双U型埋管换热器换热影响因素分析*

郭凯生，杨 楝

(1.重庆市设计院，重庆400015;2.长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南长沙410076)

地源热泵系统是一种利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统.该系统的核心部件是埋管换热器，其换热性能将影响整个系统的运行和经济性.因此，为保证系统的可靠运行和经济性，应深入研究埋管换热器的换热影响因素［1］.而在土壤源热泵系统工程中，越来越多地采用双U型换热器，但对于该换热器在实际的运行工况中的换热性能方面，研究还不够深入［2，3］.

故本文在对实验数据进行分析的基础上，通过对岩土物性参数、回填材料、管内水流量、机组出口温度等因素对地源热泵垂直单孔双U型埋管换热器的换热效果分别进行研究.

1 双U型埋管换热器换热计算

(1)埋管换热器单位时间获得热量Q，W.

式中，ΔT为热泵机组埋管循环水的温差，℃;G为水的质量流量，kg/s.

(2)埋管换热器单位井深换热量qh，W/m.

(3)实验测试系统

本实验数据来源于夏热冬冷地区的某公用建筑的双U型地源热泵系统，在实验中通过数据采集仪收集预埋的各地下测点及双U管的进出口处的温度，通过公式(1)确定其实际换热量后进行数据处理，从而得出地下埋管的温度变化情况.图1所示为该实验的原理图，每个热水箱向地下埋管输入2000W的热量，其中采集点为C－1’、C－3’位于埋管进水处;C －2’、C －4’位于埋管出水口处;4’、8’浅层地下 5m处;3’、7’、10’、12’位于地下 10m 处;2’、6’、9’、11’地下40m处;1’、5’为孔底70m处.

2 双U型埋管换热影响因素分析

2.1 双U型埋管换热影响因素

埋管换热器中的换热工程是一个复杂的过程，影响因素很多，可分为天然因素和工程因素两类［4］，如表1所示.

图1 实验原理图

表1 埋管换热器的影响因素

2.2 影响因素分析

2.2.1 回填材料对埋管换热器换热的影响

回填材料填充于地埋管与钻孔壁间，用以增强埋管和单孔外的岩土的换热能力，同时可防止浅层水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受到地表污染物的污染和维持地下岩土的热物性等.

理论计算结果显示，当采用中粗砂时，双U型埋管的qh为140.8W/m;当采用原土时，其 qh为113.2W/m.中粗砂与原土相比，热导率在增大45%时，其qh增大了25%.综合分析，回填材料热导率的适度增大有利于双U型埋管换热能力的提高.图2所示，采用原土时，由于热导率偏小，浅层处测点温度偏高，容易形成热量堆积，不利于回水管的换热.故热导率高的强化换热型回填材料可大幅度提高埋地管换热器的换热能力，但回填材料热导率并非越高越好，应略高于钻井周围原始岩土层的热导率.这可能是取决于原始岩土层的热量交换，冷量需要一定的时间才能从更远处传递过来.

图2 不同回填材料下双U型埋管的地下温度变化趋势

2.2.2 管内水流量对埋管换热器换热的影响

在相同埋管、相同运行时间、相同进水温度的实验条件下，双U型换热器管内流量的不同会导致其回水温度有明显的不同，测试数据如图3所示.

图3 夏季变流量下双U型埋管换热效果测试

根据测试结果，随着管内流体流量的增加，其埋管进出口流体的过余温度逐渐减小，但当管内流量大于1.14m3/h时，随流量的逐渐增加，qh增加幅度变小.流量的增加强化了管内对流换热的效果.可得出对于双U型埋管，存在一个qh在区域内的极大值，于是存在一个最佳流量，约为1.01m3/h.此时，单位井深热流为73.7W/m.超过该最佳流量，即使再增加管内流体流量，qh不再提高.

故管内流量的大小可进行优化设计，以在保证管路流动阻力较小时，qh较大［5］.流量过小，使得管内流体流速过小，不利于管内流体的正常流动和换热.流量太大，则使得管内流体和地下土壤间的换热不充分，同时会增加动力能耗.因此，可考虑对双U型地源热泵系统的循环液采用变流量调节设计，以达到优化的目的.

2.2.3 机组循环液的出口温度对埋管换热器换热的影响

机组循环液最高出口温度(双U管进水温度)对双U管的qh有很大的影响.

当进水温度达到35.6℃时，流量为1.6m3/h的垂直单孔双U埋管的qh1可达极大值123W/m.而流量为0.9m3/h的qh2只为69W/m，只占 qh1的0.56倍.

图4 夏季不同进水温度下双U型埋管换热效果测试

测试结果显示，埋管进口温度每提升1℃时，qh1增大2% ～4.5%，qh2增大1.5% ～2.5%，当温度提升到33.8℃时候qh曲线出现拐点，持续上升的速率降低.而当温度达到35.6℃时，qh达到区域内的极大值.根据公式(1)，流量G、温差ΔT与热量Q成正比例关系，上述图示曲线的稳定趋势基本与公式保持一致.

但埋管进水温度的提高对于地下管群系统来说，将导致热扩散，周围的土壤温度将上升，长此以往会造成热量囤积，影响整体土壤源热泵系统长期的换热效果.而且进水温度的提高，机组效率下降，系统COP降低，故机组循环液的出口温度不宜太高［6］.

2.2.4 其他影响因素

地下换热的实际换热过程受到多种综合因素的耦合影响，除上述分析的因素外，影响地下双U型埋管换热器换热效果的因素还包括岩土体含水量、地下水的水位和流速、原始地层的热物性参数和工程运行中的温度变化、下垫面的温度和湿度、埋管的深度等.随岩土体含水量增大，因为水的比热远大于地下岩土的比热，而且水的分压力导致湿迁移，地埋管换热率将随之增加;地层温度随工程运行的积累变化，运行工况变化，换热量降低.下垫面的热物情况将影响埋管周围原始土壤的恢复能力.地表向地下的传热为倒梯形的传热，当地表温度低于地下土壤温度时，地下土壤向地表散发热量，地下土壤温度的恢复，故可将埋管区域设置于非太阳直射的阴影区或加强下垫面的植被情况.地下换热器的埋管深度将影响qh，换热总量随井深的增大而增大，但井深的增加，钻井费等初投资也激增，因此，应该根据工程实际情况选择合适的井深.

3 结论

(1)垂直单孔双U型地源热泵系统应选择添加导热性好的中粗砂当回填料.

(2)在一定的流量范围内，双U型埋管换热器的换热性能随着管内的循环液流量的增加而得到提升.在本文的测试工况中，最佳流量为1.01m3/h.

(3)随着进水温度的提高，双U型埋管换热器的qh增加.但由于该进水温度的提高，导致了系统整体COP降低，故机组循环液的出口温度不宜太高.

(4)在不同地区，地下岩土层分布不同，各岩土层热物性不同，岩土层中的含水量也不同，故埋管的换热性能也不同.为保证整个系统的经济性，能长期正常运行，应先进行土壤的热响应实验和换热性能的测试.

［1］魏紫娟，秦萍.土壤源热泵地下垂直埋管换热器常用传热模型的研究［J］.制冷与空调，2004，(2):48－53.

［2］郭涛.地源热泵垂直U型埋管换热器的实验与数值模拟研究［D］.重庆:重庆大学硕士学位论文，2008.

［3］胡连营.地源热泵技术及其发展概况［J］.可再生能源，2008，(1):115－117.

［4］李鹏辉，刘泽华，王新华，等.地埋管地源热泵系统的研究现状［J］.洁净与空调技术，2012，(2):60－64.

［5］梅奎，张小松.地源热泵热水系统设计及经济性分析［J］.制冷与空调，2009，(4):53 －57.

［6］杨卫波，施明恒，陈振乾.基于准三维模型的垂直型埋管换热特性影响因素的分析［J］.流体机械，2012，(4):64－70.