地源热泵地下管群换热器设计施工问题

摘要：阐述地源热泵地下管群换热器的常用型式、实验装置及其设计施工方法，并对建设造价和运行情况作了简单介绍。

1 概述

地源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋入地下，与大地进行冷热交换。由于地源热泵具有可持续发展性，国内外近年来正在加强对它的系统研究。

地源热泵原理如图 1 所示，埋入地下钻孔中的换热管一进一回形成回路与大地进行换热。夏热冬冷地区地温平均温度在 15-20 ℃左右，通常冷凝器的夏季出水温度在 35- 40 ℃之间，与岩土换热温差可达 20-25 ℃。有利于提高制冷系数，而且不会把热量、水蒸汽及细菌等排入大气环境，造成对环境的损害。冬季运行时，冷凝器作为蒸发器，进行地下换热后蒸发器出水温度一般均高于室外气温，可显著提高供系数，不存在空气源热泵随气温下降供热系数显著减少及除霜等问题。地源热泵在于夏季利用冬季蓄存的冷量供冷同时蓄存热量，以备冬用 ; 冬季利用夏季蓄存的热量供热，同时蓄存冷量，以备夏用。夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致 相同，冷暖负荷基本相当，可用同一地下埋管换热器实现建筑的冷暖联供，实属一种节能又保护环境的绿色空调。笔者结合国家自然科学基金课题，在地下单管换热器的实验基础上，建设一个 8kw 地源热泵的地下埋管管群换热器，目的在于研究地下岩土换热的全年动态特性，为地源热泵的设计与运行提供理论依据和可靠的基础数据。本文仅对地下管群换热器的设计及施工问题作一讨论。

2 埋管形式的确定

换热器埋管形式一般有两种形式，即竖埋管和横埋管由于横埋管占地面积较大，且换热指标小于竖埋管，因此，在实验中，我们以竖埋管研究为主。

竖埋管一般可分为 U 型管和套管型两种。其结构形式见图 2 。在前期的实验中，我们已经得到结果，套管型换热器热能力大于 U 型管换热器，因此，在管群实验中，我们以竖直套管型换热器作为主要研究对象。

3 换热器管长计算及平面布置

地源热泵实验基地地下管群换热器换热量为 8000w ，根据前期夏季的实验结果 [1] ，地下岩土为砂岩，经测试及查阅有关文献，砂岩密度 2500kg/m3 ，导热系数λ =2.04W/(m.K) 导温系数 a=0.0033 m2/h ，蓄热系数 s=34.89W/(m.K) ，在埋深 10m 的情况下，单根套管换热器 ( 外管直径 90-100mm) 在夏季稳定情况下的平均传热系数 ( 其定义为换热器内水与大地初始温度每相差 1 ℃时，通过长度 1m 的钻孔，每秒钟传递的热量 )k=3.26W/(m.K) 左右，经测试计算，地下 1-10m 重庆地区夏季的大地原始温度为 21.0 ℃，换热器内进出水温度取 35-40 ℃，平均水温 tp=37.5 ℃。则单位长度钻孔的换热量 q=K ×Δ t=3.14 × (37.5-21.0)=51.8W/m 。与实测值 49w/m 非常接近。由于夏热冬冷地区热泵设计应以夏季降温为主，兼顾冬季供暖，而一般地下管群的传热量冬季大于夏季，因此夏季能满足要求，冬季一般也能达到要求，故本装置按夏季工况设计。

地下管群换热量根据如上实验结果，设计了 15 根埋深 10m 的套管，其换热量在 7742W 左右。另外，为了研究地下水平埋管换热器的换热规律还建设了两层 3 × 4m ，埋深 2 和 1m 的水平蛇形管换热器，其埋管长度为 50m 。

任何形式的换热器都对换热器之间的距离有一定的要求，这个距离主要是避免热短路。而具体确定这个距离要考虑多方面的影响因素，最重要的是确定换热器的运行时间对于竖埋管换热而言，换热模型是以埋管为中心的圆柱面辐射状向外传热，且这种传热是以时间为坐标的不稳定传热。

前期实验我们已经对影响单根竖管的换热距离作了一定的研究，一般影响单管换热距离为 1.5 和 3m 。短时间和间歇运行的换热管间距在 1.5m 较适合，长时间连续运行的间距在 3m 较适合。为了研究不同间距对管群换热的影响该实验基地的埋管间距为 1.5m ，利用阀门的切换来研究不同间距对换热的影响。埋管对称布置，其平面如图 3 所示 :

4 水环路系统设计

研定平面布置后，即可进行水系统设计。对于每一支管沟的三个孔，由于管道水平距离较近，因此考虑为串联式，全系统有五组串联支路，五组串联支路之间采用并联形式，组成同程式管道系统，每组串联换热进出口均设截止阀与主管连接，以便单独对串联支路进行实验和调节。主管道安装在 断面为 400 × 500mm 的主管沟里。

供水主管进入室内后接水泵，板式换热器和空调器，膨胀水箱置于室内，构成一个水 - 空气热泵系统。在竖直埋管换热器的水进入板式换热器之前 ，还设计了一个可进入地板下平行管的并联环路，以供冷热地板实验用。系统连接见图 4 。

5 主要设备与管材选择

(1) 水泵

系统水流量 W=7742 × 0.86/(40-35)=1332kg/h

水泵流量 W=1.1 × 1332=1465kg/h

水泵扬程 H=1.2 × 980=1.176kPa

根据 W 和 H 选择水型号为 20SG3-14

(2) 板式换热器

选用舒瑞普 (SWEP) 公司 CBE 钎焊式 B10 型， 40 片，换热面积 40 × 0.031=1.24m2 ，最大水流量 3m3/h 。

(3) 管材

考虑到长期埋入地下，必须要使用耐久、耐腐蚀、热阻小、造价低的管材，国外较普遍使用的聚乙烯塑料 (PVC) 管，因此本试验装置管材全部采用 PVC 管。

6 施工方法

地源热泵地下管群换热器施工一般可按下列步骤进行。

6.1 施工前的准备工作

施工前应对埋管场地的工程地质状况和地质剖面图进行研究，以确定钻机型式和埋管布局，还应对地面进行清理，即清除地面杂草和杂物，并铲除地表浮土。清理地面后要对埋管位置进行放线，根据管道平面布置图确定钻孔的具体位置和系统各管道的标高。主管沟的具体位置和尺寸确定后， 即可进行开挖。在主管沟末端要挖一个泥浆池，钻孔过程中产生的泥浆可顺管沟流入泥浆池中沉积

6.2 钻孔及安装套管

当做好管道沟和泥浆池后，要接通水源和电源。开钻之前还要在钻孔位置上挖出一个 20cm 深 2 倍钻孔孔径的小坑，然后就可以施钻了。

经验表明，有两个问题必须注意 : 其一，施钻完毕钻孔内有大量积水，水的浮力使安放套管有一定的困难，其二，由于钻孔中的泥沙沉积，设计钻孔深度和实际深度可能不一致而影响套管安装。为此，换热器的组装应和钻孔相配合，即每钻完一孔前，套管必须组装好，施钻完毕应尽快将套管放入钻孔中，并立即将水充满套管，以防孔内积水使套管脱离孔底上浮，达不到预定埋设深度。

6.3 管件及管道的连接方法

管道连接有焊接、承插和活接头三种方法。对于埋深不大或场地允许时，应在地面把套管连接好，然后利用钻塔进行放管。对于承插式连接，一定注意在活性胶干了之后才能使用。活接头连接，优点是比较灵活方便，但造价较高。一般的管道和套管中的内管，可采用活接头连接以利于今后的 检修。

由于该项目是实验性质的，因此在套管放入钻孔以前，套管外放置了一定数量的热电偶。方法是在安放热电偶的地方用细砂布把 PVC 管打磨干净，然后把热电偶紧贴管壁，涂上硬聚乙烯粘结剂，硬化后用防水绝缘带固定，外面再用透明胶带将其裹紧。

套管入下去后，将准备好的套头 ( 含进、出水管接头 ) 套在套管上，套头结构形式如图 5 所示。

6.4 施工中的几点体会

(1) 对于壁厚≤ 3.5mm 的塑料管，不宜采用焊接，应该使用活接头或承插连接。埋管深度 >10m 的套管，使用活接头连接方法较好。

(2) 对于壁厚 >3.5mm 的塑料管，宜采用焊接或采用活接头连接。

(3) 支管沟应在钻孔钻完后再开挖。

(4) 由于套头上面的进出水管采用活接头连接，此处压力较大，因此在试压中一定要注意检查此处是否漏水。

(5) 若换热器内管长度 <10m ，宜放入整条没有接头的管子 ; 若 >10m ，则需采用承插或活接头方式进行连接。

(6) 泥浆池收集钻孔过程中产生的泥浆，经沉淀后是一种较好的回填物。

(7) 由于套管与钻孔之间存在缝隙，必须回填一些传热系数较高的物质。本实验采用钻孔过程产生的泥浆回填，回填中必须慢慢地间断地进行，以确保钻孔壁与管壁之间用回填物充满，确保其传热效果。

7 地下埋管造价分析

地源热泵地下换热器系统的造价构成如下 :

(1) 钻孔费用 : 单位钻孔费用为 60 元 /m ，合计 60 × 150= 9000 元

(2) 开挖及回填管沟，并加盖板 : 合计 750 元

(3)PVC 管材费 :DN100 套管， 150m ， DN20 支管 20m ， DN16 内管 180m; 包括活接头及阀门等合计 1160 元

(4) 水泵、膨胀水箱 :450 元

(5) 人工及保温材料等 :500 元，该项目总造价为 11860 元。

折合埋管单位造价为 79 元 /m，按每米换热量 50W/m 计，则单位换热量造价为 1.58 元 /W 。

8 系统试运行

该实验装置于 1998 年 8 月建成，并投入试运行。试运行期间发现套头等部位漏水较严重，不得不进行补漏。 1998 年 12 月 3 日正式进 行冬季供热运行。由于条件限制，只使用了第三排的三根管，在 26m2 的房间安装了一台 KCR-28 型热泵空调器，室外侧换热器的制冷剂进出管割开并与板式换热器连接，其平面布置如图 6 所示。热泵为间歇运行，由时间继电器控制开 6 分钟，停机 15 分钟左右，水泵与空调器连锁 ( 即水泵与空调器的开停同步 ) 。室内外地下埋管换热器进出水管和地下套管外壁温度测试均采用铜一康铜热电偶，二次仪表采用 WP-L80 型带打印多回路巡回测量显示仪 ( 精度 0.2%) ， 1 小时打印一次，水流量采用经标定的转子流量计测试，瞬时耗电量用 D26-II 型单相功率表，累计耗电量用经电力局标定的精密电表测试。连接运行二个多月来，未出现任何问题，工况稳定，运行效果满意。图 7 是 1 月 22 日一天测试结果。从图中可见，空调器单位运行时间一排三个套管地下换热器的换热量 Q=1.163MCp Δ T=1.163 × 1 × 385 × 3.73=1670W ，单位埋管长度的换热量 q=1670/(3 × 10)=55.67W/m 。比设计取用值 50W/m 稍大。

上述运行情况表明该装置实验是成功的，为地源热泵系统的进一步研究打下了基础。

9 小结

8kW 地源热泵地下管群换热实验装置已与水一空气热泵空调器联合运行 120 余天，性能稳定，效果良好，表明此项实验研究是成功的，取得了一定的经验和教训，为进一步开展地源热泵及地下管群动态传热特性的全面研究打下了基础。