以导热塑料管作为地下换热器的换热能力分析
摘要：对导热塑料管作为地源热泵系统地下换热器的换热能力做了分析，其单位管长换热能力比普通PE管夏季提高约16.8％，冬季提高约16.4％，在地埋管地源热泵系统中具有广泛的应用前景。
0·引言
地源热泵系统作为一种利用可再生能源的暖通空调新技术，是国际上通用的高效节能技术，在我国也有十几年的发展历史。地源热泵系统分为地埋管、地下水、地表水地源热泵系统等几种形式。地埋管地源热泵系统同利用地下水、地表水为低位热源的水源热泵相比，具有使用范围广，不受地下水、地表水资源限制等优势，应用前景更为广泛。
地埋管地源热泵系统又分为水平地埋管和竖直地埋管。水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资相对较低，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：1）U型管；2）套管型；3）单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用最多，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，最深的U型管埋深已达180m[1，2]。
1·地埋管管材
一旦将换热器埋入地下后，一般不会进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。对于垂直式换热器，我们对所用管材有如下要求：
（1）管壁薄、热传导率高；
（2）抗冲击、耐压力、耐腐蚀、寿命长；
（3）连接方式简单、施工方便。
目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔而形成更牢固的形状，可以保证使用50a以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。
源牌导热塑料管运用熔融插层技术—也就是说，高聚物在熔融状态下直接插层于层状结构的导热助剂中，使其均匀分散在聚合物中，形成导热网络。已成功应用于国内多项中央空调系统工程，其导热性能是普通塑料的3～5倍，其性能参数见表2、表3。可见如果将其作为地埋管换热器相对普通塑料具有一定的优势。
2·导热塑料地埋管换热器换热能力分析
2.1建立模型
采用线热源理论及热阻网络分析方法，建立地下岩土垂直管换热器传热理论模型。模型简化假定：
（1）地层是初始温度均匀的无限大介质，其热物性均匀且不随温度变化；
（2）忽略深度方向的传热，只考虑径向的一维传热；
（3）忽略钻孔的几何尺度，把它近似为轴心上的线热源。
垂直埋管换热器对应4个热阻为：R（1对流换热）、R（2换热管管壁导热）、R（3回填物内部导热）、R（4大地热阻）[3，4]。
2.2基础数据
（5）填料：混凝土与细河沙，导热系数λ＝2.2 W/（m·℃）；
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sp; （6）地下换热器进/出水温度：假设夏季制冷工况为30℃/25℃，冬季制热工况为5℃/10℃。
2.3换热计算（夏季制冷工况分析）
2.3.1上层土壤（0～10m）
（1）大地热阻R4。大地导热为非稳态导热，采用经验公式：
2.3.3大地初始温度
受地表面空气温度和太阳对地表面辐射作用以及地温梯度的影响，地表层温度发生日间的变化和年间的变化，其温度变化规律可用包含零阶谐量和第一阶谐量的关系式来描述：
井深单位长度平均换热量ql＝（67.5×10+72.6×90）/100＝72.1（W/m）；
有效利用系数η：考虑管间传热、短路等现象的影响，以及土壤与管道换热的相互干扰，取η＝0.75。导热塑料管作为地下换热管夏季单位长度换热量：qlx=72.1×0.75＝54.1（W/m）。
2.4与P E塑料管的比较
如果采用PE作为管材：Φ32×3，λ＝0.35 W/（m·℃）。
有效利用系数η：考虑管间传热、短路等现象的影响，以及土壤与管道换热的相互干扰，取η＝0.75。导热塑料管作为地下换热管，冬季单位长度换热量：qld＝33.1×0.75＝24.8（W/m）。
2.5.2采用PE作为管材，Φ32×3，λ＝0.35 W/（m·℃）；
（1）上层土壤R2′＝0.0475 m·℃/W，R′＝0.0038+0.0475+0.045+0.136＝0.2323（m·℃/W），K′＝1/R′＝4.3 W（/m·℃）；
ql1′=K′＝（14-7.5）×4.3＝28（W/m）；
（2）下层土壤R2′＝0.0475 m·℃/W，R′＝0.0038+0.0475+0.045+0.125＝0.2213（m·℃/W），K′＝1/R′＝4.52 W（/m·℃）；
ql2′=K′＝（13.8-7.5）×4.52＝28.5（W/m）；
（3）地下换热器单位长度平均换热量ql′＝（28×10+28.5×90）/100＝28.45（W/m）；
有效利用系数η：考虑管间传热、短路等现象的影响，以及土壤与管道换热的相互干扰，取η＝0.75。PE管作为地下换热管冬季单位长度换热量：qld′＝28.45×0.75＝21.3（W/m）。
可见：冬季导热塑料管比PE管单位管长换热能力提高约16.4％。
3·结语
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sp; 本文通过建立模型，分析计算以导热塑料管作为地下换热器的换热能力，得出结论是：导热塑料管比普通PE管的单位管长换热能力，在夏季制冷工况下提高约16.8％，冬季供热工况下提高约16.4％，在地埋管地源热泵系统中具有广泛的应用前景。
参考文献：
[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第二版.中国建筑工业出版社，2008.
[2]徐伟，等（译）.地源热泵工程技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]吴永华，何雪冰，等.U型垂直换热器地源热泵夏季供冷测试及传热模型[J].建筑热能通风空调，2003，（1）.
[4]张林华，曲云霞，等.闭环地源热泵系统设计研究[J].西安建筑科技大学学报，2004，（1）.
[5]寿青云，陈汝东，吴新民.封闭环路地源热泵地下换热器的选择和设计[J].流体机械，2001，（9）.
作者：1.深圳奥意建筑工程设计有限公司，广东深圳518031；2.杭州华电华源环境工程有限公司，浙江杭州310030；3.上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240
