地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算
地源热泵地下埋管换热器系统形式及设计计算
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0 引言
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，本文就这方面的有关问题作些讨论，供同行们参考。 1 埋管形式
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。 1.1 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。按文献[1]介绍，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=2 490m2。 1.2 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。 2 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1.0MPa）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；③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，如果采用分室型的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（0.6～1.0MPa）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，换热效率高，单位管长换热量大，管路接头少。其缺点是投资大，成本高，需采用高承压（1.6～2.0MPa）塑料管，钻机性能要求高；由于深层岩土温度场受地面温度影响很小，因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使用效果。在国外，有的采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措施，帮助地下岩土实现热平衡。
中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。
在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大，取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济，如果采用布管机进行多管布置还可减少场地占用面积。当场地面积有限时则应采用垂直式埋管，很多情况下这是唯一选择，如果场地中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可成功钻孔。 3 地下埋管系统环路方式 3.1 串联方式和并联方式
在串联系统中，几个井（水平管为管沟）只有一个流通通路；并联方式是一个井（管沟）有一个流通通路，数个井有数个流通通路，图2是串联和并联系统示意图。图3是垂直埋管典型的并联系统工程实例。该工程位于美国北方，地下埋管换热器换热量70kW，孔间距4.5m，与建筑物边界间距3m，占地面积为45m×15m=675m2。与图1相比，在同样埋管的换热量下，垂直埋管比水平埋管换热器占地面积少73%左右。
串联方式的优点是：①一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出；②串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高于并联方式。其缺点是：①串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；②由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多； ③安装劳动成本增大； ④管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。
并联方式的优点是：①由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低；②所需防冻液少；③安装劳动成本低。其缺点是：①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气；②各并联管道的长度尽量一致（偏差应≤10%），以保证每个并联回路有相同的流量；③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。
从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多。 3.2 同程式和异程式
根据分配管和总管的布置方式，有同程式和异程式系统。在同程式系统中，流体流过各埋管的流程相同，因此各埋管的流动阻力、流体流量和换热量比较均匀。异程式系统中流体通过各埋管的路程不同，因此各个埋管的阻力不相同，导致分配给每个埋管的流体流量也不均衡，使得各埋管的换热量不均匀，不利于发挥各埋管的换热效果。
由于地下埋管多环路难于设置调节阀或平衡阀，难于做到系统各环路的水力平衡，因此在实际工程中采用同程式者居多（如图3所示）。
4 埋管材料 4.1 管材
地下埋管系统基本上不能进行维护，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。60年代以前，地下埋管多用金属管，虽然它的传热性能好，但耐腐蚀性差，使用10～20年就已腐蚀坏，严重降低了地源热泵的使用寿命，因此也阻碍了地源热泵的发展。70年代，大量塑料管的出现，克服了金属管的缺点，促进了地源热泵的发展。由于聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管柔韧性好，强度高，而且可以通过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头，因此在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。由于PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC管。为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。表1是目前几种常用的塑料管性能。 4.2 选择埋管种类应注意的问题
1） 了解制造商提供管子所属的“管子体系”，该管子是由何种树脂制作而成，抵抗环境应力致裂的能力，有关管子材料说明和安装方法。
2） 应选择导热系数大，流动阻力小，热膨胀性好，工作压力符合系统要求，工作温度-20～70℃，售价相应较低的管材。
3） 在保证要求情况下，选择的管材管壁尽量薄，配套用管件不应选择金属的，最好选用相同材料或工程塑料尼龙等材料制造的管件。
4） 应要求厂家提供管子阻力计算用的图、表或相应的数据。 5） 能按用户要求的管子长度，成捆供应，以减少埋管接头数量。
6） 选用管子时注意管子的外径、内径及厚度。一般塑料管规格为：52.7mm，即1/2\"（φ20×2，di=16）；19.05mm，即3/4\"(φ25×2.3，di=20.4)；25.4mm，即1\"(φ32×2.9，di=26.2)；31.75mm，即1/1/4\"(φ40×3.7，di=32.6)；38.1mm，即1/1/2\"(φ50×4.6,di=40.8)；50.8mm，即2\"(φ63×5.8，di=51.4)。 5 埋管间距
视现场情况和工程大小，埋管可沿建筑物周围布置成任意形状，如线形、方形、矩形、圆弧形等等。但为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小与运行状况（如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停机比等）、埋管的布置形式（如单行布置，只有两边有热干扰；多排布置，四面均有热干扰）等等有关。 5.1 水平埋管
文献[1]建议，串联每沟1管，管径31.75~50.8mm，即1/1/4\"～2\"；串联每沟2管，管径31.75~38.1mm，即1/1/4\"～1/1/2\"。
并联每沟2管，管径25.4~31.75mm，即1\"～1/1/4\"；并联每沟4～6管，管径19.05~25.4mm，即3/4\"～1\"。
管沟间距：每沟1管的间距1.2m，每沟2管的间距1.8m，每沟4管间距3.6m。管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于0.6m。 5.2 垂直埋管
文献[3] 认为长期间歇运行的垂直埋管地源热泵间距3m左右较适合；文献[4] 建议埋地取热（冬季）盘管的间距取4m，埋地放热（夏季）盘管间距约为5m，综合考虑冬夏工况，U形管埋地换热器管间距应大于5m。文献[5] 通过U形埋管冬、夏长时间的运行发现，埋管周围发生温度变化，其作用半径是3m左右。文献[1] 建议相邻孔洞的最小距离4.5m。笔者按照埋管换热器附近大地热阻计算公式，计算出单根埋管换热器的大地热阻R0单和多根埋管换热器的大地热阻R0多，提出了一个管群修正系数η的概念，即η＝R0多 / R0单。η大表明管群的热干扰大，换热效率下降[2]。用笔者开发的GSHP.EXE计算程序[6]对η的计算结果见表2。 计算时假设管间距6m时无热干扰，即η=1。表中相邻5、6管是管群按错排等距埋管布置的数据，如管群顺排等距布置，其相邻最多管数为4。
从表2看出，管群修正系数η与运行工况、埋管间距和相邻埋管个数有关。如连续运行40
天，单排埋管布置，相邻只有2根管，间距4.5m换热比6m的约低4%，间距3m比6m的约低12%；而多排埋管布置，相邻4根管，间距4.5m换热比6m的约低8%，间距3m比6m的约降低25%。根据如上，竖埋管间距的几点建议为：
工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m；若连续运行（或停机时间较少）建议取5～6m。 当然从换热角度分析，间距大热干扰少，对换热有好处，但占地面积大，埋管造价也有所增加。 6 埋管系统的管径选择及水力和换热计算 6.1 管径的选择原则
在选择和设计管径时应考虑如下问题：
①从运行费上考虑管径越大越好，以降低泵的输送功率，减少平时的运行费；② 从初投资上考虑管径不能太大，必须保证管内流体处于紊流区（Re≥2100），以增加流体与塑料管壁的换热系数；③ 系统环路长度不要太长；④ 不同的流体对阻力和换热都有影响，因此选择管径时应特别加以注意。
综合考虑，推荐采用薄壁小管径管子，并联布置方案。 6.2 埋管内工作流体
在国内南方地区，由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区，冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等特点。目前应用较多的有：①盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。 一般来说，盐溶液具有安全、无毒、无污染、导热性能好、价格低、使用寿命长等优点，其缺点是系统有空气存在时，对大部分金属具有腐蚀性。在正确选用管材、部件和系统内空气被排除干净的情况下，盐溶液是一种很好的防冻液。
乙二醇水溶液相对安全、无腐蚀性，具有较好的导热性能，价格适中，但使用寿命有限，且有毒。
酒精水溶液具有无腐蚀性、较好的导热性、价格适中、使用寿命长等优点，缺点是有爆炸性和毒性。在使用酒精之前应用水将其稀释，以降低其爆炸的可能性，由于其无腐蚀性，作为防冻液很受欢迎。
表3是不同流体、流量、管径下的沿程阻力及换热系数计算表。计算时采用水（+5℃），20%CaCl2水溶液（-5℃）和20%乙二醇水溶液（-5℃）作为计算依据，三种流体的热物性参数见表4。
6.3 最小管内流速（流量）
按文献[7]，临界雷诺数Rek=2 000，Re>2 000为紊流，Re<2 000为层流。根据Re=Vdi/v，Vk=Rekν/di和Qk=πdi2/4·Vk·3 600的计算公式，可求出上述三种流体在不同管径下的最小流速，即最小流量，计算结果见表5。
上述公式中符号，Re——雷诺数；V、Vk——流速；临界流速，m/s；Qk——临界流量，m3/h；di——管内径，m；ν——运动粘带性系数，m2/s。
从表3和表5可见，在相同管径、相同流速下，其雷诺数大小依次为水、CaCl2水溶液、乙二醇水溶液，其临界流速比为1：2.12：2.45。说明采用CaCl2和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。 6.4 不同流体管内换热系数aw (w/m2·k)计算
按文献[8]，当Re>104时，其流体侧换热系数aw可用下式计算，即： aw=β＝０．０２１（1）
当2 100 6.5 管路沿程阻力hf（kPa/100m）计算 按文献[7]的计算公式为： hf=λ＝λ（2） 式中：λ——沿程摩擦阻力系数；L——管长度，m。 由于地下埋管换热器内流动一般均在紊流或紊流光滑（过渡）区内，即2 100 ① 地下埋管换热器环路压力损失限制在30～50kPa/100m为好，最大不超过50kPa/100m。 ② 地下埋管系统单位冷吨（1冷吨=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.16～0.19L/s·t（0.045～0.054L/s·kW或2.7～3.24L/min·kW）为好，大于0.19L/s·t（3.24L/min·kW），泵的消耗功率显著上升。 ③ 循环水泵消耗功率P与热泵容量名义冷吨之比控制在50～75W/热泵能力冷吨（14.2～21.3W/kW）为好。 ④ 不同管径下的埋管深度及最小钻孔孔径推荐值见表7。 地源热泵简介 以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统，其一个热源就是建筑物内部的环境，就其另一个热源的性质来分，可分为空气源热泵、水源热泵和地源热泵等几大类。空气源热泵和水源热泵的低温热源分别为室外空气和池塘、湖泊或河溪中的地表水。它们共同的缺点是室外空气和地表水温度随气候而变化，并且温度越低时供热量越小，热泵的效率大大降低。特别是当空气温度低于 -5℃ 时热泵就难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率就会大大降低。 另一种热泵利用大地（土壤、地下水）作为热源，可以称之为“地源热泵”。地源热泵（Ground-Source Heat Pump）的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，在20世纪50年代就已在一些北欧国家的供热中得到实际应用。由于石油危机的影响，地源热泵在70年代得到较大的发展。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。 根据地源热泵从地下吸收热量的方式不同（即低温热源的不同）可分为：开式回路系统与闭式回路系统。开式系统的低温热源是直接利用水井、废弃的矿井的水及抽取地下水。闭式系统是通过二次流体（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，将热量传送到地下，或者从地下吸收热量。我国很多地方地下水资源馈乏，抽取地下水的开式系统不适合我国国情，而且地下水的回灌问题也比较难解决。因此研究所致力研究开发的地源热泵主要是闭式系统，即以地热为低温热源。 对于地源热泵地下环路的（即地热换热器）埋管方式多种多样。目前国外普遍采用的有垂直埋管和水平埋管地热换热器两种基本的配置形式。垂直埋管地热换热器是在地层中垂直钻孔。的地热换热器是在浅层土地中水平埋管。地热换热器型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。水平埋管占地面积大，而且水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响，效率较低，因此这种水平埋管的地源热泵空调系统在多数场合不适合中国人多地少的国情。我们所研究的重点是垂直∪型埋管换热器。 垂直埋管示意图 水平埋管示意图 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容