大连地源热泵系统中的地埋管换热器有哪些类型?

大连地源热泵系统中的地埋管换热器是实现与地下土壤热交换的核心部件，根据埋设方式和结构特点，主要分为以下几类：

一、按埋设深度分类

1.浅埋水平式地埋管换热器

结构特点：埋设于地表以下0.8~3米的浅层土壤中，通常采用PE管（聚乙烯管）以单管、双管或多管并联的方式水平铺设，管间距一般为1.5~3米，呈网格状或蛇形排列。

适用场景：

场地面积充裕（如郊区、农田、草坪），且浅层土壤热物性较好（导热系数＞1.5W/(m・K)）；

地下水位较低或无坚硬岩石层，便于沟槽开挖（沟深通常＜2米）。

优缺点：

优点：施工成本较低（无需钻孔设备），安装简单，适合小规模系统（如单户住宅）；

缺点：占地面积大（每千瓦制冷量需约10~15平方米场地），受地表温度波动影响较大，冬季换热效率可能下降10%~15%。

2.深埋垂直式地埋管换热器

结构特点：通过钻孔机在地下30~150米深度范围内埋设换热管，单孔直径一般为100~150毫米，孔内放置U型管（双U或单U）或同轴套管式换热器，孔间距通常为4~6米，钻孔后用膨润土与细沙混合浆（或专用回填材料）回填，确保换热管与土壤紧密接触。

适用场景：

场地面积有限（如城市建筑、紧凑型社区），需高效换热；

深层土壤热稳定性好（年温度波动＜3℃），或存在地下水径流较慢的含水层。

优缺点：

优点：占地面积小（每千瓦制冷量仅需0.5~1平方米），受地表环境影响小，换热效率稳定（较水平式高15%~25%）；

缺点：施工成本高（需专业钻孔设备，占系统总成本30%~40%），钻孔深度受地质条件限制（如岩石层需特殊破岩工艺）。

3.中深层地埋管换热器（新兴技术）

结构特点：介于水平和垂直式之间，埋深10~30米，采用螺旋盘管或水平定向钻（HDD）铺设的水平管束，结合中等深度钻孔（孔深＜30米）减少地表扰动。

适用场景：

城市绿化带、道路下方等中等深度可施工区域；

需平衡成本与效率的中小型项目（如商业建筑、小型园区）。

二、按换热器结构形式分类

1.U型管地埋管换热器

典型结构：单根或多根U型PE管插入钻孔内，管径通常为De25~De32毫米（公称外径），双U型管可增加换热面积（比单U型多30%~50%），但流体阻力也相应增大。

应用范围：常见的垂直式地埋管形式，适用于各类地质条件，尤其在土壤导热系数较高（＞2.0W/(m・K)）时效果更佳。

2.同轴套管式地埋管换热器

结构特点：内层为小管径PE管（内管），外层为大管径PE管（外管），形成环形流道，流体在内管与环隙间逆向流动（如内管走供水，环隙走回水），增大换热面积。

优势：

单位孔深换热能力强（比U型管高20%~30%），适合钻孔深度受限的场景；

流道结构简单，不易堵塞，清洗维护方便。

局限：外管管径较大（通常De63~De90毫米），钻孔直径需相应增大（≥150毫米），增加成孔成本。

3.螺旋盘管式地埋管换热器

结构特点：将PE管盘绕成螺旋状（直径0.5~1.0米），水平埋设于浅层沟槽或中深层钻孔中，通过增加盘管层数（如2~3层）提高单位体积换热面积。

适用场景：

水平式埋管中替代传统直管，减少管沟长度；

地源热泵与地热能存储结合的系统（如季节性热存储项目），利用螺旋结构增强长期热交换稳定性。

三、按传热介质分类

1.水基型地埋管换热器

介质：纯水或水-防冻液混合液（如乙二醇溶液，浓度根据当地至低温度调整，通常为20%~40%）。

应用：常用的介质类型，适用于地下水位较高或土壤含水率＞10%的区域，成本低且流动性好。

2.相变材料型地埋管换热器

介质：在管内填充相变材料（如石蜡、水合盐类），利用材料相变过程（固-液转换）储存和释放热量，减少流体流量需求。

优势：

降低循环泵能耗（流量可减少30%~50%）；

缓冲土壤温度波动，提高系统能效（COP提升5%~10%）。

现状：尚处于试验阶段，成本较高，主要用于对节能要求很高的高端项目。

四、特殊场景应用类型

1.桩基埋管式换热器

结构特点：将换热管预埋于建筑混凝土桩基内（如钻孔灌注桩），利用桩基钢筋混凝土作为导热介质，与地下土壤换热。

优势：

节省独立钻孔空间，适用于城市高层建筑（如写字楼、综合体）；

桩基深度通常＞50米，可利用深层稳定地温，换热效率比常规垂直式高10%~15%。

实施要点：需在建筑设计阶段同步规划，换热管与桩基钢筋绑扎固定，混凝土浇筑时避免管道损伤。

2.地表水耦合式换热器（间接利用）

结构形式：虽非严格意义上的“地埋管”，但常被归类于地源热泵系统，通过铺设于湖泊、河流底部的盘管（如HDPE管）与水体换热，管间距根据水深调整（通常3~5米）。

适用条件：

水体常年不结冰（或冰层厚度＜0.5米），水质清洁（悬浮物＜100mg/L）；

水深＞3米，确保盘管处于温度稳定的水层（避免受表层水温剧烈波动影响）。

选型关键因素

场地条件：面积、地质结构（岩石层占比、土壤导热系数）、地下水位；

系统负荷：冷/热需求峰值、运行时长（如全年供冷为主需考虑土壤热平衡）；

成本预算：钻孔（垂直式）或开挖（水平式）成本、管材费用（PE管单价约20~50元/米）；

能效目标：如要求COP＞4.0，优先选择垂直式U型管或同轴套管式结构。

实际项目中，垂直式U型管因综合性能均衡（效率、成本、适用性），占市场应用的70%以上；水平式多用于小型项目或改造项目；桩基埋管和地表水耦合式则是特殊场景下的创新方案。