地源热泵地下埋管换热器的两种形式

  目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种形式，即水平埋管和垂直埋管。水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场,换热效率好于单层，而且占地面积较少。

 

  水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋没的管子长度增加。管路的埋设视岩土情况，可采取挖沟或大面积开挖方法。单层管最佳深度0.8~1.0m，双层管1.2~1.9m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施工时，占用场地大，在实际使用中，往往是单层与多层互相搭配；螺旋管优于直管，但不易施工。由于浅埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情况（如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应)，对冬夏冷暖联供系统使用者很少。

 

  垂直埋管根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱，套管、蜘蛛状管、管式管等形式；按埋设深度不；同分为浅埋（≤30）、中埋(31～80m)和深埋(>80m)。

 

  目前使用最多的是U形管、套管和单管式。下面作一简述。

 

  1)U形管型是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100~159mm，井深10~200m。U形管径一般在φ50mm以下(主要是流量不宜过大所限)，由于施工简单；换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用最多。如美国加州斯托克斯大学供应了48万m2空调建筑的地源热泵系统，有390个深度超过120m的地下埋管，据介绍，采用这种地源热泵系统较常规空调每年可节约各种费用45.5万美元，其中能量费用33万美元，节电25％，节约燃料费70％。

 

  国外有的工程把U形管捆扎在桩基的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面。如瑞士某工厂地源热泵系统从600个桩基中吸收热量或冷量，用于2万平方米建筑物的供暖和制冷。

 

  2)套管武换热器的外管直径一般为100~200mm,内管为φ15~φ25mm。由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，根据试验结果，其换热效率较U形管提高16.7％。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较固难，初投资比U形管高。在套管端部与内管进。出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度≤30m的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。为防止漏水，套管端部封头部分宜由工厂加工制作，现场安装，以保证严密性。

 

  3)单管型在国外常称为“热井”，它主要用于地下水做热源的热泵系统，一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致，典型孔径为150mm。地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源、国家有关政策及法规限制大。

 

  地源热泵地下埋管深度

 

  水平埋管埋设情况比较简单，前面已述。关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况，工程及场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。结合国情，根据笔者的工程实践体会，其中有几点应注意到：①钻井深60m以内井深的钻机成本少，费用低，如果大于60m，其钻机成本会提高。②井深80m以内，可用国产普通型承压（承压1.0MP)塑料管，如深度大于80m，需采用高承压塑料管，其成本大大增加；⑧据比较，井深50m的造价比100m的要低30％~50％。上述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型韵系统还要考虑建筑高度的影响。

 

  水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。 一般来讲，浅埋管优点是：投资少，成本低。钻机要求不高，可使用普通承压（0.6~1.0MP）的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平衡性较好，其缺点是占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中深埋者低。 深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定。

 

  一般来讲，浅埋管优点是：投资少，成本低。钻机要求不高，可使用普通承压（0.6~1.0MP）的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平衡性较好，其缺点是占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中深埋者低。

 

  深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定。