地下埋管换热器两种形式简介

地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。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。

1、水平埋管

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<1>，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0.8～1.0m，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。图1是水平埋管系统的典型实例。该工程位于美国北方，地下埋管换热器有效换热量70kW，系 统液体的流量为13.6m3/h(3.8l/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(0.158l/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=2490m2。

2、 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，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式；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，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100～150mm，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。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）套管式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，根据文 献<2>的试验结果，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。

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。