郭凱生，楊 楝

(1.重慶市設(shè)計院，重慶400015;2.長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖南長沙410076)

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地球所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng).該系統(tǒng)的核心部件是埋管換熱器，其換熱性能將影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性.因此，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)深入研究埋管換熱器的換熱影響因素［1］.而在土壤源熱泵系統(tǒng)工程中，越來越多地采用雙U型換熱器，但對于該換熱器在實(shí)際的運(yùn)行工況中的換熱性能方面，研究還不夠深入［2，3］.

故本文在對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過對巖土物性參數(shù)、回填材料、管內(nèi)水流量、機(jī)組出口溫度等因素對地源熱泵垂直單孔雙U型埋管換熱器的換熱效果分別進(jìn)行研究.

1 雙U型埋管換熱器換熱計算

(1)埋管換熱器單位時間獲得熱量Q，W.

式中，ΔT為熱泵機(jī)組埋管循環(huán)水的溫差，℃;G為水的質(zhì)量流量，kg/s.

(2)埋管換熱器單位井深換熱量qh，W/m.

(3)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于夏熱冬冷地區(qū)的某公用建筑的雙U型地源熱泵系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中通過數(shù)據(jù)采集儀收集預(yù)埋的各地下測點(diǎn)及雙U管的進(jìn)出口處的溫度，通過公式(1)確定其實(shí)際換熱量后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得出地下埋管的溫度變化情況.圖1所示為該實(shí)驗(yàn)的原理圖，每個熱水箱向地下埋管輸入2000W的熱量，其中采集點(diǎn)為C－1’、C－3’位于埋管進(jìn)水處;C －2’、C －4’位于埋管出水口處;4’、8’淺層地下 5m處;3’、7’、10’、12’位于地下 10m 處;2’、6’、9’、11’地下40m處;1’、5’為孔底70m處.

2 雙U型埋管換熱影響因素分析

2.1 雙U型埋管換熱影響因素

埋管換熱器中的換熱工程是一個復(fù)雜的過程，影響因素很多，可分為天然因素和工程因素兩類［4］，如表1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

表1 埋管換熱器的影響因素

2.2 影響因素分析

2.2.1 回填材料對埋管換熱器換熱的影響

回填材料填充于地埋管與鉆孔壁間，用以增強(qiáng)埋管和單孔外的巖土的換熱能力，同時可防止淺層水通過鉆孔向地下滲透，以保護(hù)地下水不受到地表污染物的污染和維持地下巖土的熱物性等.

理論計算結(jié)果顯示，當(dāng)采用中粗砂時，雙U型埋管的qh為140.8W/m;當(dāng)采用原土?xí)r，其 qh為113.2W/m.中粗砂與原土相比，熱導(dǎo)率在增大45%時，其qh增大了25%.綜合分析，回填材料熱導(dǎo)率的適度增大有利于雙U型埋管換熱能力的提高.圖2所示，采用原土?xí)r，由于熱導(dǎo)率偏小，淺層處測點(diǎn)溫度偏高，容易形成熱量堆積，不利于回水管的換熱.故熱導(dǎo)率高的強(qiáng)化換熱型回填材料可大幅度提高埋地管換熱器的換熱能力，但回填材料熱導(dǎo)率并非越高越好，應(yīng)略高于鉆井周圍原始巖土層的熱導(dǎo)率.這可能是取決于原始巖土層的熱量交換，冷量需要一定的時間才能從更遠(yuǎn)處傳遞過來.

圖2 不同回填材料下雙U型埋管的地下溫度變化趨勢

2.2.2 管內(nèi)水流量對埋管換熱器換熱的影響

在相同埋管、相同運(yùn)行時間、相同進(jìn)水溫度的實(shí)驗(yàn)條件下，雙U型換熱器管內(nèi)流量的不同會導(dǎo)致其回水溫度有明顯的不同，測試數(shù)據(jù)如圖3所示.

圖3 夏季變流量下雙U型埋管換熱效果測試

根據(jù)測試結(jié)果，隨著管內(nèi)流體流量的增加，其埋管進(jìn)出口流體的過余溫度逐漸減小，但當(dāng)管內(nèi)流量大于1.14m3/h時，隨流量的逐漸增加，qh增加幅度變小.流量的增加強(qiáng)化了管內(nèi)對流換熱的效果.可得出對于雙U型埋管，存在一個qh在區(qū)域內(nèi)的極大值，于是存在一個最佳流量，約為1.01m3/h.此時，單位井深熱流為73.7W/m.超過該最佳流量，即使再增加管內(nèi)流體流量，qh不再提高.

故管內(nèi)流量的大小可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以在保證管路流動阻力較小時，qh較大［5］.流量過小，使得管內(nèi)流體流速過小，不利于管內(nèi)流體的正常流動和換熱.流量太大，則使得管內(nèi)流體和地下土壤間的換熱不充分，同時會增加動力能耗.因此，可考慮對雙U型地源熱泵系統(tǒng)的循環(huán)液采用變流量調(diào)節(jié)設(shè)計，以達(dá)到優(yōu)化的目的.

2.2.3 機(jī)組循環(huán)液的出口溫度對埋管換熱器換熱的影響

機(jī)組循環(huán)液最高出口溫度(雙U管進(jìn)水溫度)對雙U管的qh有很大的影響.

當(dāng)進(jìn)水溫度達(dá)到35.6℃時，流量為1.6m3/h的垂直單孔雙U埋管的qh1可達(dá)極大值123W/m.而流量為0.9m3/h的qh2只為69W/m，只占 qh1的0.56倍.

圖4 夏季不同進(jìn)水溫度下雙U型埋管換熱效果測試

測試結(jié)果顯示，埋管進(jìn)口溫度每提升1℃時，qh1增大2% ～4.5%，qh2增大1.5% ～2.5%，當(dāng)溫度提升到33.8℃時候qh曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，持續(xù)上升的速率降低.而當(dāng)溫度達(dá)到35.6℃時，qh達(dá)到區(qū)域內(nèi)的極大值.根據(jù)公式(1)，流量G、溫差ΔT與熱量Q成正比例關(guān)系，上述圖示曲線的穩(wěn)定趨勢基本與公式保持一致.

但埋管進(jìn)水溫度的提高對于地下管群系統(tǒng)來說，將導(dǎo)致熱擴(kuò)散，周圍的土壤溫度將上升，長此以往會造成熱量囤積，影響整體土壤源熱泵系統(tǒng)長期的換熱效果.而且進(jìn)水溫度的提高，機(jī)組效率下降，系統(tǒng)COP降低，故機(jī)組循環(huán)液的出口溫度不宜太高［6］.

2.2.4 其他影響因素

地下?lián)Q熱的實(shí)際換熱過程受到多種綜合因素的耦合影響，除上述分析的因素外，影響地下雙U型埋管換熱器換熱效果的因素還包括巖土體含水量、地下水的水位和流速、原始地層的熱物性參數(shù)和工程運(yùn)行中的溫度變化、下墊面的溫度和濕度、埋管的深度等.隨巖土體含水量增大，因?yàn)樗谋葻徇h(yuǎn)大于地下巖土的比熱，而且水的分壓力導(dǎo)致濕遷移，地埋管換熱率將隨之增加;地層溫度隨工程運(yùn)行的積累變化，運(yùn)行工況變化，換熱量降低.下墊面的熱物情況將影響埋管周圍原始土壤的恢復(fù)能力.地表向地下的傳熱為倒梯形的傳熱，當(dāng)?shù)乇頊囟鹊陀诘叵峦寥罍囟葧r，地下土壤向地表散發(fā)熱量，地下土壤溫度的恢復(fù)，故可將埋管區(qū)域設(shè)置于非太陽直射的陰影區(qū)或加強(qiáng)下墊面的植被情況.地下?lián)Q熱器的埋管深度將影響qh，換熱總量隨井深的增大而增大，但井深的增加，鉆井費(fèi)等初投資也激增，因此，應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的井深.

3 結(jié)論

(1)垂直單孔雙U型地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)選擇添加導(dǎo)熱性好的中粗砂當(dāng)回填料.

(2)在一定的流量范圍內(nèi)，雙U型埋管換熱器的換熱性能隨著管內(nèi)的循環(huán)液流量的增加而得到提升.在本文的測試工況中，最佳流量為1.01m3/h.

(3)隨著進(jìn)水溫度的提高，雙U型埋管換熱器的qh增加.但由于該進(jìn)水溫度的提高，導(dǎo)致了系統(tǒng)整體COP降低，故機(jī)組循環(huán)液的出口溫度不宜太高.

(4)在不同地區(qū)，地下巖土層分布不同，各巖土層熱物性不同，巖土層中的含水量也不同，故埋管的換熱性能也不同.為保證整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，能長期正常運(yùn)行，應(yīng)先進(jìn)行土壤的熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和換熱性能的測試.

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