水平螺旋型地埋管换热器换热性能优化研究

(扬州大学 江苏 扬州 225000)

地源热泵因其具有节能高效、绿色环保及可持续利用性等优点而备受各国青睐。传统竖直地埋管换热器因其节省占地面积、运行稳定等优点而得到大面积推广，但其施工难度大、钻孔成本高。传统水平埋管换热器施工简单、造价低，但其占地面积大，且换热效率低。因此，有必要提出一种既能兼顾高效换热，又能降低施工成本、节省占地面积的高效地埋管换热器。

一、地埋管换热器的不同形式、特点及应用

(一)传统水平埋管。传统水平地埋管换热器属于浅层埋设，一般埋于距地面0.8～3m处，通常采用蛇形铺设。水平地埋管换热器的主要特点是埋深较浅，与其发生换热的土层属于变温层土壤，而变温层的温度分布受大气影响较大。在相同的实验环境中，水平蛇形地埋管换热器由于易受到外部因素的影响，传热性能较差。

(二)传统竖直U型埋管。传统竖直地埋管换热器是一种布置于竖向钻孔中，与回填材料直接接触的地埋管换热器。其布置方式通常有三种，分为单U型、并联双U型、并联三U型，其中单U型地埋管换热器在地源热泵系统中的应用较为广泛。传统竖直地埋管换热器具有节省占地面积、运行稳定等优点，但由于其钻孔极深，导致施工难度大、初投资较高。

(三)水平螺旋形埋管。为解决传统竖直地埋管换热器工程造价高、水平地埋管换热器换热性能较差的问题，有学者提出了螺旋型地埋管换热器。桩基螺旋型地埋管换热器，属于桩基埋管形式的一种，采用螺旋盘绕的方式将地埋管换热器设置于建筑物桩基中。虽然减少了占地面积，降低了传统竖直埋管较高的钻孔成本。

二、水平螺旋型地埋管换热器国内外研究现状

(一)国外研究。国外在螺旋式水平埋管换热器方面比较多。Hikari Fujii等人在2013年使用单层和双层Slinky线圈进行长期冷却和加热测试，(horizontal ground heat exchangers)HGHEs作为热源，以比较它们的热交换能力。试验表明，通过引入双层HGHEs，单位陆地面积的HGHE热交换能力显着提高。2016年，Min-Jun Kim等人通过实验和数值分析得到水平GHE的换热性能。以使用安装在填充有干燥的砂的5m×1m×1m钢箱中对水平紧密和螺旋盘管型GHE进行热响应测试(TRTs)来评估热交换率。研究结果表明，在水平GHE设计参数中，GHE类型和土壤热导率是决定GHE热交换率的主要因素。

(二)国内研究。国内针对水平埋管换热器方面成熟的传热模型和设计方法的研究还较为缺乏。李志方等人利用FLUENT软件对水平螺旋埋管换热器的传热特性进行了研究。对影响水平螺旋埋管与回填材料及土壤之间传热特性的因素进行分析，包括具体包括管内水的流速、进口水温、回填材料、埋设深度、螺旋环直径、节距、防冻液等，得到了不同工况下水平螺旋埋管换热器传热特性的变化规律，确定热干扰的存在，并就螺旋环直径、节距对热干扰的影响进行了研究。扬州大学杨卫波、孔磊等人基于有限差分法建立了水平螺旋型地埋管换热器的传热数学模型，分析了地下水渗流速度、地下水位、土壤孔隙率、土壤类型对其换热量及其周围土壤温度分布的影响。得出结论，随着地下水渗流速度和土壤孔隙率的增加，水平螺旋埋管的换热性能提高。

三、新型水平螺旋形地埋管的设计

(一)设计方案。初步设计出一种高效水平螺旋型埋管的结构，如图1所示。就土壤类型而言，粘土和沙地较适合螺旋形埋管系统，且土壤潮湿可以加大土壤导热系数；对于不同螺距而言，250mm螺距最为适合；对于螺旋形埋管而言，其埋深仅需3～4m，对比于竖直型埋管50～100m的埋深，大大降低了钻孔成本；本文中的高效水平埋管螺距为250mm，采用2×2式铺设方式，采用水泥基回填材料，埋深3～4m，适用于粘土与沙地的土壤环境，且施工时在沟底中铺设一定厚度的黄沙，平整后将本作品水平放置于沟中，利用水压试验确保不泄漏，最后利用回填材料进行回填，并将进出口管路外露于地表面，以便于与外接管道连接，在此基础上的换热性能能够达到最佳状态。

图1 俯视图

四、水平螺旋型地埋管换热器设计的关键问题

(一)螺距大小。螺距即螺旋各圈之间的间距，其大小直接影响了螺旋管的长度以及埋管各方向的温度分布，对螺旋管的换热性能有很大的影响。螺距越大，螺旋管的单位管长换热量越大，且地下空间不能被充分利用。螺距越小，越容易引起螺旋管间的热干扰甚至短路现象，不利于螺旋管换热。因此设计出合适的螺距十分重要。

(二)排布方式。排布方式对螺旋管的换热性能影响重大。相较于平常的排布方式，在本文中采用了2×2式的排布方式，具体结构图参照图1、图2，两排两列结构，每层每列埋管之间的间距根据实际负荷大小而变动，其特殊的铺设结构能够减小埋管的密集程度，在一定程度上会加速累积热量的及时扩散，减小土壤热失衡带来的影响。

(三)埋深。对于传统的水平埋管而言，其埋深虽然只有2m左右，但是其占地面积庞大，而竖直型埋管的埋深则有50～100m，钻孔成本极高。由于存在这两种显著的缺点，致使地源热泵无法大面积推广，因此综合两者优点的水平螺旋型埋管的埋深仅需控制在3～4m，普通挖掘机即可完成，大大减小了施工成本。

五、结语

水平螺旋型地埋管换热器的研究还不够完善，但是，已有的研究表明，在提高地埋管换热器的换热性能以及结构优化方面，水平螺旋型地埋管有着广阔的发展前景。为进一步的推广和应用，针对各个不同影响因素对水平螺旋型地埋管换热性能的影响是研究的重点。地源热泵在我国可持续发展战略的背景下，具有很大的市场发展前景。而作为与土壤换热的重要设备，水平螺旋型埋管，因其独特的优势，其发展前景也是十分广阔。