地源热泵地热响应测试影响因素分析

王 晨 刘金祥

地源热泵地热响应测试影响因素分析

王 晨 刘金祥

南京工业大学城市建设与安全工程学院

利用TRNSYS软件建立地热响应测试的模型，以单U型地埋管换热器为例，进行了不同埋深、不同流速、季节效应情况下的地埋管换热量及每延米换热量进行模拟。分析在同一土壤类型条件下，不同地热响应测试工况对测试结果的影响。在地源热泵系统设计过程中应充分考虑这些因素，优化系统设计。

每延米换热量埋深土壤平均温度地热响应测试

土壤源热泵系统最重要的部分是地埋管换热器的换热能力，所以在进行地埋管换热器设计前，必须进行热响应测试来获得该地区的土壤换热能力作为设计参考。而地热响应测试又受到多种因数的影响，在同一土壤类型的条件下，测试工况不一样得到的结果也就不一样。所以导致热响应测试的结果与实际情况存在一定的偏差，这必将引起系统运行状态的不稳定及建设成本。目前国内市场上常采用取样查表[1，2]、恒热流法[3]及恒温法[4]。

1 TRNSYS模型建立

通过TRNSYS中的模块构造系统，以及各模块之间输入与输出的关系建立地热响应测试的系统模型。图1为TRNSYS模型框架。

图1 TRNSYS模型

该系统模型主要包括了以下几个模块：

1）地埋管换热器模块：主要的输入参数包括地埋管进口水温、系统水流量、埋管数量、埋管深度、钻孔直径等。根据输入参数与其他模块的耦合可得到埋管出口水温及土壤平均温度。

2）热泵机组模块：由于地埋管出口水温处于不断变化状态，为满足模拟热响应测试中恒定地埋管进口水温，必须设置热泵机组模块进行对地埋进口水温的严格控制。

3）冬夏季每日运行时间模块：控制夏季、冬季、及过渡季节中系统运行的时间进行调控。

4）气象参数、土壤温度模块：将模拟地区的室外气象参数及土壤平均温度输入到系统模型中。

由于地埋管换热器的土壤传热特性的复杂性，建立完美的系统模型模拟地埋管换热是极其复杂的，所以对模型的一些部分进行简化：

1）土壤的初始温度忽略沿深度方向上的变化；

2）不考虑实际土壤结构中土壤分层的影响，以土壤平均导热系数作为土壤的热物性参数；

3）忽略了地下水渗流对其换热的影响。

2 模拟结果分析

2.1 埋深因素分析

本次分析选取土壤导热系数λ=1.5W/(m·℃)，以夏季进口水温35℃、冬季进口水温5℃、流量1.15m3/h条件下单U管出口水温来分析竖井深度的影响。

从图2中可以看出在夏季工况下埋管深度越深，地埋管出口水温越高，60m、80m、100m出口水温分别为32.05℃、31.75℃、31.46℃，80m的井深比60m出口水温降低0.3℃，100m井深比80m降低0.29℃。

图2 夏季工况出口水温

从图3中可以看出在冬季工况下埋管深度越深，地埋管出口水温越低，60m、80m、100m出口水温分别为7.57℃、7.86℃、8.14℃，80m的井深比60m出口水温升高0.29℃，100m井深比80m升高0.28℃。

图3 冬季工况出口水温

综合图2和图3发现地埋管出口水温是随着时间的增加逐步升高（夏季工况）和逐步降低（冬季工况）的过程。这是因为随着时间的增加，土壤不断吸收热量或吸收冷量，土壤温度发生变化，与地埋管的换热量逐渐减少，当土壤热量扩散的热流密度与地埋管和换热土壤的热流密度达到一个恒定值时，地埋管出口水温才到达恒定。从100m、80m、60m的温度趋于恒定的斜率来看，100m井深出口水温达到稳定状态用时最长，及热流密度变化时间最长。

根据图4，从总换热量的增长率来看，以80m和60m对比，井深的排热量与取热量增长率为10.15%、11.28%；以100m和80m对比，井深的排热量与取热量增长率为8.92%、9.79%。总换热量的增长率随着埋深的增加出现递减的趋势，可见不能因为增加单井总换热量，而盲目增加埋深。

图4 不同深度下的地埋管换热量

2.2 每延米换热量的对比

本次分析选取土壤导热系数λ=1.5W/(m·℃)及λ=2.0W(m·℃)两种土壤类型，以夏季进口水温35℃、冬季进口水温5℃、流量1.15m3/h条件下，不同埋深的每延米换热量作对比。

从图5～6上可以看出，在冬、夏工况下100m井深每延米换热量反而低于80m井深，80m井深的每延米换热量低于60m。每延米换热量与埋管的深度不成正比，随着深度的增加而减少。究其原因在于U型管在靠近埋管低层的部位换热效率明显下降。

图5 λ=1.5W/(m·℃)条件下每延米换热量

图6 λ=2.0W/(m·℃)条件下每延米换热量

在地下埋管换热器中，进水管带入的热量导致靠近地面土壤温度不断地提高，温度达到一定程度时，岩土的温度与进水管的温度无限地接近，进水管与土壤的换热在该区域不断减小，甚至不换热，该区域为饱和换热层[5]。

进水管穿越饱和换热层后，土壤的温度与进水管的温度在此形成了大温差，则大量的地埋管的换热就在该区域形成，该区域则为地埋管的换热最重要的区域。该区域的土壤类型也就成了整个土壤结构中最主要，直接影响到整个竖直地埋管总换热量。

经历过上端区域，埋管内流体温度与土壤温度温差减小，换热效率降低，通过对60m、80m、100m每延米换热量的比较，前60m的换热量最高，60m以下的换热量就出现下降，这就导致100m井深的每延米换热量低于80m和60m。

图5显示在土壤导热系数为1.5W/(m·℃)的前提条件下，散热工况：80m和60m的差值为11.46W/m，100m和80m的差值为7.01W/m；取热工况：80m和60m的差值为9.51W/m，100m和80m的差值5.83W/m。

图6显示在土壤导热系数为2.0W/(m·℃)的前提条件下，散热工况：80m和60m的差值为17.22 W/m，100m和80m的差值为9.61W/m；取热工况：80m和60m的差值为10.46W/m，100m和80m的差值7.25W/m。

综合图5和图6，土壤导热系数越高，不同埋深的每延米换热量差异越大，鉴于埋深对每延米换热量的影响，所以在进行热响应测试时，最好对不同的埋深进行测试，更有利于设计参考。

2.3 不同流速下的换热分析

本次分析选取土壤导热系数λ=1.5W/(m·℃)；埋管深度100m；夏季进口水温35℃工况下分别选取0.4～0.8m/s之间5种地埋管管内流速进行换热分析。

图7 不同流速下的出口水温

由图7在不同的流速之间比较，流速越低，地埋管管内流体与周围土壤之间的换热时间越长，换热越充分所以出口水温越低，供回水温差越大。最小流速为0.4m/s时出口水温为30.9℃，温差4.1℃，最大流速为0.8m/s时出口水温为31.85℃，温差3.15℃。但是管内流量减小所以单井总换热量反而减小，整体换热系数降低。

由表1可以看出管内流体的流速越大，地埋管进出口水温温差逐渐减小，单井换热量之间的差值也会逐渐变小。流速每增加0.1m/s，单井换热量之间差值由609.58W递减到403.43W。在流速为0.4m/s及0.5m/s的情况下，管内流体让处于层流状态，所以换热量减小幅度大。在大于0.6m/s时管内流体处于紊流状态，换热量会出现提升。

表1 不同流速下总换热量

流速增加虽然单井总换热量增加，但出口水温增大，供回水温差的减小会导致机组的COP值降低，同时流速增加，管道的阻力也会加大，所以应选取比较经济的流速。

实际系统设计过程中，地埋管管内流速并不与热响应测试中流速完全相似，而且在系统的分区运行过程中管内流速也会发生变化，所以针对地热响应测试中的流速必须做出适当修正。

2.4 季节效应的分析

本次分析选取土壤导热系数λ=1.5W/(m·℃)；埋管深度100m；夏季进口水温35℃；地埋管管内流速为0.6m/s的工况下单U管季节效应的分析。

经Baggs公式[6]计算得出夏季土壤平均初始温度为18.5℃；冬季土壤平均初始温度为16.7℃。

由图8可以看出在模拟地埋管排热能力过程中，在冬季进行热响应测试所得结果与夏季进行热响应测试所得结果是完全不一样的。模拟冬季出口水温为30.96℃，模拟夏季出口水工况为31.46℃，不同季节下其出口水温的发生了0.5℃的变化，这与土壤平均温度发生变化有着必然的联系。根据土壤的温度沿深度方向上的变化，土壤可以分为三个区[7]：表层区、恒温区及深层区。浅层区：0～20m处，此区域土壤受到室外气温变化的影响比较大，温度变化也较快；中层区：20～38m处，此处区域几乎不受外界的影响，基本处于恒定温度状态；深层区：38m以下，此处的土壤温度成线性增加趋势，增幅在0.02℃/m左右。因为表层区受季节变化的影响比较大，所以冬季气候情况下土壤平均温度较低，夏季较高，在进行排热工况下土壤温度越低越有利于排热，这就导致了在不同气候条件下，得出结果不一致。

图8 冬夏季工况下的出口水温

由表2可以看出在冬夏季气候条件下模拟出的单井总换热量相差14%，鉴于目前地源热泵系统的大量使用，其偏差量足以改变设计阶段埋管数量的计算，影响系统的运行效率。因此气候效应在热响应测试当中有着重要的地位。

表2 冬夏季工况下总换热量

3 结论

1）同一土壤结构条件下，埋深不同，每延米换热量就不同。埋深越深，总换热量增加，但每延米换热量反而减小。当以热响应测试报告作为设计依据时，当埋深发生变化应做适当的修正。

2）地埋管内流速不同，热响应测试结果就不相同，管内流速减小，换热时间长，进出口温差就大，但其流量减小换热量并没有增加。当单U管换热量减小到0.6m/s以下时，管内流体处于层流状态，不利于换热。

3）季节因素是不可忽略的因素之一，由于浅层土壤温度随季节变化，不同季节情况下的地热响应测试，都应对季节因素进行修正。

[1]IGSHPA.Closed-loop/geothermal heat pump systems-design and installation standards[M].USA:Oklahoma State University, 2007

[2]ASHRAE.2007 ASHRAE handbook on HVAC Applications [M].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc,2007

[3]地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)[S].2006

[4]地源热泵系统工程技术规范局部修订(GB50366-2005)[S].2009

[5]王勇,刘方,付祥钊.基于层换热理论的竖直地埋管换热器设计方法[J].暖通空调,2007,37(9):37

[6]Baggs S.Remote prediction of ground temperature in Australian soils and mapping its distribution[J].Solar Energy,1983,30(4): 351-366

[7]王华军,齐承英.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):96-99

Ana lys is of Fa c tors of The rm a l Re s pons e Te s t of Ground Sourc e He a t Pum p

WANG Chen,LIU Jin-xiang
College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology

Using TRNSYS software to establish model of geothermal response test,heat transfer and heat exchange per meter in different depth,different flow velocity and in different seasons were simulated,which took the single-U type ground heat exchanger as an example.Different working condition of geothermal response test’s influence on the test results under the condition of the same soil type was analyzed.In ground source heat pump system design process,these factors should be considered for the optimization of design.

heat exchange per meter,heat exchanger duct depth,soil mean temperature,thermal response test

1003-0344（2014）04-049-4

2013-5-24

王晨（1987～），男，硕士研究生；南京市鼓楼区中山北路200号南京工业大学虹桥校区（210009）；E-mail:344680616@qq.com

江苏省科技计划项目（SBY201220376）