肖益民，劉希臣，張華廷，付祥釗

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點試驗室(重慶大學)，400045重慶;2.中國建筑西南設計研究院有限公司，610041成都)

巖土耦合熱泵空調技術是一項利用可再生能源的高效節(jié)能技術［1］，地埋管換熱器是這種技術的關鍵點，利用地埋管換熱器，將建筑物夏季的排熱轉移到地下蓄存起來，在冬季取出向建筑物供熱，實現(xiàn)能量的季節(jié)性蓄存.巖土耦合熱泵系統(tǒng)的地埋管換熱器主要有水平埋管式和豎直埋管式，豎直埋管式換熱器又分為U型和同軸套管型兩類，豎直埋管的造價更高，但所需的埋管長度小于水平式，當換熱器承擔的負荷較大時，通常會選擇豎直式［2］.豎直式埋管的進水和出水管之間存在“熱干擾”或“熱短路”，會導致?lián)Q熱器性能下降.Muraya等［3］定量研究了單U型豎直埋管換熱器進出水管之間的熱干擾與周圍土壤的溫度、比熱容及熱擴散率、管間距、回填材料屬性等因素的關系，指出管間距和回填材料的導熱系數(shù)是最顯著的影響因素;文獻［4-5］指出采用“定位器”或“地熱彈簧”可有效保持管間距并使管道緊貼鉆孔壁面，以減小熱短路的損失，綜合來看，當回填材料導熱系數(shù)比周圍土壤小時，增大回填材料的導熱系數(shù)有利于U型管與周圍土壤的傳熱，相對減小支管間熱短路的影響;Lee等［6］對一種三管狀換熱器和傳統(tǒng)U型換熱器進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)三管狀換熱器的進出水管道間的熱干擾小于傳統(tǒng)的U型換熱器.

豎直埋管換熱器的熱阻包括鉆孔內熱阻和鉆孔外的巖土熱阻兩部分，其中鉆孔外的熱阻不能人為改變.Pahud等［7］的試驗表明，采用石英砂代替膨潤土并采用固定器可以使雙U型換熱器熱阻減小30%;Zeng等［8］計算得出雙U型的熱阻可比單U減小30%～90%;薛玉偉等［9］對單U和雙U型埋管換熱器換熱性能與經(jīng)濟性的研究表明，在排熱工況下，進口水溫30～35℃時，雙U型單位井深換熱量比單U型高14%～44%，取熱工況下，進口水溫3～5℃時，高55%～62%，采用投資成本指標評價，雙U型埋管比單U型優(yōu);莊迎春等［10］通過試驗得出，膨潤土不適合單獨用于回填材料，需與水泥配合并推薦使用非飽和態(tài)，摻入大顆粒的骨料是提高導熱系數(shù)的有效途徑，當水灰比為0.145且砂的置換率為80%時回填材料具有較滿意的導熱性能，值得推薦使用.

減小熱干擾和鉆孔內的熱阻，可提高豎直埋管換熱器的性能，相對降低建造成本，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟適用性，對這一技術的推廣應用具有重要意義.目前很少有關于豎直埋管結構設計改進方面的研究報道.本文通過理論分析與試驗，對一種新的豎直埋管換熱器結構的換熱性能進行研究.

1 豎直埋管巖土換熱器的結構改進設計

1.1 豎直埋管換熱器的結構改進設計

熱干擾或熱短路的本質是由于換熱器的進水管和出水管的溫度不同引起的傳熱.因此，增大進出水管間的熱阻可以有效減小熱干擾的影響.但研究表明減小回填材料的導熱系數(shù)，雖然可以增大管間的熱阻，同時也會減小換熱器向周圍土壤傳熱.因此，避免熱短路最有效的方法是使進、出水管具有較大的間距，并對其中一方外壁包裹絕熱材料.由于換熱器工作時，進水管與周圍巖土的溫差較大，故對出水管外壁絕熱更有利.

前人研究成果表明，減小鉆孔內的熱阻即強化孔內換熱，可以通過選擇合理的回填材料和改變豎直管道的結構尺寸及連接方式來實現(xiàn)，即增大材料的導熱系數(shù)和增加換熱面積.雙U型換熱器與單U型相比，即是增大了流體介質與巖土的換熱面積，但由于有2根進水管和2根出水管，出水管與進出水管之間存在熱干擾，故可以將其改為3根進水管和1根出水管，以盡可能增大進水管道的面積，并對出水管道外壁絕熱處理以減小熱干擾的影響.按此思路可以得到圖1所示的兩種豎直埋管換熱器設計方案.(a)為出水管和進水管中心呈方形陣列布置，可保持鉆孔中心為空;(b)為出水管位于鉆孔中心，3根進水管中心呈軸對稱布置，夾角120°，優(yōu)點在于進水管之間間距大，與周圍巖土接觸更充分，更利于換熱，但缺點是截面輪廓尺寸相對較大，不利于下管施工，且中間出水管占用了回填時泥漿管的位置，不能采用機械回填，難以保證回填的效果;與此相反，(a)方式的截面輪廓尺寸相對較緊湊，便于施工且能夠采用機械回填，但進水管間距略小.綜合比較，決定采用(a)方式的設計，以下稱為改進型埋管換熱器.為減小出水管的阻力損失，使其管徑比進水管大1個規(guī)格，即3根進水管為內徑20.4 mm、出水管內徑為25.4 mm，均采用PE管材，管道在鉆孔內呈矩陣式排列，行和列的管道中心間距為50 mm，管道中心距鉆孔中心的間距為35 mm，每間隔2.5 m安裝1個定位器以保持管道之間的間距，出水管用厚度15 mm的套筒式橡塑材料保溫，并在保溫材料的外表面纏繞黑膠帶防止被水浸濕.

改進型換熱器與雙U型的構造接近，管材消耗量基本相同，對回水管增加了保溫，但埋管換熱器的造價主要由鉆孔和埋管材料費用構成，保溫材料對造價的影響很小.因此，改進型換熱器在經(jīng)濟性、實用性方面均與雙U型相近，在實際應用中具有可推廣性.

圖1 豎直埋管換熱器的改進設計方案(進水管內徑20.4 mm，出水管內徑25.4 mm)

1.2 幾種埋管換熱器熱阻的理論計算值對比

假定:①同一深度范圍內巖土的組成、物性參數(shù)如比熱、密度等均勻一致，且不隨巖土溫度變化;②埋管與回填材料、回填材料與巖土間無接觸熱阻;③忽略地下水流動以及巖土的濕遷移;④出水管絕熱，忽略出水管對溫度場的影響;⑤三根進水管的流量、換熱能力完全相同.定義Tp為進水管道某深度處單位長度外壁的平均溫度，Tb為該深度鉆孔孔壁的平均溫度，并作為過余溫度計算的參考值，根據(jù)常物性導熱問題的線性疊加原理，3根進水管的外壁過余溫度為

改進型埋管換熱器鉆孔內單位孔深的總熱阻Rnew:

流體至管道外壁的熱阻Rp為

式中:ri、ro分別為管道的內徑和外徑，m;λb為管壁的導熱系數(shù)，W/(m·K);h為流體與埋管內壁間的對熱換熱系數(shù)，W/(m2·K);D為支管中心與鉆孔中心之間的距離，m．

同理可求得雙U型和單U型換熱器鉆孔內單位孔深的總熱阻RdU和RsU:

地埋管與巖土間的熱阻影響因素較多，按理論計算公式進行對比較為困難，為此，給出接近工程實際情況的具體參數(shù)進行計算對比:管內流速為0.8 m/s，鉆孔直徑130 mm，巖土導熱系數(shù)為2.10 W/(m·K)，熱擴散率1.03×10-6m2/s，回填材料導熱系數(shù)2.3 W/(m·K)，進水管型號為DN25，管腳中心到鉆孔中心的距離35 mm.運行時間設 6 種情況:1、5、15、30、60、90 d.對兩種不同建筑類型進行計算:辦公建筑中短期脈沖負荷連續(xù)運行時間為9 h;商場建筑中短期脈沖負荷連續(xù)運行時間為13 h.

對不同埋管換熱器的熱阻進行計算，其中埋管換熱器的熱阻包括鉆孔外熱阻及鉆孔內熱阻兩部分，鉆孔外的地層熱阻按GB 50366—2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》的方法計算［11］，孔內熱阻按式(3)、(5)、(6)計算，得到3種換熱器的熱阻見圖2.以單U型換熱器的平均總熱阻為基準，計算出了改進換熱器和雙U型換熱器在各個運行時間熱阻占單U的百分比.當運行時間為1～90 d時，辦公建筑應用改進型埋管換熱器與雙U埋管換熱器的換熱熱阻分別是單U換熱器的59.16%～64.55%、71.41%～75.18%，在商場建筑中則分別是 59.16%～68.76%、71.41%～78.13%，換熱性能有明顯改進［12］.

圖2 三種換熱器熱阻計算

由圖2可知，在相同強度的周期性間歇脈沖負荷作用下，隨著時間的增長，改進型換熱器的熱阻百分比增大，這反映了鉆孔外熱阻的影響隨時間逐漸增大;但在持續(xù)較長的時間內，仍可保持較明顯的優(yōu)勢，其原因是巖土溫度在運行間歇期有一定程度恢復，鉆孔內部熱阻對總熱阻的影響比持續(xù)性負荷作用下的影響大.所以改進型換熱器對周期性間歇脈沖負荷的適應性很明顯.實際工程中，周期性間歇脈沖負荷普遍存在，因此改進型換熱器應用于此類建筑可在整個運行周期內保持一定優(yōu)勢.

2 試驗研究方法

2.1 換熱器結構與鉆孔參數(shù)

改進型、雙U型和單U型埋管換熱器的結構見圖3，雙U型和單U型的進出水管內徑均為20.4 m，出水管保溫和定位器的設置與改進型換熱器相同.試驗設1～4#共4個鉆孔，孔徑均為130 mm，設計鉆孔深度均為100 m，實際安裝換熱器的深度分別為1#改進型96.2 m、2#單 U型96.3 m、3#雙 U 型 95.8 m、4#改進型 95.8 m.采用鈉質膨潤土和細河砂的混合材料回填，其中膨潤土比例為5%.測試獲得回填材料的導熱系數(shù)為2.30 W/(m·K).巖土深度0～4.3 m時導熱系數(shù)為1.40 W/(m·K)，熱擴散率為0.69×10-6m2/s;4.3～85.6 m的導熱系數(shù)為2.10 W/(m·K)，熱擴散率為1.03×10-6m2/s;85.6～100.0 m的導熱系數(shù)為 2.20 W/(m·K)，熱擴散率為1.07×10-6m2/s.

圖3 三種換熱器的截面圖

2.2 試驗系統(tǒng)組成與測試方法

試驗系統(tǒng)和4個換熱器鉆孔的布置如圖4所示.在一個水箱內采用可調節(jié)的電加熱器作為加載熱負荷的熱源.換熱器的進出水溫度采用水銀溫度計測量，量程為0～50℃，精度為0.1℃;循環(huán)水流量采用玻璃轉子流量計測量，型號為LZB-50，量程為 0.4～4 m3/h，精度 1.5級;采用銅-康銅熱電偶測量巖土溫度、巡檢儀進行記錄，其分辨精度為0.1℃，并以精密水銀溫度計的讀數(shù)為標準在超級恒溫器內對熱電偶進行標定.通過開啟和關閉設在各換熱器進水匯集管上的閥門，可獨立對每個換熱器進行試驗.每次試驗過程中保持加熱負荷和系統(tǒng)循環(huán)流量為一定值，每10 min記錄一次換熱器的進出水溫.

當埋管換熱器加載熱負荷后開始運行的一定時間內，系統(tǒng)中的水溫會逐漸升高.用換熱器任意時刻的進水溫度tin(τ)和出水溫度tout(τ)的平均值與巖土的初始溫度tg0之差Δt(τ)來反映系統(tǒng)水溫隨時間的變化特性．

圖4 試驗系統(tǒng)組成和4個換熱器鉆孔的布置

在試驗開始前一天，利用熱電偶對不同鉆孔深度的地溫進行持續(xù)1 d的測量，獲得各個深度處的初始地溫分別是:6.2 m處19.5℃、16.2 m處19.6℃、36.2 m處19.2℃、56.2 m處19.5℃、96.2 m處19.8℃，取總平均值19.5℃作為初始地溫值．

任意時刻換熱器單位鉆孔深度向巖土的傳熱量ql(τ)為

式中:CP為系統(tǒng)中循環(huán)水的定壓比熱，kJ/(kg·℃);·m為系統(tǒng)的循環(huán)水流量，kg/s;l為鉆孔深度，m.

任意時刻埋管換熱器單位孔深的熱阻Rl(τ)為

3 試驗結果

鑒于前述分析，改進型換熱器更適用于周期性間歇脈沖負荷模式，因此實驗中針對短期負荷作用下的換熱性能進行研究.

3.1 加載相近熱負荷時三種換熱器的性能比較

為比較三種型式換熱器的性能，對4個鉆孔換熱器加載相近的熱負荷進行試驗.第1組試驗加載的熱負荷分別是:1#改進型6.28 kW、4#改進型6.30 kW、2#單 U 型 6.15 kW、3#雙 U 型

6.10 kW，加載熱負荷偏差均小于3.2%，對每個換熱器的試驗時間均持續(xù)540 min，1#、4#、3#換熱器進水管水流速為0.80 m/s，2#換熱器進水管水流速為0.79 m/s.

圖5是4個換熱器系統(tǒng)循環(huán)水溫升情況對比.可以看出，兩個改進型換熱器的Δt值近似相等且最小，持續(xù)運行9 h后，比單U型、雙U型換熱器分別低3.6、1℃.三種換熱器系統(tǒng)的Δt值在開始運行初期隨時間增長較快而后逐漸減緩，均近似呈對數(shù)函數(shù)特征，Δt值增長速度大小排序與Δt值排序相同.循環(huán)水的平均溫度直接影響熱泵性能，當循環(huán)水溫度降低時，熱泵系統(tǒng)COP值提高.改進型換熱器具有最低的循環(huán)水溫升，即說明在承載相同負荷時，系統(tǒng)運行效率最高.

圖5 加載相近熱負荷時系統(tǒng)循環(huán)水溫升對比

從圖6可看出，換熱器熱阻值在開始運行初期隨時間增長較快而后逐漸減緩，近似呈對數(shù)函數(shù)變化，熱阻的排序是改進型＜雙U型＜單U型.分別計算出改進型、雙U型換熱器熱阻值相對于單U型換熱器熱阻值的百分比值，在持續(xù)運行540 min時間內，改進型換熱器的熱阻比單U型小29%～34%，雙U型則比單U型小14%～28%，與理論計算結果接近.

圖6 加載相近熱負荷時換熱器熱阻對比

第4組試驗加載的熱負荷分別是:4#改進型7.01 kW、3#雙U型7.08 kW，加載熱負荷的偏差小于1.0%，對每個換熱器的試驗時間仍持續(xù)540 min，換熱器進水管的水流速分別為0.80 m/s和0.79 m/s.圖7是兩個換熱器熱阻值的對比.圖7顯示熱阻隨時間變化的規(guī)律與圖6相同，試驗結果顯示，改進型換熱器的熱阻值比雙U型減小約10%～15%，與理論計算結果接近.

圖7 改進型和雙U型換熱器熱阻對比

三種型式的換熱器，在加載相同熱負荷時，改進型換熱器的出水溫升值和熱阻值最小，在實際GSHP系統(tǒng)循環(huán)中，可以為主機提供更低的冷卻水溫度，提升運行COP值.盡管上述試驗持續(xù)時間不長，連續(xù)數(shù)日或更長時間持續(xù)運行條件下的結果還有待進一步研究驗證，但是在間歇負荷情況下，如僅白天運行的負荷模式，改進型換熱器出水溫度更低的優(yōu)勢較為明顯.

3.2 改進型換熱器加載不同排熱負荷時的換熱

性能比較

對1#改進型換熱器加載熱負荷7.01、7.68、8.04 kW，對 4#改進型換熱器加載熱負荷6.28 kW，對每個換熱器的試驗時間仍持續(xù)540 min，換熱器進水管的水流速均為0.80 m/s.每次試驗前鉆孔換熱器均有72 h以上的恢復期，以保證周圍的土壤溫度恢復.

圖8是加載不同熱負荷時改進型換熱器熱阻值的對比，顯示加載不同熱負荷對換熱器熱阻的性能影響很小.圖9顯示了加載不同熱負荷時改進型換熱器循環(huán)水溫升隨時間變化的對比.可以看出，對于相同的換熱器，加載的熱負荷越大，溫升也越大，且隨著時間的增長，不同負荷間溫升的差異也逐漸增大而趨于穩(wěn)定.這表明對同一鉆孔換熱器加載熱負荷越大，溫升速率也越大.分別對雙U型和單U型換熱器也進行了加載不同熱負荷的對比試驗，規(guī)律與改進型換熱器近似.

圖8 改進型換熱器加載不同熱負荷時的熱阻

圖9 改進型換熱器加載不同熱負荷時循環(huán)水溫升對比

4 結 論

1)設計了一種巖土耦合熱泵地下埋管換熱器的結構改進設計方案，采用 3根內徑為20.4 mm的進水管和一根內徑為25.4 mm的出水管，且出水管外壁絕熱處理，與雙U型相比造價接近，具有較好的工程實用性.改進理論計算結果表明，針對周期性間歇脈沖負荷，改進換熱器的單位孔深熱阻明顯小于單U和雙U型.

2)持續(xù)540 min、每m孔深加載65 W熱負荷的試驗結果顯示，改進型換熱器的熱阻比單U型減小29%～34%，比雙U型減小10%～15%，換熱性能有較明顯提高.改進型換熱器系統(tǒng)水溫升Δt值比單U型換熱器低3.6℃，比雙U型低1.0℃.

3)對改進型換熱器加載不同熱負荷的試驗表明，加載熱負荷越大，在相同時刻，水的溫升越大，溫升的速率也越大.這表明，埋管換熱器承載的最優(yōu)負荷量應根據(jù)鉆孔深度和結構形式合理確定，對此還應進一步研究.

4)在實際工程中，許多建筑物呈現(xiàn)周期性間歇負荷模式.此種條件下，改進型換熱器的出水溫升值最小，在實際GSHP系統(tǒng)循環(huán)中，可以為主機提供更低的冷卻水溫度，從而提升系統(tǒng)運行的COP值.本文只對短期間歇脈沖負荷的情況進行了研究，反映了改進型換熱器在這種負荷特性下的性能優(yōu)勢，但對于長時間運行條件下的換熱性能，還有待進一步研究.

5)在實驗中對改進型換熱器回水管采用套筒式橡塑材料保溫，并在保溫材料的外表面纏繞黑膠帶防止被水浸濕的作法，在實際應用中很難推廣，今后還需進一步研究保溫防水一體化的中心管道制作技術，以便工程推廣應用.

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