土壤源热泵埋管换热器形式及传热模型的分析

全球范围内的环境污染和能源危机,使得人们更多地将目光转向了清洁环保的可再生能源.近些年,热泵空调技术逐渐成为建筑行业空调系统的新方向.其中应用广泛的地源热泵系统(图1)包括地下土壤热交换器地源热泵系统、地下水热泵系统、地表水热泵系统.由于我国大多数地区地下水资源缺乏,利用土壤作为热泵热(冷)源的土壤源热泵系统将更具适用性.资料表明大地5m以下的土壤温度基本上不随外界环境温度变化,恒定在当地年平均气温[1].与空气源热泵相比土壤源热泵没有风扇产生的能耗和噪声,更不会影响建筑物周围的环境温度.系统的埋管换热器可以布置在地下,不占用地上建筑面积。

1　土壤源热泵系统的工作原理
土壤源热泵系统主要包括三个子系统.地热换热器子系统是水或防冻剂溶液埋于地下的强制循环的封闭环路,冬季从周围土壤吸收热量,夏季向土壤释放热量,其循环由1台低功率的循环泵来实现.制冷剂子系统是在热泵内部的循环,与其他热泵系统结构基本相同.用户子系统是把已调节好的空气或冷(热)水分配到建筑物中去的环路.
2　土壤源热泵系统地下换热器的埋管形式
土壤源热泵设计应用的核心和难点主要在于地热换热器的传热问题:如何建立模型,才能更接近实际情况,加强换热效果,减小换热器热交换面积,减小钻孔深度,满足经济性的要求.目前全部采用国外产品和技术的地热换热器造价高达853元/kW[2],初期投资大是土壤源热泵空调系统推广应用的主要障碍之一.到目前为止,其主要埋管形式有水平和竖直两种布置方式[3],如图2所示.

2.1　水平埋管
水平埋管常用的形式有单沟单管、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[4].水平管埋的优点是通常为浅层埋管,初期投资少.其缺点是:①由于埋管深度较浅,埋管换热器性能不如垂直埋管;②施工时,占用场地大;③为了提高性能,而采用单层与多层互相搭配,或采用螺旋管则不易施工.
2.2　垂直埋管
根据埋管形式的不同,一般有单形管,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(≤30 m)、中埋(31~80 m)和深埋(>80 m).目前使用最多的是U形管、套管和单管式.垂直埋管形式由于其占地面积小,深层土壤的全年温度比较稳定,热泵运行稳定等优点,在实际工程中应用的比较广泛.
3　连接方式
地下换热器中流体流动的回路形式有串联和并联两种[5],如图3所示.

3.1　串联系统
其特点是管径较大,管道费用较高,并且压降特性限制了系统能力.
3.2　并联系统
其特点是管径较小,管道费用较低,且常常布置成同程式,当每个并联环路之间流量平衡时,其换热量相同,其压降特性有利于提高系统能力.因此,实际工程一般都采用并联同程式.
4　地下埋管换热器的研究现状及传热模型