地源热泵系统地下换热结构体合理间距确定

刘红卫, 胡元平, 朱志明, 马　俊, 江　凯

(1.湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉　430051； 2.湖北省浅层地温能研究推广中心,湖北 武汉　430051)

0　引言

地源热泵系统利用浅层地温能时,需要在地下设计施工取能、换热结构体,目前主要为地埋管换热孔和水井两类。其中地埋管换热孔有水平埋管、竖直埋管和桩埋管,埋管方式又分为单U、双U、螺旋等多种。水井按使用功能可分为抽水井、回灌井和监测井,按地层特征可分为松散层水井、基岩水井等。这些结构体的设计、布置对浅层地温能利用效果、地源热泵系统运行能效高低、持久性和项目投资回收期等有非常直接的影响[1-5],目前国内外尚无确定其布局的标准,多依靠经验确定。

从实际工程项目运行和监测结果看,当前地下换热结构体设计布置上存在较大的随意性,对地层热物理特征、水文地质条件、工程项目运行特点等差异考虑不够全面,多由人为确定,导致很多项目“节能不节费”，甚至“既不节能又不节费”。分析、研究、确定换热结构体合理间距,是浅层地温能开发利用的一个基础性、全局性的问题。

本文从研究地埋管周围岩土体温度变化对单孔换热功率的影响着手,分析影响传热、换热的因素,提出一个确定地埋管间距的经验公式;研究抽水回灌井之间水热传递和运移方式,提出一个确定抽水回灌井间距的公式,可供工程应用参考。

1　地埋管换热孔合理间距确定

地埋管地源热泵系统通过地埋管换热孔排放(吸取)冷热量,具体工程场地一旦确定,地下岩土层的性质、地下空间环境条件(地温、地下水流动等)基本固定,当地下换热系统换热孔额定取能量适当、孔群布置合理、运行调配科学,则能将地上能源需求与地下可提供、调节的浅层地温能资源量协调起来,实现用足、用好、用长浅层地温能的目的;其中合理布置换热孔,让换热孔完成好取热、储热、导热作用是关键[6-7]。

确定地埋管换热孔合理间距时,保证换热管群在运行期间各阶段能给建筑物提供所需换热量(功率)是第一目标,由于换热孔换热功率是变化的,影响因素多,需要考虑多种情形的组合,目前并无统一的公式和规定的方法来确定,工程应用时多凭经验决定。

对单个换热孔换热功率变化产生影响的主要因素有初始地温、冷却水平均进水温度、单孔输入功率、冷热量差异值、系统运行总时长、日运行份额(分时系数)、间歇期长度、岩土体综合导热系数、密度、比热容、临近项目或区域环境影响等;在地下水流速较快的区域,地下水的流动也会有较大影响。对群孔而言,埋管布局决定了换热孔之间的热干扰、功率变化,换热孔间距取多少是设计时最需要考虑的问题之一。

1.1　地温变化对单孔换热功率的影响

地埋管的换热功率与换热温差有直接的关系,当空调系统冷却循环水温度固定时,在制冷工况下初始地温升高会降低换热温差,进而导致单位换热长度换热功率下降。假设初始地温上升ΔT,此时地埋管单孔实际换热功率将变为标准工况时的μ倍,在不考虑其他因素时,此μ值可理解为单孔换热功率折减系数。

以制冷工况为例,武汉地区地源热泵空调机组冷却循环水标准工况温度一般为35～30 ℃,平均温度为32.5 ℃,与初始地温19 ℃的换热温差为13.5 ℃,当初始地温上升ΔT后,按照国标《地源热泵系统工程技术规范》的计算方法,单孔换热功率变为原来的μ倍,则有下式:

(1)

式中:μ为单孔换热功率折减系数;Ti为初始地温,℃;ΔT为温升,℃。

通过对均布在武汉地区13个地温监测孔实测结果,武汉地区20～120 m深度岩土体平均地温为19.0 ℃,因此有:

(2)

可见当地埋管地源热泵系统工程运行后,如换热钻孔周边岩土体平均地温每上升1.35 ℃,单孔换热功率将下降10%。在实际运行过程中,换热孔换热效率动态变化(降低为主)是一种常态,设计时仅依靠短期热响应试验结果并参照国标确定地埋管换热总长度,虽然考虑了1.1的系数,理论和应用上仍存在明显的不足。

1.2　地埋管换热孔合理间距确定

初步分析,影响地埋管换热孔换热功率最主要的因素有岩土层性质、加热功率、分时系数(运行份额)、运行总时长,次要的因素有地下水作用、布孔形状、间歇时长、冷热量差等。

国标中在设计、确定地埋管换热孔(系统)总长度时已经考虑了分时系数的作用,地埋管换热运行时间在8～24 h,每延米换热量设计取值可相差32 W/m,但在确定地埋管间距时仅考虑分时系数单因素尚不够全面。

综合考虑影响换热孔间距确定的主要因素,结合实际工程情况,提出一个确定地埋管合理间距的经验公式:

(3)

式中：D为换热孔间距,m;P为加热功率(每延米换热量),W/m；a为运行份额,每天运行时间/24 h;t为单工况运行总时长,d;λ为岩土综合导热系数,W/m·℃;ρ为密度,103kg/m3;c为比热容,103J/kg℃;ξ为埋管布局系数,单、双排布置取0.95,正方形(矩形)布置取1.0,梅花形布置取1.05;有地下水时,且径流条件较快时取0.9。

1.3　模拟验证

根据式(2)可知,由于地埋管地源热泵系统运行,会引起周围岩土体温度上升,当换热孔中心某一距离范围内岩土体的平均温度每上升1.35 ℃,地埋管单孔换热功率能效即下降10%(为设计值的90%),本文认为,此界限值是维持地源热泵系统高效、正常运行可接受的换热量降低下限值,此距离值即是合理换热孔间距的界线值。

利用数值模拟法[8],计算不同运行时长及组合条件下的影响半径值,验证式(3)的合理性,结果见表1。

表1　换热孔距离(影响半径)数值模拟与经验公式估算结果对比表Table 1　Correlation table of numerical simulation and empirical formula of heat transfer(influence radius)

注：按每天运行10 h,正方形布置。

对比二者结果,模拟结果与计算结果有一定偏移,但基本吻合,可供设计参考、改进。

实际工程项目确定地埋管换热孔布孔方案时,通常还要考虑场地大小、换热孔施工造价、需要从地下取用的冷热总量、项目冷热量差值比、制冷或供暖期运行时长与同期间歇时长比值等其它问题后综合确定地埋管布局。

2　抽水回灌井合理间距确定

2.1　确定方法

与地埋管系统一样,地下水地源热泵系统运行时,抽水井、回灌井的间距、布局、取水及回灌量、运行时间等对地下空间内岩土体换热及地源热泵系统能效有直接影响,需要合理的间距、布局。由于地下水的流动特性,抽水井和回灌井之间距离的确定需要考虑抽灌比、地下冷热“锋面”及能量传递的影响,项目所处地下水补径排位置、不同厚度和渗透性含水层组合特征以及不同用能量需求等条件，需视具体情况而定。其中冷热“锋面”及传递对系统能效影响最大,由于地下水流动带动热量传递会引起热贯通,而热贯通会对系统能效产生较大的影响,因此在进行抽水回灌井间距分析时以此为重点。

2.2　经验公式

由于抽水井距离回灌井距离一般远大于井身传热影响半径,因此回灌井对抽水井的热干扰主要通过地下水的传播。在地源热泵系统运行过程中,抽水井因抽水水位下降,而回灌井中由于回灌的注入,井中水位会上升。抽水井与回灌井中水位一升一降,在两井间便会产生水头差ΔH,根据达西定律:

假设建筑空调系统循环后从系统中排出的高温(低温)水从回灌井中流到抽水井,即会对抽水井温度产生影响,且抽水井和回灌井间距按此距离布置,则有:

(4)

式中:D为抽水井与回灌井间距,m;ΔH为抽水井与回灌井水头差,m;K为含水层平均渗透系数,m/d;I为水力坡度;t为运行时长,d。

2.3　项目验证

以湖北省某项目地层为模型进行计算,夏季正常运行工况为一天运行16 h,年运行总时长为120 d,故t=80 d;运行过程中抽水井处水位降深为5 m,回灌井处水位上升3 m,因此水头差ΔH=8 m;该处含水层为砂层,平均渗透系数K=8.21 m/d,代入式(3)计算得该项目合理抽水回灌井间距:D=72.5 m。

该项目抽水回灌井实际间距为45 m,根据监测记录,系统运行不到2个月时,回灌井中的热水即流动到抽水井附近,抽水井温度从18.7 ℃上升到22.6 ℃,地源热泵系统能效大为降低,运行能耗增加;说明当初项目进行抽灌井设计时,不应该只考虑地下水水温、换热温差、取水量、回灌量,还应加大抽水回灌井间距;实际运行管理过程中,应设法降低抽水回灌水位差或减少运行时长。

据该项目地下水位监测孔监测结果,该区块地下水夏季平均水力坡度为2.7‰,而抽水回灌井间的水力坡度为8～45,即18%,远>2.7‰,可见分析抽水回灌井合理间距时,类似水文地质单元可不考虑区域水力坡度的影响。

式(4)中推导得出的确定抽水井与回灌井间距离的公式,有一个假设前提,视地下水到达回灌井处时热量即同温、同期到达,忽略了此过程中水向岩土体的传热和岩土体内部的传热。

该公式是基于松散岩土体潜水和承压含水层建立的,基岩裂隙水可参照,岩溶水中不适用。需要注意的还有,松散岩土含水层中通常分层较明显,即下部为粗砂、砾砂,上部为粉细砂,水流在渗透系数较大的粗砂、砾砂中流动速度较快,热量运移也较快,而在粉细砂中流动速度慢,热量运移也慢,因此利用该公式时合理选择渗透系数尤为重要。当粗砂、砾砂层较厚时,可以直接采用粗砂、砾砂的渗透系数,显然此时设计布置抽水回灌井时间距应当更大。

该公式可为地下水地源热泵设计中抽水回灌井间距的确定提供参考,也可对已经运行的地下水地源热泵进行估算,计算回灌井对抽水井产生热干扰的时间,以采取相应的预防、处置措施。

3　结论与建议

(1) 地埋管周围温度的变化对单孔换热功率及系统能效有较大影响。夏季制冷(冬季供暖)时,周围岩土体温度升高(降低),单孔换热功率和系统能效降低。

(2) 分析影响地埋管换热孔间距确定的主要因素,结合实际工程情况,提出一个确定地埋管换热孔合理间距的经验公式;考虑地下水热贯通对系统的影响,提出一个确定抽水回灌井间距的经验公式;经验证明与模拟结果、实际工程运行监测情况基本吻合,可供设计参考。

(3) 两个经验公式都有一些假设前提,实际影响因素要复杂得多,在实际参考使用时,应该注意其适用条件,结合实际工程条件合理使用。

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