地源热泵系统地热换热器的设计研究

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 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