三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的研究與應(yīng)用
范獻太¹   范 雄²    范  英³    
（1中鐵電氣化局集團公司 1四川電力設(shè)計咨詢有限公司  2中鐵十二局集團電氣化公司）

摘要：三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器，是在單U形管和雙U形管的基礎(chǔ)上進行技術(shù)改進的。其技術(shù)特征是延長水在換熱管內(nèi)循環(huán)時間，使其所交換的冷熱量更接近理論設(shè)計值，既減少鉆孔量，也可縮短施工工期，降低鉆孔費用及施工總成本。

關(guān)鍵詞：三U串聯(lián)，地埋管換熱器，節(jié)能降耗，換熱效果 

1基本概況
    目前，地埋管換熱器豎直埋管形式較多，有單U形管、雙U形管、小直徑螺旋盤管、大直徑螺旋盤管、立柱狀、蜘蛛狀、套管式等形式。其中使用較為普遍的豎直地埋管是單U形管和雙U形管兩種，它具有占地面積小、易于組織施工等優(yōu)點。該技術(shù)節(jié)能、環(huán)保、無污染，從長遠利益來看，一次性投入多年受益，所以得到了推廣使用，是國內(nèi)外認可的一項朝陽工程，國家對采用該技術(shù)的項目給予適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟補貼、從事該項技術(shù)的施工專業(yè)人員進行了潛心的研究、改進和開發(fā)。為了不斷改進和完善豎直地埋管技術(shù)，以降低鉆孔施工成本，充分利用地?zé)豳Y源，對豎直地埋管單U形管和雙U形管進行了工藝改進?，F(xiàn)簡要介紹改進的三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)、原理。
2 三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)原理
    2.1 單U形豎直地埋管換熱器，一根支管是進水管，另一根支管是出水管，連接在一只單U形管接頭上，一個鉆孔內(nèi)安裝一個U形管換熱器，分別與水平管的進、出水管口相連，構(gòu)成一個閉合回路，見簡圖1；
    2.2 雙U形豎直地埋管是將兩根進水管和兩根出水管接在一個雙U形管并聯(lián)接頭上，從而將兩個單U形管并聯(lián)成一體，安裝在一個豎直孔內(nèi)構(gòu)成兩個閉合回路，分別與水平地埋管中的兩進、兩出水管口相連，見簡圖2；
    2.3 三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器是在雙U形管的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，再增加一個單U形管接頭，把雙U形管的一進、一出水管口，在水平地埋管以下的土壤層或者在地下恒溫層內(nèi)串聯(lián)，在同一個豎直孔內(nèi)安裝三個U形管接頭，然后將剩余的一進、一出水管口分別與水平地埋管中的進出水管口相連，在同一個豎直孔內(nèi)構(gòu)成一個閉合回路，見簡圖3；

 
    2.4三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的接管方式、安裝工藝、放管方法、埋管回填方法與單U形管和雙U形管的方法完全相同，不增加任何附加設(shè)備，只是在安裝時，應(yīng)注意鉆孔深度和水平埋管的標(biāo)高位置，使三U串聯(lián)豎直埋管中最上部的一個U形管比水平地埋管低2ｍ以上，以免在施工水平埋管時碰傷，確保埋管質(zhì)量。三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器所使用的U形管接頭可將單U形管接頭組合使用，最下面的也可以采用雙U形管接頭，只要每隔3—4ｍ安裝一個管卡支架，與安裝單U形管和雙U形管的操作方法相同，不讓相鄰豎直支管短接，確保換熱效果。
3 三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的設(shè)計安裝
    3.1單U形管和雙U形管的鉆孔深度是根據(jù)地質(zhì)勘探所得的水文地質(zhì)、土壤表層溫度、土壤恒溫層溫度等資料，進行綜合分析計算來確定的。為了保證換熱效果，設(shè)計單位在計算換熱系數(shù)時要考慮自然環(huán)境、地埋PE管傳熱系數(shù)、總負荷以及最大負荷等因素。
    3.2 豎直地埋管換熱器傳熱介質(zhì)與U形管內(nèi)壁的對流換熱熱阻計算方式（計算方法及過程詳見《地源熱泵》雜志“技術(shù)探討”欄目）：  
    3.4 在負荷相同的條件下，三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器所需的鉆孔深度，可比單U形豎直地埋管孔的深度少一些，孔徑不變。以單U形豎直地埋管鉆孔為例，若每個孔深為65ｍ，每個孔埋入PE管總長為130ｍ，而采用三U串聯(lián)豎直地埋管技術(shù)，在滿足豎直地埋管總長不變的情況下，如果按降低40％的鉆孔深度計算，需鉆孔39ｍ，另增加PE管26ｍ，埋入PE管增加20％，換熱效果將會有所提高，確保換熱質(zhì)量。經(jīng)過以上鉆孔對比分析，使用單U形豎直地埋管和雙U形豎直地埋管，在同等條件下，雙U形管換熱量優(yōu)于單U形管，而采用三U串聯(lián)豎直地埋管技術(shù)是集中了單U形管和雙U形管的共同點，既解決了使用單U形管鉆孔過深，工期長，鉆孔成本高，又減少了雙U形管進出水管接頭與水平管連接過多的現(xiàn)象，使地源熱泵豎直地埋管這道工序更加接近于理論設(shè)計水平，降低鉆孔費用及成本，提高換熱效果；
    3.5 三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器充分利用鉆孔深度和在雙U形管上新增加一個U形彎頭進行改進，其目的是使水在地埋管中循環(huán)熱交換的行程更長一些，盡量使鉆孔淺一些，在確保換熱總量的同時，不多鉆孔，不浪費PE管材料，同時節(jié)約了鉆孔施工時間及相應(yīng)涉及的用電量或油耗；
    3.6 在安裝使用三U串聯(lián)豎直地埋管時，應(yīng)在每組水平地埋管兩端的進水管和出水管處分別安裝流量表、閥門和閥門井，以便于調(diào)節(jié)控制換熱器系統(tǒng)中各組豎直管、水平地埋管、集管的平均流量，盡量使每組水平地埋管進出水的換熱性能相等，集管中每個單元回路的水流量相等?？蓽p輕由于水量分配不均、流速較低而沉淀污垢、降低地埋管換熱系統(tǒng)使用效果的現(xiàn)象；同時還可以在不停機的情況下更換水平地埋管、單獨檢查清洗豎直地埋管、環(huán)集水管等檢查維修作業(yè)；此方法也用于單U形和雙U形豎直地埋管換熱系統(tǒng)中。
4 三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的特點
    4.1 三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器主要目的是降低鉆孔成本費用，以65ｍ深的單U形豎直地埋管鉆孔費用每米30元計算，每孔鉆孔費用1950元，如果按三U串聯(lián)豎直地埋管鉆孔計算，鉆孔費用975元，在同等條件下可降低鉆孔成本達50％。而且在鉆孔施工計費時，鉆孔越深每米費用及成本就越高；在巖石層上鉆孔費用更高，使用實用新型專利三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器系統(tǒng)，節(jié)約的成本就更加可觀了；
    4.2 各地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的，某些區(qū)域地下巖層高程走向不一致，鉆孔越深并不一定越好，尤其是在較小的范圍內(nèi)鉆孔越多越深，對原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文走向等有較大影響，同時也會使局部地層的熱換性能逐年下降。在滿足系統(tǒng)要求的前提下，如果鉆孔盡量淺一些，就能較好的保持原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、生態(tài)平衡；
    4.3 實用新型專利三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的主要優(yōu)點是，有效的利用目前市場上現(xiàn)有的單U形和雙U形豎直地埋管的原材料、技術(shù)設(shè)備，構(gòu)成三U串聯(lián)系統(tǒng)，在施工時與現(xiàn)有的豎直地埋管方法一樣，不增加任何施工機械設(shè)備，降低鉆孔成本費用。
    4.4 值得注意的是：在采用雙U形管并聯(lián)接頭時要變別出串聯(lián)PE管的正確孔位，被免錯接；在確定被串聯(lián)的兩根PE管連接后，應(yīng)立即安裝管卡，使兩根管的長度相等，然后安裝串聯(lián)的U形管接頭，最后安裝剩余的兩根管和管卡以及進行水壓試驗。
    4.5 實用新型專利三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的不足之處是熱交換效率還有待于理論和實踐證實，推廣應(yīng)用尚需時日。
5、三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器的社會效益
    當(dāng)前，豎直地埋管熱泵技術(shù)正在各大型建筑場所如火車站、體育場館、大型商場超市、賓館、生活小區(qū)等安裝使用，由于該項目有利于節(jié)能、環(huán)保、無污染，一次性投入，多年受益。國家為了大力推廣該項技術(shù)，在財力、物力上對安裝使用單位給予大力支持。三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器比單U和雙U豎直地埋管換熱器優(yōu)越，在實踐中鉆孔成本節(jié)約40--50％，比較簡單直觀，容易普及推廣應(yīng)用，并且不增加技術(shù)設(shè)備投資。從以上的觀點來分析，專利三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器具有較好的社會效益。

參考文獻：
    [1]中國建筑科學(xué)研究院．GB50366-2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005．
    [2]范獻太．三U串聯(lián)豎直地埋管換熱器 [P]．中國：LZ200920078833.4，2009—12—02．