地源热泵土壤换热器埋管方式

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土壤源热泵系统中的土壤换热器埋管方式可分为：水平式土壤换热器，垂直U型式土壤换热器，垂直套管式土壤换热器，热井式土壤换热器，直接膨胀式土壤换热器。



1、水平地埋管普遍使用在单相运行状态的空调系统中，一般的设计埋管深度在2～4米之间，在只用于采暖时，土壤在整个冬天处于放热状态，沟的深度一定要深，管间距要大。



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，而可埋设的管子长度增加。



管路的埋设视岩土情况，可采取挖沟或大面积开挖方法，在商用建筑的施工中常借助水利工程相关施工机械如挖掘机等。



从国内实际工程经验看中，单层管最佳深度 1.2～2.0m，双层管 1.6～2.4m，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。位于美国北方一工程水平埋管系统的典型实例显示，地下埋管换热器有效换热量 70kW，系统液体的流量为13.6m3/h(3.8 L /s)。24个循环回路，12条沟，沟间距1.5m。每个回路的换热负荷2.92kW，液体流量0.57m3/h(0.158 L /s)，单位换热量的液体流量为0.195m3/h·kW（3.25L/min·kW）。可利用的地面积是83m×30m=2,490m 。

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

目前使用最多的是单U形管（Single-U-pipe），双U形管（Double-U-pipe），简单套管式管（Simple Coaxial pipe）。垂直U型式土壤换热器是钻孔将U型管深埋在地下，因此与水平土壤换热器的比较具有使用地面面积小、运行稳定、效率高等优点。



U形管型是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100～150mm，井深 10~200m U形管径一般在DN50mm 以下（主要是流量不宜过大所限）。由于其施工简单，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，这种技术称为桩基换热器或是能量桩。也有直接在建筑物框架内直接埋设布置管道，作为厚板埋管工程（embedded pipework slab）的一个应用。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。

3、垂直套管式土壤换热器，换热器有内套管和外套管的闭路循环系统，水从外套管的上部流入管内，循环时，水沿外套管自上至下的流动，从外套管的底部经内套管上流到顶部出套管。

套管式换热器的外管直径一般 100～200mm，内管为DN15～DN25ｍｍ。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，根据文献试验结果，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，下管比较困难，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。

套管式土壤换热器适合在地下岩石深度较浅，钻深孔困难的地表层使用。通过竖埋单管试验，套管式换热器较U型管效率高20～25%。竖埋套管式孔距在3～5m，孔径在150～200mm， 外套管直径Ф63～Ф90～Ф120mm，内套管直径Ф25～Ф32mm。目前在欧洲的瑞典采用较多的套管式土壤换热器，如下图所示：



地热换热器的传热性能在很大程度上依赖于土壤的热物理性质。由于岩土类型（包括粘土、砂石或岩土等）、岩土湿度在不同国家、不同地区、不同城市，甚至在同一城市的不同片区都互不相同。因此，设计和安装地热换热器有许多不确定的因素。这些不确定因素都不同程度地影响着地热换热器的传热性能，进而影响地源热泵空调系统的正常运行。设置在不同场合的竖直埋管地热换热器会涉及不同的地质结构，包括各地层的材质、含水量和地下水的运动等，这些必然会影响到地热换热器的传热性能和地源热泵空调系统的正常运行。在设计过程中应该尽可能地弄清楚这些因素对地热换热器性能的影响，包括进行必要的现场测试，土壤热物性最好在现场用专门的仪器进行测定。下图为地埋管系统示意图。