地下水对地埋管换热器换热性能的影响分析

于孝民，杨春光，金 路，顾吉浩

（1.河北省地矿局第二地质大队，河北 唐山 063000；2.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

0 引言

近年来，基于地埋管换热器的土壤源热泵技术在北方地区得到了较为广泛的推广应用，成为可再生能源建筑应用的主要形式之一[1-2].在地埋管换热器的实际建设过程中，经常会碰到地下水流动的情况.前人研究表明，地下水流动对地埋管换热器的传热性能有不同程度的影响.例如，Chiasson等[3]对地下水的长期影响进行了数值评价.Lim等[4]通过实验发现，地下水流动可能是引起热响应试验结果偏大的主要原因.刁乃仁等[5]采用移动热源法初步建立了地下水对流对地埋管换热器影响的理论计算模型.范蕊等[6]开展了地下水流动对地下埋管换热器影响的室内实验研究.顾吉浩等[7]开展了地下水渗流对地埋管换热器传热性能影响的数值模拟研究，分析了不同无量纲Peclet数下流动与换热状况.就总体研究而言，目前针对地下水流动的现场试验研究仍然偏少，这主要与现场情况下水文地质条件的复杂性有很大关系.

以唐山市为例，唐山市南部环南湖区域（含丰南区）的浅层土壤地下水赋存比较丰富，而市区北部（含空港城）和中部含水层厚度较小.根据前人研究结果，上述地下水发育差异对地埋管换热器的传热性能有不同程度的影响.但截至目前，尚缺乏直接针对唐山地区的地埋管换热特性试验研究.因此，本文在唐山地区开展不同含水层厚度和富水性条件下地埋管换热特性的现场试验研究，为当前的土壤源热泵系统的优化设计提供一些有益的实际数据参考.

1 现场热响应试验

1.1 测试仪器

本文测试中，钻孔平均导热系数采用恒热流法，而地埋管换热器传热特性采用恒温法.试验系统（图1）主要由车载试验仪器和地埋管换热器连接组成闭合循环回路系统，向周围土壤进行传热交换.

为了获得地埋管换热器的排热和取热性能，分别进行了制冷和制热工况试验，其中冷热源由一个小型水-空气换热的热泵机组提供.地埋管换热器的平均流量采用高精度电磁流量计（0.2级别），量程为1～5m3/h.温度传感器采用精度为A级的Pt1000铂电阻，量程为0～50℃.整个测试系统的最大测试误差约为±3.5%，能够满足工程测试的精度要求.关于测试仪器的其它详细情况见文献[8]，此处不再赘述.

图1 现场热响应试验照片Fig.1 Thephoto of thermal response test in-situ

1.2 测试钻孔

选取了唐山市区由北向南的3个典型的换热孔，分别定义为1#、2#、3#钻孔，其GPS定位坐标基本覆盖了唐山市区的主要纬度位置.钻孔有效深度均为100m，钻孔直径约为200mm，采用DN32型单U高密度聚乙烯管作为地埋管换热器.

在钻孔深度范围内，土壤类型以砂土、粉质粘土为主.1#和2#钻孔采用中粗砂+原浆作为回填材料，其中以粉质粘土、细砂等为主，夹杂砾卵石，3#钻孔采用细砂+原浆作为回填材料，回填密实可靠.为了减小实验测量误差，地埋管换热器的地面以上部分保留长度尽量做到最短，并进行橡塑保温处理.测试工作在钻井回填完成后一周开始进行，此时土壤温度已经基本恢复至未受扰动前的自然初始状态.

图2 地下含水断面与1#～3#地埋管换热器的接触纵深图Fig.2 The contactdepth 1#～3#between theaquiferand heatexchanger

1.3 地层富水状况

为定量分析地下水流动对地埋管换热特性的影响，在钻孔附近的水文钻孔井进行了抽水试验.抽水试验所选取的3口水井均采用相同口径，相同井管，相同型号水泵进行.图2给出了含水层与地埋管换热器接触纵深图.结果表明，3个钻孔的涌水量分别为49m3/h、40.9m3/h和60.1m3/h.根据测井数据，1#钻孔邻井在71～83m，92～100m两层含水断面出水量较大，其他含水断面含水量较小；2#钻孔邻井则整体富水性较差，出水量较1#钻孔地区少；3#钻孔邻井因毗邻南湖，地下水赋存丰富，地下水位较浅，涌水量较大.

2 试验结果分析

2.1 初始地温结果

就唐山地区而言，浅层土壤大致可以划分为3个区域：变温层（深度0～20m）、恒温层（深度20～50m）和增温层（深度大于50m）.其中，变温层由于距地表较浅，受气象条件（如气温、太阳辐射等）影响较大；恒温层温度几乎不受气象条件影响，四季温度较为稳定；增温层温度则呈一线性增加趋势，斜率大致为2.5～5℃/hm.

在测试过程中，测试仪水箱中的水需要经由水泵驱动，通过软连接管进入地下换热器中，即依次流经保温软连接管、变温层、恒温层、增温层、恒温层、变温层、保温软连接管循环，最终返回水箱，如此往复循环，直至供回水温差小于0.1℃，此时温度即可认为是钻孔深度范围内的平均初始地温.

图3以1#钻孔为例，给出了无功循环法测得的土壤平均初始温度.可以看出，在测试工况下，经过约24h循环后，土壤初始温度稳定为16℃.严格而言，此初始地温应理解为土壤沿钻孔深度方向上各处地温的积分平均数值，它会因昼夜或季节变化而呈现出一定的波动，因此地表裸露管路的保温工作显得尤为重要[9].

图3 平均初始地温的测试结果Fig.3 The resultof theaverage initialground temperature

2.2 单位井深换热量分析

图4 分别给出了3个钻孔的夏季排热和冬季取热能力的测试结果.其中，地埋管换热器内平均流量为1.5m3/h，冬季工况设定供水温度7℃，夏季工况设定供水温度35℃.可以看出，经过30～40 h换热之后，地埋管换热器基本进入相对稳定换热状态.就总体而言，与1#和2#钻孔地埋管换热器相比，3#钻孔地埋换热器的冬夏季换热能力明显偏高一些.1#和2#钻孔地埋管换热器的热性能基本接近.以夏季工况为例，3#钻孔换热量比1#和2#钻孔分别偏高约34.2%和45.1%，而对于冬季工况，3#钻孔换热量比1#和2#钻孔分别偏高约22.6%和21.6%.该试验结果与王华军等人[10]在保定地区开展的地下水换热试验数据基本上是吻合的.

表1进一步汇总了3个典型地埋管换热器的换热试验数据.通过对比可以发现，单位井深换热量与含水层厚度或涌水量之间存在明显的依赖关系.随着钻孔涌水量或者地埋管换热器与地下水接触长度的增加，热响应试验测得的钻孔平均导热系数呈增大趋势，同时单位井深换热量也呈明显增加趋势，这主要由于地下水流动冲刷地埋管管壁，从而引起传热增强的缘故.具体而言，3#钻孔的涌水量明显高于1#和2#钻孔，故地下水流动所带走的热量较1#和2#多.在本文试验中，夏季工况下地下水流动效应表现更为明显一些，这主要与较高的排热温度（35℃）有关.相比之下，在冬季工况下，地埋管内流体与土壤换热温差较小，所以地下水流动强化传热效应不甚明显.在工程实践中，根据涌水量与地埋管换热器换热特性之间的关系，可以为评估钻孔附近地下水流动强度提供一种有益的参考.

表1 1#-3#钻孔换热试验数据汇总表Tab.1 The data 1-3#ofborehole heat transfer

3 结论

在唐山市区由北向南3个典型区域开展了不同含水层、不同富水性状况下的地埋管换热器换热特性试验研究.通过试验结果分析，可以获得以下结论：地埋管换热器的换热量与地下水分布纵深和与地层接触纵深长度内的整体富水性存在直接的关系，其中接触长度越大、富水性越好，对地埋管换热器换热性能的强化效应越明显.该结论对于富水性较强地区的地埋管换热器设计具有实际的指导作用.此外，上述强化效应对于判断钻孔附近地下水流速也具有一定的参考意义.

[1]汪训昌，以科学发展观规范地源热泵系统建设 [J].制冷与空调，2009，9（3）：15-21.

[2]袁艳平，雷波，余南阳，地源热泵地埋管换热传热研究（1）综述 [J].暖通空调，2008，38（4）：25-32.

[3]Chiasson A，Rees S，Spitler J.A prelim inary assessmentof theeffectsof groundwater flow on closed-loop ground-sourceheatpump systems[J].ASHRAETrans，2000，106（1）：380-393.

[4]Lim K，LeeS，LeeC.Anexperimentalstudyon the thermalperformanceofground heatexchangers[J].ExperimentalThermaland Fluid Science，2007，31（8）：985-990.

[5]Diao N，LiQ，Fang Z.Heat transfer in ground heatexchangerswith groundwateradvection[J].International Journalof ThermalScience，2004，43（12）：1203-1211.

[6]范蕊，马最良.地下水流动对地下埋管换热器影响的实验研究 [J].太阳能学报，2007，28（8）：874-880.

[7]Jihao Gu，Huajun Wang，Chengying Qi.Unsteady simulation of heat transfer around a borehole heat exchanger with groundwater flow[J]，Transactions-GeothermalResourcesCouncil，2011，35（1）：1111-1114.

[8]杜红普，齐承英.回填材料对埋地换热器传热性能的影响研究 [J].河北工业大学学报，2010，39（5）：44-47.

[9]王华军，齐承英.关于地下热响应实验中土壤初始温度的探讨 [J].暖通空调，2010，40（1）：95-98.

[10]王华军，齐承英.地下水渗流条件下埋地换热器传热性能的实验研究 [J].太阳能学报，2010，31（12）：86-90.