地源热泵换热器的竖直埋管技术要点探析

 摘要：:竖直埋管地源热泵技术的关键是地下埋管换热器。地下埋管换热器的设计包括:管材与管径的选择、埋管的深度与间距、回填、换热器回路形式的选择以及传热衰减的考虑等。文章即对上述内容进行了详细的探讨与分析。 

　　关键词：地热泵 换热器 竖直埋管 　 

　　1、引言 

　　地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的即可供热又可制冷的高效节能空调设备，它通过输入少量的能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。 

　　土壤热交换器是地源泵机组的关键技术。地源热泵土壤换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等，这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在我国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积、换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。 

　　下面，文章即对竖直埋管的技术要点进行详细的分析。 　　 

　　2、竖直埋管的管材与管径 

　　2.1 管材 

　　一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。 

　　2.2 管径 

　　在实际工程中确定管径必须满足两个要求：①①管道要达到足够保持最小输送功率；②管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下，对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下。 　 

　　3、竖直埋管的深度与间距 

　　对于竖直埋管的深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。如果地表土壤层很厚，钻孔费用相对便宜，宜采用较深的竖直埋管，反之，采用浅埋。国外，竖井深度多数采用50～100m，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，计算结果进行调整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。 

　　关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一般为4.5m，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。若采用串联连接方式，可采用三角形布置，来节约占地面积。当然，也需要综合考虑当地的地质及土壤的传热情况。。 　　 

　　4、竖直埋管换热器回填 

　　竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同，回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等，材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。 　 

　　5、竖埋管回路形式的选择 

　　地下热交换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，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力；并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，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，实际工程一般都采用并联同程式。结合上文，即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。 

　　 6、竖直埋管换热器中传热的衰减 

　　竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时，由于蓄热地温提高，机组运行时水温不断上升，停机时水温又有所下降，当建筑物得热达到最大时水温升至最高点；冬季供热工况运行时则相反，由于取热地温下降，当建筑物失热最多时，换热器中水温达到最低点，对于浅埋管尤其严重。 

　　设计时，首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度。同时，由于埋管换热器的表面结垢等影响，设计时要考虑衰减，设定值应通过经济比较选择最佳状态点。 

　　7、结语 

　　竖直埋管式土壤源热泵系统技术在我国的发展刚刚起步，还面临着许多技术难题，需要在工程实践过程中继续完善，例如: ①可供工程设计参考的设计计算方法还不够成熟；②地下换热器的安装、施工技术水平等还有待进一步的提高等。相信随着科技的发展与政策的支持，这项新的技术一定会有更加广阔的应用前景。