位备注夏季地埋管排热量Φ_c'1,402,632kWh经冷却塔分流后冷却塔辅助散热量Φ_tower494,136kWh夏季辅助散热冬季地埋管吸热量Φ_h1,275,120kWh从土壤取热全年净增热量ΔΦ'127,512kWh土壤热量盈余控制后不平衡率η'1.10—Φ_c'/Φ_h年平均温升ΔT0.41℃/年考虑扩散损失后10年累积温升ΔT₁₀<2.0℃自然扩散可平衡5.4多维度安全核验5.4.1极端工况温度核验夏季极端工况（35℃环境温度，满负荷运行）下地埋管最高出水温度核验：T_out_max=T_0+q_l×(R_b+R_s)+ΔT_security（5-4）T_out_max=16.5+35×(0.118+0.256)+3.0≈32.6℃（5-5）地埋管最高出水温度32.6℃<35℃（机组允许最高进水温度），满足机组安全运行要求。5.4.2冬季防冻核验冬季极端工况下地埋管最低出水温度核验：T_out_min=T_0-q_l,h×(R_b+R_s)-ΔT_security（5-6）T_out_min=16.5-20×(0.118+0.256)-2.0≈7.0℃（5-7）地埋管最低出水温度7.0℃>4℃（防冻保护温度），添加20%乙二醇防冻液后，防冻液冰点约为-8℃，满足冬季防冻要求。5.4.3管间热干扰核验钻孔间距5m条件下，运行10年后相邻钻孔间温度影响核验：根据有限长线热源模型叠加计算，5m间距布置下，相邻钻孔在一个制冷季结束时产生的温升温降约为0.3℃，考虑全年冷热交替运行，管群内部区域10年累计温升温降不超过1.5℃，不会造成明显热干扰累积。

6结果分析与工程指导意义6.1计算结论通过上述多维度热平衡计算与校核，得出以下主要结论：（1）本项目按冬季吸热工况设计，共设置112个120m深竖直双U型地埋孔，总埋管长度53760m，设计每延米换热量夏季40W/m、冬季22W/m，满足峰值换热需求。（2）若仅采用纯地埋管系统，全年冷热不平衡率高达48.8%，土壤年平均温升约2.0℃，运行5年将导致系统能效严重衰减，系统不可持续运行。（3）采用"地埋管+冷却塔"复合式系统后，全年热不平衡率控制在10%以内，土壤年平均温升约0.4℃，10年累积温升不超过2℃，可通过土壤自然热扩散维持平衡，系统可长期稳定运行。（4）极端工况下，夏季地埋管最高出水温度32.6℃，冬季最低出水温度7.0℃，均在机组允许运行范围内，满足安全运行要求。6.2工程实施建议基于热平衡校核结果，对工程实施提出以下指导建议：6.2.1系统设计优化（1）严格按照复合式系统设计，配置2台300m³/h闭式冷却塔，与地埋管系统通过板式换热器并联连接；（2）设置地埋管分区控制，将112个钻孔分为4个区，各区可独立调节流量，优化运行水力工况；（3）在埋管区不同位置布置6个土壤温度监测孔，深度分别为40m、80m、120m，实时监测地下温度场变化。6.2.2运行策略建议（1）夏季运行初期（6月份）优先利用地埋管散热，中期（7-8月高温期）启动冷却塔辅助散热，末期（9月份）恢复全地埋管运行；（2）过渡季节（4-5月、10月）充分利用冷却塔免费供冷，减少地埋管热排放；（3）建立智能控制系统，根据地埋管出水温度、土壤温度、室外气候参数自动优化冷却塔启停与运行台数；（4）每年对土壤温度场进行一次全面监测，根据实际运行数据调整下一年度运行策略。6.2.3施工质量控