地源热泵系统地热换热器的设计研究
摘要：为优化地热换热器的设计，本文介绍了换热器传热量及埋管孔数的计算公式，并对地热换热器埋管方式及环路进行了分析，阐明了地热换热器设计时应考虑的主要问题。最后分析比较了各种管材的特性，指出适合地埋管的管材。
0·引言
地源热泵空调及热水系统具有节能环保的优点，在国外已得到较为广泛的应用，技术逐渐成熟。目前，我国地源热泵技术实际工程的应用不多，影响地源热泵技术推广的主要原因是缺乏较完备的基础资料及设计规范。
地源热泵系统，按热源形式可分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、土壤源地源热泵系统[1]。在这三种形式中效果最好的是地下水地源热泵系统，但受地下水资源使用条件的限制，不能广泛的使用；地表水地源热泵系统换热效果较好，但受地域限制很大，应用不广泛；因此目前国内外所谈及的一般均指土壤源地源热泵系统[2]。
国内地源热泵系统在工程中的应用逐渐增多。但由于其应用具有很强的地域特点，所需地下换热器数量又较多，因此，地源热泵系统在某种层面上又不具有普遍使用性，所以，应根据不同的气候、地理、工程条件设计不同的地源热泵系统。地热换热器是地源热泵空调系统设计的关键，地热换热器设计的优劣直接关系到地源热泵空调系统的经济性和运行的可靠性，因此对其进行优化设计十分必要。
1·设计时需简化的问题及换热计算公式
1.1换热计算中几个问题的简化处理①沿垂直方向，不同地质结构，分别计算换热。②进出口温差，沿垂直方向，根据地质结构不同分段，确定热交换温度。③冬夏季进出口初始设计温度，按最不利情况考虑。④埋管距离，按3m<H<5m考虑。
1.2单井换热量的计算公式[3]
1.2.1传热介质与U形管内壁的对流换热热阻计算公式：
式中：Q为单孔的传量，W；Ri为各个地层的总热阻，m·K/W；Li为各个地层的长度，m；Δt为各个地层的平均温度与各地层管内平均温度的差值；i为各地层号。
2·地埋管换热器形式
目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种，即水平埋管和垂直埋管两种形式。
2.1水平埋管换热器[4]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。单层管最佳深度0.8m∽1.0m，双层管1.2m∽1.9m，均应埋在当地冰冻线以下。
2.1.1水平埋管换热器的缺点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。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，用于冬夏冷暖联供的场合很少。
2.2垂直埋管换热器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，立式柱状管、蜘蛛状管、套管等形式；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U形管、套管和单管式换热器。
2.2.1 U形管安装在钻孔内，一般钻孔直径为100mm∽150mm，深10m∽200m，U形管径一般在准50mm以下。由于其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等优点，目前应用最多。
2.2.2套管式换热器的外管直径一般为100mm
∽200mm，内管径为准15mm∽25mm。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，其换热效率较U形管提高16.7%[5]。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。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≤30m的竖埋直管，对于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。
2.2.3单管型在国外常称为“热井”，它主要指地下水热泵系统。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及国家有关政策及法规限制大。
2.3两种埋管换热器形式的优缺点比较对于浅层埋管的优点可以概括为：投资少，成本低，钻机要求不高，由于受地面影响较大，一般地下岩土冬夏热平衡较好。它的缺点是要占用很大的场地面积，与较多的管路接头，相比于中、深埋管的情况，其换热效率不高。深层埋管的优点有以下几方面：①不过多的占用场地面积；②有较高的换热效率；③有较少的管路接头。其缺点是：①需要很大的成本，投资高；②应使用高承压的管材；③要有较高性能的钻机。因为在深层岩土中的温度几乎不受到地面的影响，所以，要注意炎热季节排热量以及寒冷季节吸热量保持均匀。要不就会影响到地源热泵长时间的使用。在实际的工程中，我们还要依据场地的大小、当地岩土的种类和成本来确定使用水平式还是垂直式埋管（一般适用于有限的场地面积的时候）。如果场地面积很大，而且没有很硬的岩石，相对经济的是采用水平式埋管，若使用布管机进行多管布置还能够减少场地的占用面积。如果场地中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可成功钻孔但是成本较高。
2.4埋管换热器深度关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质、工程的具体情况、场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况进行综合考虑。其中有几点应考虑到：①使用钻60m以内的钻机的成本少，费用低，如果>60m，则钻机成本较高；②井深80m以内，可用国产普通型承压（承压1.0M Pa）塑料管，如深度>80m，需采用高承压塑料管，其成本增加；③50m深的钻孔造价比100m的要低30%∽50%[6]。
3·地下埋管系统环路方式[7]
3.1串联方式和并联方式首先，在串联方式中，钻空间只有一个流通通路。串联方式的优点有：①管内贮存的空气相对容易排出；②在串联系统中，通常要使用直径大的管子，其单位长度埋管换热量要比并联方式稍大。其缺点有：①串联方式本身的安装成本就大，在加上要使用直径大的管子，成本会更高；②因为管子直径较大，在寒冷地区，在其系统内需要注入大量的诸如乙二醇水溶液等的防冻液。③管路的系统不应该过长，要不就会损耗过多的系统阻力。其次，在并联方式中，井（管沟)的数量和流通通路的数量是相同的。并联方式相对于串联方式有以下三个优点：①需要较少的防冻液；②能够用较小直径的管子，因此可以节约成本；③较低的安装成本。它的缺点也有三个：①为了能够充分地排出空气，在安装的过程中，一定要注意保证有较高的流体流速；②为了确保各个并联回路中有一样的流量，应保持每一个管道长度相同；③为了确保每一个支管出口压力一致，需要保证各个支管的进口压力一致。采用较大直径的管子做集管，能够满足本目的。鉴于国内外的实践工程，并联方式多用在中、深埋管，串联方式大多使用浅埋管。
3.2同程式和异程式依据每个钻孔环路以及总管的的设置方式，有同程式系统（流体在每个埋管的流程一致，所以每个埋管都有相对均衡的流体流量、换热量以及流动阻力）和异程式系统（经过每个埋管的路程不一样，所以其阻力不一样，造成分配给各埋管的流体流量不均匀，进而导致换热量的换热效果不好）。因为地下环路不容易布置调节阀或者平衡阀，也不容易将系统中的每环路满足水利平衡的要求，所以，在工程实践当中，大多使用的是同程式。
4·埋管换热器材料
对于地下埋管系统，我们很难对其进行维护，所以地下所使用的管材要主要具备耐腐蚀性的特征。上世纪六十年代之前，地下埋管大多采用金属管，虽其有良好的传热效果，但有较强的腐蚀性，容易被损坏，很大程度上影响了
地源热泵系统的使用时间，所以，也给发展地源热泵行业带来了障碍。七十年代，涌现出一些具有良好的耐腐蚀性的管材，使得地源热泵行业在此发展。聚乙烯与聚丁烯管以其两哈的柔韧性和较高的强度，获得了普遍的应用。我们在地源热泵系统中不建议使用聚氯乙烯管，因为它的导热性能不好而且可塑性也很差。为了增强地下埋管的换热，国外提出使用不锈钢钢管（其薄壁为0.5mm），然而当前应用的还很少。
5·结论
要做到地热换热器的最优化设计，首先应精确计算换热器传热量和埋管孔数，其次根据工程现场的具体情况选择合理的埋管方式和环路方式，最后根据当地土壤的特性选择最合适的管材。
参考文献：
[1]ASHRAE.Commercial/Institutional Ground Source HeatPump Engineering Manual[M].1995.
[2]丁勇,卢军等.地源热泵系统地下埋管换热器设计(1)[J].暖通空调,2005.3(35)：86-88.
[3]陆耀庆主编.实用供热空调设计手册（第二版）（下册）[M].2008.
[4]Commercial/Institutional Ground-Source HeatPump Engineering anual 1995 American Society of Heating Refrigerating and Conditioning Engineers,Ice[Z].
[5]王勇,刘宪英等.地源热泵及地下蓄能系统的实验研究[J].暖通空调，2003.3（35）：21-23.
[6]丁勇,李百战等.地源热泵系统地下换热器设计讨论[J].建设与设计,2005.12.
[7]丁勇等.地源热泵系统地下埋管换热器设计(2)[J].暖通空调,2005.11(35):76-79.
