目前地源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種形式,即水平埋管和垂直埋管。一、水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式,由于多層埋管的下層管處于一個較穩(wěn)定的溫度場,換熱效率好于單層,而且占地面積較少,因此應(yīng)用多層管的較多。近年來國外又新開發(fā)了兩種水平埋管形式,一種是扁平曲線狀管,另一種是螺旋狀管。它們的優(yōu)點是使地溝長度縮短,而可埋設(shè)的管子長度增加。管路的埋設(shè)視巖土情況,可采取挖溝或大面積開挖方法。單層管最佳深度0.8~1.0m,雙層管1.2~1.9m,應(yīng)埋在當(dāng)?shù)乇鶅鼍€以下。由于水平管埋深較淺,其埋管換熱器性能不如垂直埋管,而且施工時,占用場地大,在實際使用中,往往是單層與多層互相搭配;螺旋管優(yōu)于直管,但不易施工。二、垂直埋管
根據(jù)埋管形式的不同,一般有單U形管,雙U形管,小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管,立式柱狀管、蜘蛛狀管、套管式管等形式;按埋設(shè)深度不同分為淺埋(≤30m)、中埋(31~80m)和深埋(>80m)。
目前使用最多的是U形管、套管和單管式,下面作一簡述。
1、U形管型是在鉆孔的管井內(nèi)安裝U形管,一般管井直徑為100~150mm,井深10~200m,U形管徑一般在φ50mm以下(主要是流量不宜過大所限)。由于其施工簡單,換熱性能較好,承壓高,管路接頭少,不易泄漏等原因,目前應(yīng)用最多。
國外有的工程把U形管捆扎在樁基的鋼筋網(wǎng)架上,然后澆灌混凝土,不占用地面。
2、套管式換熱器的外管直徑一般為100~200mm,內(nèi)管為φ15~φ25mm。由于增大了管外壁與巖土的換熱面積,因此其單位井深的換熱量高,根據(jù)試驗結(jié)果,其換熱效率較U形管提高16.7%。其缺點是套管直徑及鉆孔直徑較大,下管比較困難,初投資比U形管高。在套管端部與內(nèi)管進、出水連接處不好處理,易泄漏,因此適用于深度≤30m的豎埋直管,對中埋采用此種形式宜慎重。為防止漏水,套管端部封頭部分宜由工廠加工制作,現(xiàn)場安裝,以保證嚴(yán)密性。
3、單管型在國外常稱為“熱井”,它主要用于地下水做熱源的熱泵系統(tǒng),一般來講該種型式投資較少。其安裝方法是地下水位以上用鋼套管作為護套,直徑和孔徑一致,典型孔徑為150mm。地下水位以下為自然孔洞,不加任何設(shè)施??锥粗杏幸桓鏊転闊岜脵C組供水,回水自然排放或回到管井內(nèi)。這種方式受地下水資源、國家有關(guān)政策及法規(guī)限制大。
三、地源熱泵地下埋管深度
關(guān)于豎直埋管的埋設(shè)深度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況,工程及場地的大小,投資及使用的鉆機性能等情況綜合考慮。其中有幾點應(yīng)注意:①鉆井深60m以內(nèi)井深的鉆機成本少,費用低,如果大于60m,其鉆機成本會提高;②井深80m以內(nèi),可用國產(chǎn)普通型承壓(承壓1.0MPa)塑料管,如深度大于80m,需采用高承壓塑料管,其成本大大增加;③據(jù)比較,井深50m的造價比100m的要低30%~50%。上述是針對地面機房而言,如果采用分室型的水源熱泵系統(tǒng)還要考慮建筑高度的影響。
一般來講,淺埋管優(yōu)點是:投資少,成本低,鉆機要求不高,可使用普通承壓(0.6~1.0MPa)的塑料管,由于受地面溫度影響,一般地下巖土冬夏熱平衡性較好。其缺點是占用場地面積大,管路接頭多,埋管換熱效率較中深埋者低。
深埋管優(yōu)點是:占用場地面積小,地下巖土溫度穩(wěn)定,換熱效率高,單位管長換熱量大,管路接頭少。其缺點是投資大,成本高,需采用高承壓(1.6~2.0MPa)塑料管,鉆機性能要求高;由于深層巖土溫度場受地面溫度影響很小,因此必須注意冬季吸熱量和夏季排熱量的平衡,否則將影響地源熱泵的長期使用效果。
中埋管介于淺、深埋兩者之間,塑料管可用普通承壓型的。從統(tǒng)計的國內(nèi)外工程實例看,中埋的地源熱泵占多數(shù)。
在實際工程中采用水平式還是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大,取決于場地大小、當(dāng)?shù)貛r土類型及挖掘成本。如場地足夠大且無堅硬巖石,則水平式較經(jīng)濟,如果采用布管機進行多管布置還可減少場地占用面積。
四、地源熱泵地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式串聯(lián)方式和并聯(lián)方式
在串聯(lián)系統(tǒng)中,幾個井(水平管為管溝)只有一個流通通路;并聯(lián)方式是一個井(管溝)有一個流通通路,數(shù)個井有數(shù)個流通通路。在同樣埋管的換熱量下,垂直埋管比水平埋管換熱器占地面積少73%左右。
串聯(lián)方式的優(yōu)點是:①一個回路具有單一流通通路,管內(nèi)積存的空氣容易排出;②串聯(lián)方式一般需采用較大直徑的管子,因此對于單位長度埋管換熱量來講,串聯(lián)方式換熱性能略高于并聯(lián)方式。其缺點是:①串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子,因而成本較高;②由于系統(tǒng)管徑大,在冬季氣溫低地區(qū),系統(tǒng)內(nèi)需充注的防凍液(如乙醇水溶液)多;③安裝勞動成本增大;④管路系統(tǒng)不能太長,否則系統(tǒng)阻力損失太大。
并聯(lián)方式的優(yōu)點是:①由于可用較小管徑的管子,因此成本較串聯(lián)方式低;②所需防凍液少;③安裝勞動成本低。其缺點是:①設(shè)計安裝中必須特別注意確保管內(nèi)流體流速較高,以充分排出空氣;②各并聯(lián)管道的長度盡量一致(偏差應(yīng)≤10%),以保證每個并聯(lián)回路有相同的流量;③確保每個并聯(lián)回路的進口與出口有相同的壓力,使用較大管徑的管子做集箱,可達到此目的。
從國內(nèi)外工程實踐來看,中、深埋管采用并聯(lián)方式者居多;淺埋管采用串聯(lián)方式的多。