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地源热泵地下埋管形式

来源:http://szkzzs.com/ 时间:2013-6-24

 

目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种形式,即水平埋管和垂直埋管。
一、水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式,由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场,换热效率好于单层,而且占地面积较少,因此应用多层管的较多。近年来国外又新开发了两种水平埋管形式,一种是扁平曲线状管,另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短,而可埋设的管子长度增加。管路的埋设视岩土情况,可采取挖沟或大面积开挖方法。单层管最佳深度0.8~1.0m,双层管1.2~1.9m,应埋在当地冰冻线以下。由于水平管埋深较浅,其埋管换热器性能不如垂直埋管,而且施工时,占用场地大,在实际使用中,往往是单层与多层互相搭配;螺旋管优于直管,但不易施工。

二、垂直埋管
  根据埋管形式的不同,一般有单U形管,双U形管,小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管,立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式;按埋设深度不同分为浅埋(≤30m)、中埋(31~80m)和深埋(>80m)。
  目前使用最多的是U形管、套管和单管式,下面作一简述。
  1、U形管型是在钻孔的管井内安装U形管,一般管井直径为100~150mm,井深10~200m,U形管径一般在φ50mm以下(主要是流量不宜过大所限)。由于其施工简单,换热性能较好,承压高,管路接头少,不易泄漏等原因,目前应用最多。
  国外有的工程把U形管捆扎在桩基的钢筋网架上,然后浇灌混凝土,不占用地面。

2、套管式换热器的外管直径一般为100~200mm,内管为φ15~φ25mm。由于增大了管外壁与岩土的换热面积,因此其单位井深的换热量高,根据试验结果,其换热效率较U形管提高16.7%。其缺点是套管直径及钻孔直径较大,下管比较困难,初投资比U形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理,易泄漏,因此适用于深度≤30m的竖埋直管,对中埋采用此种形式宜慎重。为防止漏水,套管端部封头部分宜由工厂加工制作,现场安装,以保证严密性。
  3、单管型在国外常称为“热井”,它主要用于地下水做热源的热泵系统,一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套,直径和孔径一致,典型孔径为150mm。地下水位以下为自然孔洞,不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水,回水自然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源、国家有关政策及法规限制大。
  三、地源热泵地下埋管深度
  关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况,工程及场地的大小,投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。其中有几点应注意:①钻井深60m以内井深的钻机成本少,费用低,如果大于60m,其钻机成本会提高;②井深80m以内,可用国产普通型承压(承压1.0MPa)塑料管,如深度大于80m,需采用高承压塑料管,其成本大大增加;③据比较,井深50m的造价比100m的要低30%~50%。上述是针对地面机房而言,如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。
  一般来讲,浅埋管优点是:投资少,成本低,钻机要求不高,可使用普通承压(0.6~1.0MPa)的塑料管,由于受地面温度影响,一般地下岩土冬夏热平衡性较好。其缺点是占用场地面积大,管路接头多,埋管换热效率较中深埋者低。
  深埋管优点是:占用场地面积小,地下岩土温度稳定,换热效率高,单位管长换热量大,管路接头少。其缺点是投资大,成本高,需采用高承压(1.6~2.0MPa)塑料管,钻机性能要求高;由于深层岩土温度场受地面温度影响很小,因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡,否则将影响地源热泵的长期使用效果。
  中埋管介于浅、深埋两者之间,塑料管可用普通承压型的。从统计的国内外工程实例看,中埋的地源热泵占多数。
  在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大,取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石,则水平式较经济,如果采用布管机进行多管布置还可减少场地占用面积。
  四、地源热泵地下埋管系统环路方式

串联方式和并联方式
  在串联系统中,几个井(水平管为管沟)只有一个流通通路;并联方式是一个井(管沟)有一个流通通路,数个井有数个流通通路。在同样埋管的换热量下,垂直埋管比水平埋管换热器占地面积少73%左右。
  串联方式的优点是:①一个回路具有单一流通通路,管内积存的空气容易排出;②串联方式一般需采用较大直径的管子,因此对于单位长度埋管换热量来讲,串联方式换热性能略高于并联方式。其缺点是:①串联方式需采用较大管径的管子,因而成本较高;②由于系统管径大,在冬季气温低地区,系统内需充注的防冻液(如乙醇水溶液)多;③安装劳动成本增大;④管路系统不能太长,否则系统阻力损失太大。
  并联方式的优点是:①由于可用较小管径的管子,因此成本较串联方式低;②所需防冻液少;③安装劳动成本低。其缺点是:①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高,以充分排出空气;②各并联管道的长度尽量一致(偏差应≤10%),以保证每个并联回路有相同的流量;③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力,使用较大管径的管子做集箱,可达到此目的。
  从国内外工程实践来看,中、深埋管采用并联方式者居多;浅埋管采用串联方式的多。

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