地源热泵垂直埋管换热器埋深优化研究

地源热泵垂直埋管换热器埋深优化研究

佘宇豪

南京丰盛新能源科技股份有限公司 江苏省南京市 210000

摘要：科技的进步，促进工程建设事业得到快速发展。工程设计中常采用垂直深埋换热器的方式保证地源热泵系统的单井换热量，而实际应用中部分深度埋管换热效果不佳，造成了系统工程经济性下降的问题，本文就地源热泵垂直埋管换热器埋深优化展开探讨。

关键词：地源热泵；换热性能；热响应实验

引言

地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件。其换热过程是一个复杂的非稳态的过程。影响其换热性能的主要因素有：土壤的物理特性（密度、比热、湿度等）、管内工质流量、工质进口温度、钻孔的相关参数（数量、回填材料、布置形式等）、地下水渗流等。

1地下埋管换热器类型

地埋管换热器有水平和竖直2种埋管方式。当可利用地表面积较大，浅层岩土体的温度及热物性受气候、雨水、埋设深度影响较小时，宜采用水平地埋管换热器。否则，宜采用竖直地埋管换热器。水平埋管由于占地面积较大，除了在单元住宅等建筑中能有一定的应用外，其他中大型建筑形式中的应用较为有限。为了提高单位占地面积的换热量，需要考虑利用沿垂直方向的岩土层的蓄热作用，如设置多层盘管等。若水平埋管埋深较浅(如在2m以内)则热泵运行后地温可在下1个运行季节到来时通过与地面的传热而恢复，但埋深较深时，地温却只能部分恢复。因此，对于多层埋深较深的水平管地下埋管换热器，在应用上往往需要结合太阳能进行热补偿或应用于冬、夏两季冷热联供使用，以克服上述问题。与水平埋管相比，垂直埋管方案更具有大型工程的实际意义，垂直埋管方式可以在较小的占地面积下获得较大的换热能力，但同时必须考虑的是地温恢复问题。地下垂直埋管换热器有2种基本形式:U型管式和套管式，U型管式埋管换热器可以用于埋深特别深的工程中，原因是其具有安装方便，不易出现渗漏等优点。目前利用U型管式埋管换热器的埋深可达180m。套管式埋管换热器则可以充分利用钻孔资源，由于其外表面与岩土间的换热面积较大，因此换热能力比U型管高，进行的对比实验证明了此点，发现套管式埋管换热器的单位孔深换热性能比U型管要高16%。但是套管式埋管换热器却存在结构复杂、有渗漏担心及不能用于钻孔深度很深的场合等不足。

2地埋管换热器的传热理论分析

（1）单个地埋管换热器的传热模型。地下土壤可以看作是一个半无限大的介质，单个地埋管换热器的径向尺寸较小相比土壤尺寸可以忽略，因此可以将地埋管换热器看做是一个有限长的线热源。根据传热学理论中的有限长线热源模型，可以建立地埋管换热器的三维瞬态温度响应方程。采用虚拟热源和格林函数法，可以得到半无限大介质中有限长线热源产生的非稳态温度场的解析解表达式。由于考虑了垂直方向上的传热影响，该模型与无限长线热源相比，温度响应结果更加容易收敛。土壤温度响应公式如下式所示

（1）

将温度、长度、半径和时间无量纲化，Θ=λθ/q_l，Z=z/r0，H'=h'/r0，Ｒ=r/r0，F_o=aτ/r02，得到无量纲方程

（2）

式中，h₁、h₂为地埋管上端与下端的深度，m;r为研究点距离地埋管换热器的水平距离，m;z为研究点的垂直深度，m;λ为土壤的导热系数，W/(m·℃);a为土壤的热扩散系数，m²/s;r0为地埋管换热器的半径，m;τ为时间，s;ql为线热源的强度，W/m;θ为土壤与地埋管的温差(即过余温度)，℃。（2）单个地埋管换热器的换热性能。利用MATLAB软件根据式(2)编程，可以得到地埋管换热器周边任意点的无量纲温度。假设地埋管半径为1、高度h₁=0、h₂=100，则地埋管水平距离R=1(无量纲)、垂直深度Z=50(无量纲)处的某一点任意时间Fo的无量纲温度如图1所示。从图中可以看出，Rr=1处的过余温度随着时间的增加而增加，并且在时间增加到一定程度后过余温度趋于稳定。由于地下土壤近似无限大，可以认为土壤温度将保持恒定。经过长时间运行之后(48h)，地埋管与土壤充分换热因而壁面温度也基本不变。此时，可以根据有限长线热源模型计算得到无量纲温度。假设土壤初始温度t0=15℃，土壤热扩散率为a=0.85×10－6m2/s，土壤导热系数λ=1.76W/(m·℃);地源热泵热源侧夏季设计进出水温度为35/30℃，冬季设计进出水温度为2/7℃;地埋管尺寸为DN25，埋管深度h=100m。因此，运行48h后的无量纲时间Fo=235，地埋管深度50m处的壁面水平距离Ｒ=1、垂直距离Z=50，则根据式2计算得到无量纲温度Θ=0.498。根据Θ=λθ/ql，过余温度θ为设计进出水温度的平均值与土壤温度的差值，夏季θ=17.5℃，冬季θ=10.5℃。因此，夏季地埋管每延米换热量为61.8W/m，冬季地埋管每延米换热量为37.1W/m。地埋管换热器的传热理论分析可见，冬季地埋管换热能力要远低于夏季。

图一有限长线热源模型额温度相应曲线

3地埋管换热器的实验运行分析

由于埋管换热器的换热量和系统的性能系数与冷凝温度、蒸发温度、流过冷凝器与蒸发器的水流量、系统的负荷率等相关，因此对地源热泵实验系统进行了一个夏季的测试，通过不同的运行和控制模式来改变进入冷凝器、蒸发器的水量，并在工况模式稳定的情况下，测得各工况点的参数，分析比较不同的运行模式对热泵系统性能的影响，并将测试结果整理成与这些运行模式相对应的关系曲线图。实验对比分析几种流速情况下温度场的变化情况，A、B井深50m，C、D井深70m；地埋管换热器管材选用HDPE100，公称外径32mm，公称壁厚3.0mm；地源热泵主机选用的是美意空调设备有限公司生产的水-水式水源热泵机组，机组型号：J043WLD-HLA/AS；末端采用的风机盘管，由空调集团股份有限公司生产，型号136WAGXJY，共两台；各测点的温度采用武汉正辰科技发展有限公司生产的型号为WZP-020P的pt100探头，测温范围±50℃。实验室建成后对系统埋管换热器与机组的性能匹配进行了调试。发现单个50m或者70m深钻孔内埋管单独运行时，热泵机组不能启动。考虑到实验的可行性，文中实验均建立在保证机组能够运行的基础上测试A管的运行情况。

4地源热泵系统区域适应性评价技术

在综述总结近年来地源热泵技术开发过程中的经验与教训、确定不同水资源及地质背景下水源地源热泵系统的应用条件与适用范围的基础上，综合考虑区域地形地貌、气象水文、地质背景、水文地质条件、环境问题、社会经济概况等条件，利用层次分析法，建立了水源地源热泵技术适宜性评价指标体系。利用层次分析法(AHP)，进行理论分析，建立了水源地源热泵综合评价体系，并进行了影响因素的权重分析。以典型建筑为基础，分析了不同气候区内典型城市的建筑负荷特性。从节能、经济和环境3方面，对不同气候区水源地源热泵系统的适宜性进行了综合分析研究，确定了水源地源热泵系统的应用条件与适用范围技术导则以及评价体系。

结语

地源热泵系统是暖通空调领域比较高效节能的冷热源系统型式，地埋管换热器对系统性能的影响至关重要。由于地埋管换热器的换热性能受到土壤热物理性质的显著影响，并非所有地域都适用地源热泵系统，在设计过程中必须充分考虑当地的土壤条件、建筑冷热负荷匹配度，按照经验估算容易造成设计失误，影响系统运行或土壤冷热平衡。

参考文献

［1］司子辉．U型竖埋管式地源热泵热响应测试物性参数研究［J］．安徽建筑，2018，24(3):197－199．

［2］杨慧斌．地埋管换热器占地面积及钻井费用方案设计［J］．制冷与空调，2018，18(4):18－23+7．

［3］徐森森．基于埋地换热器的强化传热研究现状及展望［J］．流体机械，2019，47(6):68－75．