三U串联竖直地埋管换热器的研究与应用

三U串联竖直地埋管换热器的研究与应用
范献太¹   范 雄²    范  英³    
（1中铁电气化局集团公司 1四川电力设计咨询有限公司  2中铁十二局集团电气化公司）

摘要：三U串联竖直地埋管换热器，是在单U形管和双U形管的基础上进行技术改进的。其技术特征是延长水在换热管内循环时间，使其所交换的冷热量更接近理论设计值，既减少钻孔量，也可缩短施工工期，降低钻孔费用及施工总成本。

关键词：三U串联，地埋管换热器，节能降耗，换热效果 

1基本概况
    目前，地埋管换热器竖直埋管形式较多，有单U形管、双U形管、小直径螺旋盘管、大直径螺旋盘管、立柱状、蜘蛛状、套管式等形式。其中使用较为普遍的竖直地埋管是单U形管和双U形管两种，它具有占地面积小、易于组织施工等优点。该技术节能、环保、无污染，从长远利益来看，一次性投入多年受益，所以得到了推广使用，是国内外认可的一项朝阳工程，国家对采用该技术的项目给予适当的经济补贴、从事该项技术的施工专业人员进行了潜心的研究、改进和开发。为了不断改进和完善竖直地埋管技术，以降低钻孔施工成本，充分利用地热资源，对竖直地埋管单U形管和双U形管进行了工艺改进。现简要介绍改进的三U串联竖直地埋管换热器的结构、原理。
2 三U串联竖直地埋管换热器的结构原理
    2.1 单U形竖直地埋管换热器，一根支管是进水管，另一根支管是出水管，连接在一只单U形管接头上，一个钻孔内安装一个U形管换热器，分别与水平管的进、出水管口相连，构成一个闭合回路，见简图1；
    2.2 双U形竖直地埋管是将两根进水管和两根出水管接在一个双U形管并联接头上，从而将两个单U形管并联成一体，安装在一个竖直孔内构成两个闭合回路，分别与水平地埋管中的两进、两出水管口相连，见简图2；
    2.3 三U串联竖直地埋管换热器是在双U形管的结构基础上，再增加一个单U形管接头，把双U形管的一进、一出水管口，在水平地埋管以下的土壤层或者在地下恒温层内串联，在同一个竖直孔内安装三个U形管接头，然后将剩余的一进、一出水管口分别与水平地埋管中的进出水管口相连，在同一个竖直孔内构成一个闭合回路，见简图3；

 
    2.4三U串联竖直地埋管换热器的接管方式、安装工艺、放管方法、埋管回填方法与单U形管和双U形管的方法完全相同，不增加任何附加设备，只是在安装时，应注意钻孔深度和水平埋管的标高位置，使三U串联竖直埋管中最上部的一个U形管比水平地埋管低2ｍ以上，以免在施工水平埋管时碰伤，确保埋管质量。三U串联竖直地埋管换热器所使用的U形管接头可将单U形管接头组合使用，最下面的也可以采用双U形管接头，只要每隔3—4ｍ安装一个管卡支架，与安装单U形管和双U形管的操作方法相同，不让相邻竖直支管短接，确保换热效果。
3 三U串联竖直地埋管换热器的设计安装
    3.1单U形管和双U形管的钻孔深度是根据地质勘探所得的水文地质、土壤表层温度、土壤恒温层温度等资料，进行综合分析计算来确定的。为了保证换热效果，设计单位在计算换热系数时要考虑自然环境、地埋PE管传热系数、总负荷以及最大负荷等因素。
    3.2 竖直地埋管换热器传热介质与U形管内壁的对流换热热阻计算方式（计算方法及过程详见《地源热泵》杂志“技术探讨”栏目）：  
    3.4 在负荷相同的条件下，三U串联竖直地埋管换热器所需的钻孔深度，可比单U形竖直地埋管孔的深度少一些，孔径不变。以单U形竖直地埋管钻孔为例，若每个孔深为65ｍ，每个孔埋入PE管总长为130ｍ，而采用三U串联竖直地埋管技术，在满足竖直地埋管总长不变的情况下，如果按降低40％的钻孔深度计算，需钻孔39ｍ，另增加PE管26ｍ，埋入PE管增加20％，换热效果将会有所提高，确保换热质量。经过以上钻孔对比分析，使用单U形竖直地埋管和双U形竖直地埋管，在同等条件下，双U形管换热量优于单U形管，而采用三U串联竖直地埋管技术是集中了单U形管和双U形管的共同点，既解决了使用单U形管钻孔过深，工期长，钻孔成本高，又减少了双U形管进出水管接头与水平管连接过多的现象，使地源热泵竖直地埋管这道工序更加接近于理论设计水平，降低钻孔费用及成本，提高换热效果；
    3.5 三U串联竖直地埋管换热器充分利用钻孔深度和在双U形管上新增加一个U形弯头进行改进，其目的是使水在地埋管中循环热交换的行程更长一些，尽量使钻孔浅一些，在确保换热总量的同时，不多钻孔，不浪费PE管材料，同时节约了钻孔施工时间及相应涉及的用电量或油耗；
    3.6 在安装使用三U串联竖直地埋管时，应在每组水平地埋管两端的进水管和出水管处分别安装流量表、阀门和阀门井，以便于调节控制换热器系统中各组竖直管、水平地埋管、集管的平均流量，尽量使每组水平地埋管进出水的换热性能相等，集管中每个单元回路的水流量相等。可减轻由于水量分配不均、流速较低而沉淀污垢、降低地埋管换热系统使用效果的现象；同时还可以在不停机的情况下更换水平地埋管、单独检查清洗竖直地埋管、环集水管等检查维修作业；此方法也用于单U形和双U形竖直地埋管换热系统中。
4 三U串联竖直地埋管换热器的特点
    4.1 三U串联竖直地埋管换热器主要目的是降低钻孔成本费用，以65ｍ深的单U形竖直地埋管钻孔费用每米30元计算，每孔钻孔费用1950元，如果按三U串联竖直地埋管钻孔计算，钻孔费用975元，在同等条件下可降低钻孔成本达50％。而且在钻孔施工计费时，钻孔越深每米费用及成本就越高；在岩石层上钻孔费用更高，使用实用新型专利三U串联竖直地埋管换热器系统，节约的成本就更加可观了；
    4.2 各地的地质结构是十分复杂的，某些区域地下岩层高程走向不一致，钻孔越深并不一定越好，尤其是在较小的范围内钻孔越多越深，对原有的地质结构、水文走向等有较大影响，同时也会使局部地层的热换性能逐年下降。在满足系统要求的前提下，如果钻孔尽量浅一些，就能较好的保持原有的地质结构、生态平衡；
    4.3 实用新型专利三U串联竖直地埋管换热器的主要优点是，有效的利用目前市场上现有的单U形和双U形竖直地埋管的原材料、技术设备，构成三U串联系统，在施工时与现有的竖直地埋管方法一样，不增加任何施工机械设备，降低钻孔成本费用。
    4.4 值得注意的是：在采用双U形管并联接头时要变别出串联PE管的正确孔位，被免错接；在确定被串联的两根PE管连接后，应立即安装管卡，使两根管的长度相等，然后安装串联的U形管接头，最后安装剩余的两根管和管卡以及进行水压试验。
    4.5 实用新型专利三U串联竖直地埋管换热器的不足之处是热交换效率还有待于理论和实践证实，推广应用尚需时日。
5、三U串联竖直地埋管换热器的社会效益
    当前，竖直地埋管热泵技术正在各大型建筑场所如火车站、体育场馆、大型商场超市、宾馆、生活小区等安装使用，由于该项目有利于节能、环保、无污染，一次性投入，多年受益。国家为了大力推广该项技术，在财力、物力上对安装使用单位给予大力支持。三U串联竖直地埋管换热器比单U和双U竖直地埋管换热器优越，在实践中钻孔成本节约40--50％，比较简单直观，容易普及推广应用，并且不增加技术设备投资。从以上的观点来分析，专利三U串联竖直地埋管换热器具有较好的社会效益。

参考文献：
    [1]中国建筑科学研究院．GB50366-2005，地源热泵系统工程技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2005．
    [2]范献太．三U串联竖直地埋管换热器 [P]．中国：LZ200920078833.4，2009—12—02．