竖直埋管简介

    换热器埋管形式有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管通常浅层埋设，开挖技术要求不高，初投资低于竖埋管，多用于早期。由于其占地面积太，开挖工程量大，现国外工程已很少采用。竖直埋管地源热泵系统占地面积小，特别适合用地紧张的城市，目前国外应用较多，发展也较快。

    地下埋管换热器中热交换情况的好坏直接关系到地源热泵系统性能的好坏，所以系统的设计主要集中在地下埋管换热器的设计上。竖直埋管根据埋设的方式不同大体可分为三种：U型管形式，套管形式，单管形式。

    目前以U型管运用较多，U型管管径一般在50mm以下，流量不宜太大。埋深越深,换热性能就越好，但其成本也就越高。目前最深的U型管埋深已达180m。套管式换热器外管的直径可达200mm,由于增大了换热面积，可减少钻孔数和埋深。但内管与外腔中的液体发生热交换会带来热损失。单管型埋设方式可以降低安装费和运行费。在地下水位以上用钢管作为护套，直径和孔径一致，典型的孔径为150mm，地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。这种方式受水文地质条件限制，使用有限。图2表示竖埋式热交换器在串联和并联流动布置的一些基本单元。

    图2 竖直埋管换热器基本单元示意图

    串联系统的优点是：①单一的流程和管径；②管道的线性长度有较高的热性能；③系统的空气和废渣易排除。缺点表现在：①需要较大的流体体积和较多的抗冻剂；②管道费用和安装费用较高；③长度压力降特性限制系统能力。并联系统的优点是：①管径较小，管道费用较低。抗冻剂用量较少；③安装费用较低。缺点表现在：①一定要保证系统空气和废渣的排除；②在保证等长度环路下，每个并联路线之间流量要保持平衡。实践证明，回路管长并不是越长越好，每个回路的管长有一最大长度，一旦超过该长度极限，则长度的增加对换热量的影响就非常小。该极限长度还受到管径、地质状况、设计流量的影响。

    地下热交换器尺寸设计时应考虑以下几点：(1)热泵系统的水流量；(2)循环液体的类型；(3)要求最低的进入液体温度。设计步骤如下：(1)确定埋设管道位置；(2)确定地下土壤温度；(3)确定最高和最低地下温度；(4)确定地下热交换器的最高和最低进入液体温度；(5)计算地下到环路的温度；(6)确定达到热流量时的管道阻力}(7)确定土壤／现场对热流量的阻力；(8)计算供热和供冷运转比值；(9)计算地下热交换管道长度(立式系统孔洞深度)。

    对于竖埋管，考虑一定的水平间距，尽量减少各埋管单元之间温度场的相互影响。一般影响单管换热的距离为1.5～3m。短时间和问歇运行的换热管间距为1.5m较适合，长时间连续运行的间距为3m较适合。U型竖埋管的水平间距为4.5m左右。

    热短路指的是U型或套管式换热器的进出水管之间的热交换。为了避免热短路,要求换热器之间保持一定距离，但具体确定这个距离要考虑多方面因素，最重要的是确定换热器运行时间。通常增大套管换热器的热阻以及U型管两管之间的距离来减少热短路。

    目前最常用的管道材料是聚乙烯和聚丁烯管材。这种材料做成的地下换热器可使用40年以上。而且它的重量轻，耐腐蚀，造价低。管子柔韧性好，可以通过加热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头。

    目前竖直埋管式土壤源地源热泵技术还有不够完善的地方，当前急需解决的问题是：①提供正确可靠工程设计参考的技术数据；②开发成熟的可供工程设计参考的设计计算方法；③研制规格齐全、品种多样的相关产品，完善地下换热器的安装、施工技术和施工队伍等。