利用热管的新型水平埋管简介

    在现有的土壤源热泵系统中，核心的制冷和制热技术已经较为成熟，可改进的潜力不大。相比而言，系统中的地下埋管换热器部分的变数较大，因为地温随地域和季节的不同而变化，埋管换热器的设计就要根据当时当地的地下温度场情况进行，且实际工程中要受具体情况的限制。现有的地下埋管形式主要有水平式和垂直式两种：1、水平式埋管造价较低，但是占地很大；2、垂直式埋管占地较小，但是造价较高。鉴于这两种埋管方式的优缺点，利用热管技术将两种埋管形式的优点融合，提出了一种新型的地下埋管形式——热管用于水平埋管换热器方案。

    这种技术的基础是热管高效的传热性能。热管是一种用传热效果良好的金属将工作介质密封在内部，具有良好传热特性的传热元件。从热管的结构可以知道，热管是通过密封在管内工作液的蒸发和冷凝来传递热量。其工作原理是：液态工作介质在热端蒸发吸收热量，气态工作液运动到冷端冷凝放出热量；冷凝后的工作液再通过重力作用或吸液芯回流到热端；如此循环往复，达到传递热量的目的。由于热管传热是随工作液相变运行的，因此热管的传热能力很强，远远超过同种实心金属棒的传热能力。正是因为热管这种良好的传热能力，提出用热管来提高地下埋管的换热性能，利用更深层的土壤代替一部分水平方向土壤的容热，达到减少水平埋管占地的目的。

    从实际的埋管形式可知，水平埋管所需的传热面积要大于垂直管所需的传热面积，这是因为土壤的导热性能很差，并且随着热泵的连续工作，浅层的土壤更容易受埋管的影响而导致传热性能下降，使得水平埋管方式的传热温差小于垂直埋管。根据可知，在相同的热量要求下，保持不变，如果变小，就必须增大换热面积，才能达到所需的换热量。在水平埋管的基础上增加热管，能使深层土壤与浅层土壤的传热变得容易，改善水平埋管换热的不利因素。同时有必要指出，加入热管以后的系统并没有明显改变埋管整体的换热面积，即水平埋管的总长度并没有改变，但是水平埋管的管间距得到明显的缩小，使得整体的占地面积减小。

    埋管系统的设计是地源热泵系统的关键技术之一，尤其是增加了热管之后的系统不同于常规水平埋管系统，这是研究的一项重点，它所涉及到的问题包括热管的设计选择和安装形式、水平埋管的选择和铺设形式等。

    目前，热管技术已经相当成熟，种类多种多样，应用范围也越来越广。热管的壳体材质可以是钢、铜、铝或合金等金属材料，管内的工作液可以是水、乙醇、丙酮和氨等，壳体和工作液必须相匹配，不发生反应，以保证热管能够在较长时间内稳定地工作。不同的热管有着不同的工作温度范围，常用范围为-60℃~2300℃。在本系统中，冬季，系统从土壤吸热，致使土壤温度下降，同时由于水平埋管中传递热量的载冷剂为水，故不能够低于0℃，以防水平埋管中的水结冰而发生阻塞现象，影响整体系统的正常工作；夏季，系统向土壤放热，致使土壤温度升高，考虑到较为恶劣的工作环境，水平埋管的排热温度也不应高于50℃。 从节能的角度来说，如果埋管温度在冬季低于0℃在夏季高于50℃，那么整体系统的COP将会很低，与传统的空调相比已不具备节能的优势，研究失去意义。因此，热管工作的温度范围要控制在0~50℃，应该按照这个温度范围选择合适的热管。除此之外，系统中的热管是埋设在土壤中的，土壤对管体的腐蚀比较严重，所以热管的管材应选用耐腐蚀的铜、不锈钢或低碳钢等。

    利用热管技术提高地源热泵水平埋管换热效能在技术上是可行的。除了采用将热管直接插入水平埋管换热器周围的土壤中方法外，还可以采用热管下端插入土壤，上端加肋，这样可以增强热管与埋管周围土壤之间的换热，整体换热效果会进一步增强。通过对热管工作介质、工作温度和使用寿命几个方面的考虑，适用于土壤环境的热管管材有铜、不锈钢和低碳钢等，工作介质有己烷、丙酮和乙醇等。由于热管传热的单向性，夏季机组运行时还应在水平埋管上串联空冷器，以弥补水平埋管换热能力的不足。水平埋管加入热管后，虽然增加了成本，但增加的幅度不大，且节约土地面积的效果明显，并利用热管提高水平埋管的换热效能在经济上是可行的，尤其对一些用地紧张的城镇，此技术有着更好的应用前景。