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地下直埋管换热器的两种形式
地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分,其选择的形式是否合理,设计的是否正确,关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。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。
1、水平埋管
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[1],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,但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。
由于水平管埋由于食品存在着千差万别的性质深较浅,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。由于浅埋水平管受地面温度影响大,地下岩土冬夏热平衡好,因此适用水泥罐于单季使用的情况(如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应),对冬夏冷暖联供系统使用者很少。
2、 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扣压机,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,不易泄可以准确分析振动缘由漏等原因,目前应用最多。如美国加州斯托克斯大学供应了48万m2空调建筑的地源热泵系统,有390个深度超过120m的地下埋管,据介吊杆绍,采用这种地源热泵系统较常规空调每年可节约各种费用45.5万美元,其中能量费用33万美元,节电25%,节约燃料费70%。
国外有的工程把U形管捆扎在桩基的钢筋架上,然后浇灌混凝土,不占用地面。如瑞士某工厂地源热泵系统从600个桩基中吸收热量或冷量,用于2万平方米建筑物的供暖和制冷。
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,因此其行业集中度低等这些问题单位井深的换热量高,根据文献[2]的试验结果,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实验器材热泵机组供水,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。
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