埋管换热器布置形式对地源热泵系统性能的影响

地埋管地源热泵的埋管形式一般可分为水平埋管和竖直埋管换热器两大类。水平埋管方式的优点是在软土地区造价较低，但由于水平埋管通常是浅层埋管，相对于竖直埋管而言，换热能力小，且占地面积相对较大，不适合我国地少人多的国情。竖直埋管换热器也就是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地埋管换热器。由于竖直埋管换热器具有占地少、工作性能稳定等优点，因此在实际运用中竖直埋管已成为主导形式。以下针对竖直埋管换热器，具体介绍其布置形式对地源热泵的影响。

埋管总长度

地埋管地源热泵设计的一个重要参数就是系统埋管或钻孔总长度。它主要决定热泵系统的供热制冷能力或热容量。若地源热泵系统设计埋管不足，将使供热制冷效果无法保证，系统运行效果降低。若设计埋管过多，将会造成浪费，增加初投资。由于地埋管换热器的投资通常占整个地源热泵系统初投资的1/3～1/2，而钻孔的成本又是地埋管换热器总投资的主要组成部分，因此地埋管或钻孔总长度是影响地源热泵系统初投资、优化系统方案的主要因素。而影响埋管长度的主要因素有土壤热物性参数、土壤初始平均温度、回填材料性质、钻孔几何尺寸、埋管管材、换热介质流量、空调冷热负荷特性、主机能效等。

埋管间距

在地埋管地源热泵系统中，埋管间距直接影响换热器换热效果、占地面积以及项目初投资。当增加埋管间距时，由于埋管周围土壤体积增加，可以有效降低相邻埋管间的热干扰，使得土壤温度场较容易得到恢复，换热效果提高，但同时增加了埋管总长度，初投资增加，埋管换热器所占的面积也增加。在实际工程应用中，埋管间距一般根据有关经验资料确定，U形管管井的水平间距一般为4.5 m，有人认为长期间歇运行的地掘热泵垂直埋管间距在3 m左右较适合；有人建议取热（冬季）时埋管间距取4 m，放热（夏季）时埋管间距取约5 m，综合考虑冬夏季工况，U形管埋地换热器管间距不小于5 m；有人认为经U形埋管冬夏长时间运行的测试埋管换热器的影响半径为2.5～3 m，因此埋管换热器系统的孔间距常在5～6 m（推荐3～6 m）。

埋管深度

埋管深度对地埋管地源热泵系统的换热器效率及经济性有很大的影响。增加埋管深度可以提高单位埋孔换热量及机组性能，节省埋管管群的占地面积，但随埋管深度增加其土间的温差逐渐减小，换热能力逐渐减弱，同时会增大钻井难度及成本，而且对埋管管材的承压能力提出更高的要求；当埋管深度较浅时，埋管难以与土壤进行有效地换热，且占地面积较大，使热泵系统的应用性受到限制。由于埋管深度对系统运行时埋管换热器的影响半径有一定的影响，因此，设计埋管深度时，应针对具体工程综合考虑当地地质条件、埋管间距及管材选择等因素。

钻孔直径

埋管钻孔直径的大小主要受埋管支管间距的影响。钻孔直径越大，埋管支管间距越大，可以降低进水管与出水管间的热短路现象，有利于增加埋地换热器的换热量。但同时导致钻孔费用上升，回填材料费用增加。钻孔直径过小，埋管支管间距减小，两支管间会出现相互换热的现象（热短路现象），导致进出口温差减小，埋地换热器性能降低。目前我国的实际工程中钻孔直径通常为1l0～150 mm。

埋管管径

在地源热泵系统工程中，埋管换热器最常用的U形管规格为De25×2.3、De32×3.0、De40×3.7三种。根据大量工程经验和计算，增大U形管的管径对埋管换热器的效果影响在5%之内，影响较小，所以选用De25×2.3管比选用De32×3.0、De40×3.7管能取得更大的性能价格比。但也应考虑选用管径较小的管子，管壁較薄，相对刚度小，在施工中可能造成U形管扭曲变形的问题。同时，选择埋管管径时，应兼顾换热效果、压力损失及对埋管内循环流量的影响。endprint