埋管換熱器布置形式對(duì)地源熱泵系統(tǒng)性能的影響

地埋管地源熱泵的埋管形式一般可分為水平埋管和豎直埋管換熱器兩大類。水平埋管方式的優(yōu)點(diǎn)是在軟土地區(qū)造價(jià)較低，但由于水平埋管通常是淺層埋管，相對(duì)于豎直埋管而言，換熱能力小，且占地面積相對(duì)較大，不適合我國(guó)地少人多的國(guó)情。豎直埋管換熱器也就是在若干豎直鉆孔中設(shè)置地下埋管的地埋管換熱器。由于豎直埋管換熱器具有占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際運(yùn)用中豎直埋管已成為主導(dǎo)形式。以下針對(duì)豎直埋管換熱器，具體介紹其布置形式對(duì)地源熱泵的影響。

埋管總長(zhǎng)度

地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)就是系統(tǒng)埋管或鉆孔總長(zhǎng)度。它主要決定熱泵系統(tǒng)的供熱制冷能力或熱容量。若地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)埋管不足，將使供熱制冷效果無(wú)法保證，系統(tǒng)運(yùn)行效果降低。若設(shè)計(jì)埋管過(guò)多，將會(huì)造成浪費(fèi)，增加初投資。由于地埋管換熱器的投資通常占整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)初投資的1/3～1/2，而鉆孔的成本又是地埋管換熱器總投資的主要組成部分，因此地埋管或鉆孔總長(zhǎng)度是影響地源熱泵系統(tǒng)初投資、優(yōu)化系統(tǒng)方案的主要因素。而影響埋管長(zhǎng)度的主要因素有土壤熱物性參數(shù)、土壤初始平均溫度、回填材料性質(zhì)、鉆孔幾何尺寸、埋管管材、換熱介質(zhì)流量、空調(diào)冷熱負(fù)荷特性、主機(jī)能效等。

埋管間距

在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中，埋管間距直接影響換熱器換熱效果、占地面積以及項(xiàng)目初投資。當(dāng)增加埋管間距時(shí)，由于埋管周圍土壤體積增加，可以有效降低相鄰埋管間的熱干擾，使得土壤溫度場(chǎng)較容易得到恢復(fù)，換熱效果提高，但同時(shí)增加了埋管總長(zhǎng)度，初投資增加，埋管換熱器所占的面積也增加。在實(shí)際工程應(yīng)用中，埋管間距一般根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)資料確定，U形管管井的水平間距一般為4.5 m，有人認(rèn)為長(zhǎng)期間歇運(yùn)行的地掘熱泵垂直埋管間距在3 m左右較適合；有人建議取熱（冬季）時(shí)埋管間距取4 m，放熱（夏季）時(shí)埋管間距取約5 m，綜合考慮冬夏季工況，U形管埋地?fù)Q熱器管間距不小于5 m；有人認(rèn)為經(jīng)U形埋管冬夏長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的測(cè)試埋管換熱器的影響半徑為2.5～3 m，因此埋管換熱器系統(tǒng)的孔間距常在5～6 m（推薦3～6 m）。

埋管深度

埋管深度對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的換熱器效率及經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。增加埋管深度可以提高單位埋孔換熱量及機(jī)組性能，節(jié)省埋管管群的占地面積，但隨埋管深度增加其土間的溫差逐漸減小，換熱能力逐漸減弱，同時(shí)會(huì)增大鉆井難度及成本，而且對(duì)埋管管材的承壓能力提出更高的要求；當(dāng)埋管深度較淺時(shí)，埋管難以與土壤進(jìn)行有效地?fù)Q熱，且占地面積較大，使熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用性受到限制。由于埋管深度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)埋管換熱器的影響半徑有一定的影響，因此，設(shè)計(jì)埋管深度時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體工程綜合考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、埋管間距及管材選擇等因素。

鉆孔直徑

埋管鉆孔直徑的大小主要受埋管支管間距的影響。鉆孔直徑越大，埋管支管間距越大，可以降低進(jìn)水管與出水管間的熱短路現(xiàn)象，有利于增加埋地?fù)Q熱器的換熱量。但同時(shí)導(dǎo)致鉆孔費(fèi)用上升，回填材料費(fèi)用增加。鉆孔直徑過(guò)小，埋管支管間距減小，兩支管間會(huì)出現(xiàn)相互換熱的現(xiàn)象（熱短路現(xiàn)象），導(dǎo)致進(jìn)出口溫差減小，埋地?fù)Q熱器性能降低。目前我國(guó)的實(shí)際工程中鉆孔直徑通常為1l0～150 mm。

埋管管徑

在地源熱泵系統(tǒng)工程中，埋管換熱器最常用的U形管規(guī)格為De25×2.3、De32×3.0、De40×3.7三種。根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，增大U形管的管徑對(duì)埋管換熱器的效果影響在5%之內(nèi)，影響較小，所以選用De25×2.3管比選用De32×3.0、De40×3.7管能取得更大的性能價(jià)格比。但也應(yīng)考慮選用管徑較小的管子，管壁較薄，相對(duì)剛度小，在施工中可能造成U形管扭曲變形的問(wèn)題。同時(shí)，選擇埋管管徑時(shí)，應(yīng)兼顧換熱效果、壓力損失及對(duì)埋管內(nèi)循環(huán)流量的影響。endprint