土壤源热泵地埋管形式探讨

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摘要： 依据土壤源热泵系统中地下耦合方式对地埋管的形式进行分类，列举了一些新的地埋管的埋管方式，并对其换热进行分析；通过对U型管和套管的特点进行对比，为土壤源热泵地埋管换热的进一步研究提供参考。

Abstract： The paper classifies the forms of buried tube according to the underground coupling mode of ground source heat pump system， lists some new burying methods of buried pipe， and does some analysis on heat transfer， compares the characteristics of the U-tube and sleeve， providing a reference for further study of ground source heat pump heat exchange.

关键词： 土壤源热泵；U型管；套管

Key words： ground source heat pump；U-tube；sleeve

中图分类号：TU111 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0045-02

0 引言

能源是我们人类社会生存发展的物质基础，而能源危机使我们对能源利用有了新的认识，为了国家经济能够持续快速的发展，因此加强节能、提高能源利用率和改善能量利用中的环境保护成为了一个很重要的课题。

随着空调产业的快速发展，空调制冷制热的方式开始多元化。由于地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能，相当于人类每年利用能量的500倍，而且不受地域、资源等的限制，为一种可再生、清洁能源[1]。因此，近年来地下土壤作为一种空调系统理想的冷热源，受到国内外学者的重视，进而促进了土壤源热泵技术的发展。

1 土壤源热泵系统的构成

土壤源热泵系统按照构成可以分为四个部分：地下耦合换热循环、制冷剂循环、末端装置以及生活热水环路。地下耦合换热部分是由高密度塑料管（一般常用高密度聚乙烯HDPE管）组成的地下循环封闭环路，环路的介质通常为水或者是防冻液[2]。冬季从地下吸取热量对建筑供暖，同时储存冷量，以备夏季使用；夏季向土壤中释放热量，对建筑进行降温，同时储存热量，以备冬季使用，其地下换热部分可以按照地埋管的形式的不同分为水平埋管和垂直埋管。

2 水平埋管的形式以及对其应用的研究

目前水平埋管主要的应用形式有以下几种，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（如图1），由于水平埋管占地面积较大，除了在单元住宅等建筑中能一定的应用外，其他中大型建筑形式中的应用较为有限，为了提高单位占地面积的换热量，因此考虑利用沿垂直方向的岩土层的蓄热作用，设置多层埋管，多层埋管的下层管路处于一个较稳定的温度场，换热效果好于单层，且占地面积较小，因此在工程中常采用多层。

水平埋管在国外有比较多的应用，但是由于地理条件的差异以及经济发展水平的不同，因此水平埋管式的土壤源热泵在工程中并没有广泛的应用，为了提高水平埋管的换热性能，有人提出将热管技术应用在水平埋管式的土壤源热泵系统中，提出了一种新型的地下埋管形式，热管是依靠自身内部工作液体的相变来实现传热的传热元件，液态的工作介质在热端蒸发吸热，变成气态，气态通过运动到冷端放出热量，变成液态并依靠重力作用重新回到蒸发端，如此循环进行，传递热量。由于热管内部主要靠工作液体的气、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力，利用热管的这种特殊的传热方式，来提高地下埋管的换热性能，利用更深层的土壤蕴含的热量，从而达到减少占地面积的目的。根据热管的工作温度范围，设定土壤源热泵运行的工况，然后进行计算、选择设备并搭建系统。天津大学郑宗和等人的努力，设计并完成了试验台的搭建，通过试验最终证实了在水平埋管系统中加入热管对提高水平埋管换热效能是有帮助的，虽然成本有所增加，但是增加的成本不大，且节约土地面积的效果明显，因此有很好的应用前景[4]。其应用的系统如图2所示：

天津大学的李新国等人对垂直螺旋盘管地源热泵供暖制冷进行了实验研究，他们结合一个实际用户建立了垂直螺旋盘管地源热泵试验系统，通过测量地下盘管的进出水温度，盘管从地下的取热、排热量，分析系统的性能。

经过运行一段时间后得出的数据分析结果表明，与其他土壤埋管的取热性能相比较，垂直螺旋盘管的换热效果要优于水平盘管[5]。垂直螺旋盘管的应用，使盘管表面积增大，换热面积也相应的增大，进而提高了换热效率，同时也节约了占地面积，减少工程的造价，因此，对于现阶段土壤源热泵技术来说，具有很大的发展空间。

3 垂直埋管的形式

与水平埋管相比，垂直地埋管具有在较小的占地面积下获得较大的换热能力的特点，因此在工程中的应用更为广泛。垂直埋管根据埋管形式的不同，一般有单U型管，双U型管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，套管等形式。目前使用最多的是U型管、套管和单管式。

对于U型管来说，一般管井直径为100～159mm，井深10～200m，管径一般在Φ50mm以下，由于施工简单，安装方便，换热性能好，承压高，管路接头少，不易泄漏等优点，目前在工程中应用很广泛。

套管式埋管的外管直径一般为100～200mm，内管为Φ15～Φ25mm。由于其与外管壁和岩土的换热面积增大，因此单位井深的换热量较高。但套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄露，需要由工厂加工制作，现场安装，保证其密封性。

单管式埋管在国外通常称为热井，主要用于地下水做热源的热泵系统，一般来说投资较少典型的孔径为150mm，由于其受到国家相关政策及法规的限制，因此在工程中应用有限。

U型管和套管是地源热泵地下垂直埋管的主要形式。由于安装方便，不易泄漏，因此U型管一般可以用于埋地比较深的工程中，这是U型管的优点，但是其钻孔费用高，且不能充分利用钻孔所提供的换热条件，造成了资源的浪费；相比较来说，套管式换热器可以充分的利用钻孔资源，换热效率也高于U型管，但是其结构复杂，容易泄露。无论是U型管还是套管都存在热短路现象，U型管进水端和出水端存在4～6℃的温度差，但是两管中间有一段距离，可以回填保温材料，减少热短路产生的影响，而套管不存在中间的保温材料，因此存在的短路现象则比U型管埋管换热器的热短路严重[6]。目前套管的内外管大多采用PVC光滑管，换热介质的流向有两种，一种是介质在内管从上而下，完成热交换，另外一种是介质在内管与外管的夹套中由上而下完成热交换，到管底后在内管中由下而上。沈学明采用波纹内套管实现了套管换热性能的提升。

其中1指的是外管，2是内管，3是底封，4是进水管接口，5是指出水管接口，6是波纹管，7是安装导正环，其结构图中波纹管布置在内管的外壁，波纹管与外管之间固定安装导正环，在普通套管的内管外边加套一个波纹管，波纹管与内管之间充填珍珠岩层以绝热，减少介质在内管与外管夹套中存在的热短路现象，提高了套管的换热能力，另外，介质在流经波纹管表面时产生紊流现象，传热系数增加，提高了套管的换热能力[7]。

对于U型式和套管式埋管，在工程应用中都存在一些问题，制约着其发展。因此我们要对新的垂直埋管形式进行探索和研究，进而使地埋管换热效率得到最大限度的提高，满足工程中的需求。

4 结论

土壤源热泵最主要的部分是地埋管换热的部分，因此提高地埋管的换热效率称为研究的重点，目前我国对于垂直埋管的研究主要集中在地下换热器模型的建立、埋管换热对周围土壤温度的影响以及埋管对周围管群的换热性能的影响。而对于不同埋管形式与土壤之间的换热研究很少，因此加强对这方面的研究对土壤源热泵的发展会产生一定的帮助。

对于水平埋管来说，尝试采用不同的埋管方式相结合以及加入一些新的能增强地埋管换热的技术（例如热管），对其换热进行研究，看能否能满足工程中的应用。

垂直埋管在我国土壤源热泵工程中应用非常广泛，因此对新埋管方式的换热性能的研究有非常重要的意义。比如采用套管和单、双U型管结合埋设地埋管，既可以节约成本，又可以充分的利用资源；也可以尝试用螺纹管代替单、双U型埋管，看换热效率是否得到提升；或者也可以采用一些能提高换热效率的方法对地埋管进行改进，满足实际中的需求。

参考文献：

[1]张旭.热泵技术[M].北京：化学工业出版社，2007：142-143.

[2]侯立泉.U型垂直埋管式土壤源热泵运行特性的实验研究[D].太原理工大学，2003：13-16.

[3]那威，刘俊跃，宋艳.地埋管地源热泵水平埋管冬夏季工况换热性能及土壤温度场[J].暖通空调，2009，39（11）：12-16.

[4]郑宗和，杨玉忠，葛昕，高金水，曾宪安.利用热管的新型水平埋管技术[J].天津大学学报，2004，37（11）：1001-1004.

[5]李新国，赵军，朱强，安申法，张毅.垂直螺旋盘管地源热泵供暖制冷试验研究[J].太阳能学报，2002，12，23（6）：684-686.

[6]史新慧，李素芬，卢立宁.套管式地下换热器研究[J].节能，2004，（7）：22-24.

[7]沈学明.高效热交换波纹内套管式地埋管[P]：CN 20165

3224.2010.