水平螺旋型地埋管換熱器換熱性能優化研究

(揚州大學 江蘇 揚州 225000)

地源熱泵因其具有節能高效、綠色環保及可持續利用性等優點而備受各國青睞。傳統豎直地埋管換熱器因其節省占地面積、運行穩定等優點而得到大面積推廣，但其施工難度大、鉆孔成本高。傳統水平埋管換熱器施工簡單、造價低，但其占地面積大，且換熱效率低。因此，有必要提出一種既能兼顧高效換熱，又能降低施工成本、節省占地面積的高效地埋管換熱器。

一、地埋管換熱器的不同形式、特點及應用

(一)傳統水平埋管。傳統水平地埋管換熱器屬于淺層埋設，一般埋于距地面0.8～3m處，通常采用蛇形鋪設。水平地埋管換熱器的主要特點是埋深較淺，與其發生換熱的土層屬于變溫層土壤，而變溫層的溫度分布受大氣影響較大。在相同的實驗環境中，水平蛇形地埋管換熱器由于易受到外部因素的影響，傳熱性能較差。

(二)傳統豎直U型埋管。傳統豎直地埋管換熱器是一種布置于豎向鉆孔中，與回填材料直接接觸的地埋管換熱器。其布置方式通常有三種，分為單U型、并聯雙U型、并聯三U型，其中單U型地埋管換熱器在地源熱泵系統中的應用較為廣泛。傳統豎直地埋管換熱器具有節省占地面積、運行穩定等優點，但由于其鉆孔極深，導致施工難度大、初投資較高。

(三)水平螺旋形埋管。為解決傳統豎直地埋管換熱器工程造價高、水平地埋管換熱器換熱性能較差的問題，有學者提出了螺旋型地埋管換熱器。樁基螺旋型地埋管換熱器，屬于樁基埋管形式的一種，采用螺旋盤繞的方式將地埋管換熱器設置于建筑物樁基中。雖然減少了占地面積，降低了傳統豎直埋管較高的鉆孔成本。

二、水平螺旋型地埋管換熱器國內外研究現狀

(一)國外研究。國外在螺旋式水平埋管換熱器方面比較多。Hikari Fujii等人在2013年使用單層和雙層Slinky線圈進行長期冷卻和加熱測試，(horizontal ground heat exchangers)HGHEs作為熱源，以比較它們的熱交換能力。試驗表明，通過引入雙層HGHEs，單位陸地面積的HGHE熱交換能力顯著提高。2016年，Min-Jun Kim等人通過實驗和數值分析得到水平GHE的換熱性能。以使用安裝在填充有干燥的砂的5m×1m×1m鋼箱中對水平緊密和螺旋盤管型GHE進行熱響應測試(TRTs)來評估熱交換率。研究結果表明，在水平GHE設計參數中，GHE類型和土壤熱導率是決定GHE熱交換率的主要因素。

(二)國內研究。國內針對水平埋管換熱器方面成熟的傳熱模型和設計方法的研究還較為缺乏。李志方等人利用FLUENT軟件對水平螺旋埋管換熱器的傳熱特性進行了研究。對影響水平螺旋埋管與回填材料及土壤之間傳熱特性的因素進行分析，包括具體包括管內水的流速、進口水溫、回填材料、埋設深度、螺旋環直徑、節距、防凍液等，得到了不同工況下水平螺旋埋管換熱器傳熱特性的變化規律，確定熱干擾的存在，并就螺旋環直徑、節距對熱干擾的影響進行了研究。揚州大學楊衛波、孔磊等人基于有限差分法建立了水平螺旋型地埋管換熱器的傳熱數學模型，分析了地下水滲流速度、地下水位、土壤孔隙率、土壤類型對其換熱量及其周圍土壤溫度分布的影響。得出結論，隨著地下水滲流速度和土壤孔隙率的增加，水平螺旋埋管的換熱性能提高。

三、新型水平螺旋形地埋管的設計

(一)設計方案。初步設計出一種高效水平螺旋型埋管的結構，如圖1所示。就土壤類型而言，粘土和沙地較適合螺旋形埋管系統，且土壤潮濕可以加大土壤導熱系數；對于不同螺距而言，250mm螺距最為適合；對于螺旋形埋管而言，其埋深僅需3～4m，對比于豎直型埋管50～100m的埋深，大大降低了鉆孔成本；本文中的高效水平埋管螺距為250mm，采用2×2式鋪設方式，采用水泥基回填材料，埋深3～4m，適用于粘土與沙地的土壤環境，且施工時在溝底中鋪設一定厚度的黃沙，平整后將本作品水平放置于溝中，利用水壓試驗確保不泄漏，最后利用回填材料進行回填，并將進出口管路外露于地表面，以便于與外接管道連接，在此基礎上的換熱性能能夠達到最佳狀態。

圖1 俯視圖

四、水平螺旋型地埋管換熱器設計的關鍵問題

(一)螺距大小。螺距即螺旋各圈之間的間距，其大小直接影響了螺旋管的長度以及埋管各方向的溫度分布，對螺旋管的換熱性能有很大的影響。螺距越大，螺旋管的單位管長換熱量越大，且地下空間不能被充分利用。螺距越小，越容易引起螺旋管間的熱干擾甚至短路現象，不利于螺旋管換熱。因此設計出合適的螺距十分重要。

(二)排布方式。排布方式對螺旋管的換熱性能影響重大。相較于平常的排布方式，在本文中采用了2×2式的排布方式，具體結構圖參照圖1、圖2，兩排兩列結構，每層每列埋管之間的間距根據實際負荷大小而變動，其特殊的鋪設結構能夠減小埋管的密集程度，在一定程度上會加速累積熱量的及時擴散，減小土壤熱失衡帶來的影響。

(三)埋深。對于傳統的水平埋管而言，其埋深雖然只有2m左右，但是其占地面積龐大，而豎直型埋管的埋深則有50～100m，鉆孔成本極高。由于存在這兩種顯著的缺點，致使地源熱泵無法大面積推廣，因此綜合兩者優點的水平螺旋型埋管的埋深僅需控制在3～4m，普通挖掘機即可完成，大大減小了施工成本。

五、結語

水平螺旋型地埋管換熱器的研究還不夠完善，但是，已有的研究表明，在提高地埋管換熱器的換熱性能以及結構優化方面，水平螺旋型地埋管有著廣闊的發展前景。為進一步的推廣和應用，針對各個不同影響因素對水平螺旋型地埋管換熱性能的影響是研究的重點。地源熱泵在我國可持續發展戰略的背景下，具有很大的市場發展前景。而作為與土壤換熱的重要設備，水平螺旋型埋管，因其獨特的優勢，其發展前景也是十分廣闊。