地源热泵地下埋管形式及计算

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地源热泵地下埋管形式
　　
　　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。
　　
　　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地源热泵地下埋管深度
　　
　　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。