重庆地区垂直双U地埋管换热器保温性能研究*

陈金华，龚皓玥，包修碧，夏 磊

(1．重庆大学 低碳绿色建筑国际联合研究中心,重庆 400045；2．重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045；3．宿迁市建设工程质量安全监督站，江苏 宿迁 223800)

近年来，随着能源供应趋紧，可再生能源的发展和利用越来越受到人们的重视.土壤源热泵系统作为可再生能源利用的关键技术之一，自20世纪90年代初在我国开始示范应用以来，以20%以上的速度推广[1].尤其在冷、热负荷均有需求的地区，以及因条件限制不能使用煤、电、燃气等进行供冷、制热的地区有较好的适用性.土壤源热泵系统通过地埋管换热器与大地传热来实现制冷和供热，而地埋管换热器的初投资约占系统总初投资的30%[2].因此，对地埋换热器的结构进行优化设计，提高地埋管换热器的换热效率，是降低土壤源热泵系统成本以及推动该技术广泛应用的重要途径.

由于土壤源热泵地埋管换热器的进回水管内流体之间存在温差，且相距较近，就会导致 “热短路”现象，从而使地埋管换热器的换热量减小，降低系统的换热效率[3].为了抑制或减弱“热短路”对土壤源热泵地埋管换热器性能的影响，有学者提出对距地表一定深度范围内的上升管外添加一定厚度的绝热保温套[4-5].近年来，土壤源热泵系统的实测研究所提供的基础数据较少，对系统的设计以及实际运行控制的作用较小.地埋管换热器是否应采取保温措施已有研究中还存在以下的缺陷：1)研究对象仅为单U形地埋管换热器；2)使用的评价标准多为单位井深换热量、平均传热系数、平均埋管热阻以及机组或系统的性能参数[6-7]；3)缺乏全年运行期间的保温换热影响数据.

本文从双U地埋管换热器深度方向上的温度分布特点及变化规律的角度，探讨回水管保温对地埋管的供水温度、回水温度和换热能效的影响，直观地反映回水管保温的价值.并期望把该土壤源热泵系统案例实测的研究方法和相关结论推广到不同气象和水文地质条件的地区，为土壤源热泵系统地埋管换热器的运行及设计提供可靠的实测基础.

1 层换热理论

层换热理论是根据流经地埋管的流体温度分布规律与周围土壤温度分布规律，从自然地表至管底深度范围内将地埋管换热器的换热情况分为3区换热模型[8]，如式(1).

L=Ls+Lt+Ln．

(1)

式中：L为地埋管换热器的埋设深度，m；Ls为饱和换热层深度，m；Lt为换热层深度，m；Ln为未换热层深度，m.

这3个换热层是统一划分且动态变化的，包括供水管和回水管.岩土累积热量，其温度和供水温度接近，无工程意义上的换热发生的区域称为饱和换热层；供水与岩土具有温差，大量换热发生的区域称为换热层；换热达到一定程度后，供水温度与岩土初始温度接近，无工程意义上的换热发生的区域称为未换热层.在以某供水温度换热之初，饱和换热层尚未形成，Ls=0，从供水管入口开始到某一深度为换热层，剩下为未换热层；随着换热的进行，入口处Ls开始形成，Lt下移，Ln缩小；若负荷持续时间较短，则Ls较小，Lt不变，且下移深度不大，Ln保持较大；当负荷持续时间和强度提高后，Ls逐渐加长，Lt也增大并持续下移，Ln逐渐减小；当换热达到一定程度后，换热器仅有Ls和Lt，Ln=0，这时地埋管换热性能开始下降.对于回水管，未换热层存在的条件下，未换热层区域内的换热器管内水温已经和岩土初始温度一致，回水管没有换热能力；未换热层消失后，回水管才开始换热.

当回水管的水经过供水管的换热区时，由于与周围土壤存在一定的温差，便会发生热量交换，产生热损失.所以对地埋管的回水管采取保温措施在理论上对减轻热损失是有一定积极作用的.回水管最保险的保温长度Li为Ls与Lt之和，并考虑一定的富裕系数，可用式(2)计算，其中，富裕系数1.02参照热水管网直埋敷设的室外管网热损失系数1.02～1.06，取其下限[9].

Li=(Ls+Lt)×1.02．

(2)

而在地埋管热泵系统实际运行时，往往可以通过控制机启停台数或地埋管的开启数量实现间歇运行，间歇运行期便是土壤温度的恢复期，期间饱和换热层深度Ls将缩小且上移，其缩小极限为0，即恢复到土壤初始温度；换热层深度Lt会相应缩小且上移；Ln则增大.所以考虑到系统运行期间有间歇期的存在，回水管最合理保温长度Li为Lt的深度值，并考虑一定的富裕系数[9]，可用式(3)计算:

L=Lt×1.02．

(3)

2 实验系统

基于层换热理论，本文针对某综合办公建筑，对其土壤源热泵系统进行全年、连续地埋管换热测试.该实验建筑位于重庆市沙坪坝区，主要分为外训和学生宿舍两部分.建筑高度约为21.2 m，地下一层，地上5层，功能包括住宿、餐饮、教学、办公、会议等.空调设计冷负荷为580.817 kW，热负荷为447.076 kW，完全由土壤源热泵系统承担.地埋管换热器采用并联垂直双U埋管，管材采用高承压管材PE100，管径为de32，井深100 m，孔径130 mm，共有119口钻井，孔间距6 m，分为3个管群，其换热场区以换热性能良好的沙岩、砂质泥岩为主.

本工程热响应测试在测试完原始地温后，进行了双U管夏季工况测试，通过测试仪器，使得进地埋管换热器的进水温度基本稳定在33.5～34.5 ℃左右，流量为1.9 m3/h，流速为0.5 m/s.热响应测试结果如图1所示．开始运行前，原始地温由地下深度为1 m时的24.8 ℃降低为地下深度为20 m时的19.3 ℃；在地下深度20～90 m内，地温相对稳定在18.8～19.5 ℃.从开始持续运行24 h时，地温变化较大，从各层初始地温19～25 ℃变化到29～31 ℃.当持续运行到31 h后，各层地温基本稳定在31～33 ℃左右，与原始地温相比，平均上升了10 ℃左右.

测点位置/m

本工程为外训和学生宿舍，负荷特征与居住建筑相近，每日的19∶00到次日8∶00为主要负荷时间，其他时间段内仍有负荷时间，但负荷强度较低[10].该工程持续31 h满负荷运行的情况较少，所以参照累积运行24 h的平均地温变化曲线，初步分析该地源热泵系统地埋管换热器的三区换热模型：0～5 m受地表温度影响，波动较大；5～10 m温度变化平缓；10～40 m温度波动呈下降趋势；40～60 m的温度下降趋势较缓；60～90 m温度变化平缓.可分析得出：饱和换热层处于0～10 m段，Ls=10 m；换热层处于10～40 m段，Lt=30 m；未换热层处于40～100 m，Ln=60 m.通过式(2),(3)计算，本项目Li=41 m，Li=31 m.结合已有学者的研究成果[11-12]，本次实验采用地埋管回水管保温方式，保温材料为柔性泡沫橡塑，保温厚度取为25 mm，导热系数为0.033～0.034 W/(m·K)，保温长度取30 m.

为更好地对比分析保温的效果，本项目测试对象为保温、不保温垂直双U地埋管换热器，测量指标为温度.测温点布置在地埋管的供水管、回水管上的深度为5 m，10 m，15 m，20 m，30 m，40 m，80 m和100 m处，共16个有效温度测点，如图2所示.温度传感器采用T型(铜-康铜)热电偶，变送器采用美国安捷伦34970A型数据采集仪，数据记录时间间隔设置为5 min，显示器为笔记本电脑.热电偶采用恒温水箱法，通过测试范围0～50 ℃，精度为0.1 ℃的精密水银温度计进行标定，并拟合了温度校正曲线以及校正函数.

测点位置(m)

3 实验结果

编号“P1”代表回水管不保温双U地埋管换热器，编号“P2”代表回水管保温双U地埋管换热器.“G5”表示地埋管竖直方向上距自然地表深度为5 m处的供水管测温点，“H5” 表示为地埋管竖直方向上距自然地表深度为5 m处的回水管测温点.其他测温点编号的含义以此类推.通过校正函数对测试数据修正，并剔除实验数据中的坏值后，从不同时刻地埋管水温、同一月份地埋管平均水温和同一工作季度地埋管平均水温这3个方面，对实测结果进行分析.

3.1 不同时刻地埋管水温

为了更清晰地反映各个测温点的温度随工作时间的变化规律，典型日的数据以小时为单位取其平均值，时间间隔取6 h.夏季典型日为7月31日，测试工况为3台冷却泵开启，开2个管群，单口地埋管换热器流量为2.16 m3/h，流速为0.91 m/s.对采样时间段为8∶00～次日8∶00的数据进行分析，描绘P1，P2的水温变化曲线，如图3和图4所示.

测点位置

测点位置

冬季典型日为2月17日，测试工况为3台冷却泵开启，开3个管群，单口地埋管换热器流量为1.12 m3/h，流速为0.51 m/s.对采样时间段为8∶30～次日8∶30的数据进行分析，描绘P1，P2的水温变化曲线，如图5和图6所示.

由图3、图4可以看出，在夏季典型日内，P1和P2的水温变化趋势大致相同，并且供水管变化幅度要比回水管大.地埋管供水管在距自然地表5～15 m段，P1在8∶00～20∶00时段内温度下降幅度较大，在次日2∶00～次日8∶00时段内温度下降幅度平缓，而P2在整个测试时段内温度下降幅度均较为平缓，该段为饱和换热层；在距自然地表15～40 m段，P1，P2的测点水温均随着深度的增加呈下降趋势，该段为换热层；在距自然地表40～100 m段，P1，P2的测点水温变化幅度较为平缓，该段为未换热层.地埋管同一深度测点水温随时间的变化规律基本相同，机组大部分时间处于供冷状态，地埋管累积负荷在8∶00～次日8∶00时段内持续增加，水温呈上升趋势.

测点位置

测点位置

由图5、图6可以看出，在冬季典型日内，P1和P2的水温变化趋势大致相同，并且供水管变化幅度要比回水管大.地埋管供水管在距自然地表5～10 m段，P1在14∶30～20∶30时段内温度上升幅度平缓，在其余时段内温度上升幅度较大，而P2在14∶30～次日2∶30时段内温度上升幅度平缓，在其余时段内温度上升幅度较大，该段为饱和换热层；在距自然地表10～40 m段，测点水温均随着测点深度的增加呈上升趋势，该段为换热层；在距自然地表40～100 m段，测点水温变化幅度较为平缓，该段为未换热层.地埋管同一深度测点水温随时间的变化规律基本相同，由于建筑负荷特点，在8∶30～20∶30时段内末端负荷增加，地埋管累积负荷持续增加，水温呈下降趋势；在次日2∶30～次日8∶30时段内末端负荷减少，地埋管累积负荷逐渐减小，水温呈上升趋势，并且该趋势在供水管0～30 m段以及回水管0～10 m段较为明显.

3.2 同一月地埋管平均水温情况

分别取夏季最热月和冬季最冷月的双U地埋管实测数据进行分析.夏季运行时，取7月份的月平均温度进行分析，冬季运行时，取2月份的月平均温度进行分析，并描绘其水温变化曲线，如图7所示.

由图7可以看出，7月土壤源热泵系统运行期间，P1和P2的水温变化趋势大致相同，并且供水管变化幅度要比回水管大.饱和换热层处于距自然地表5～15 m段；换热层处于距自然地表15～40 m段；未换热层处于距自然地表40～100 m段.由于热短路现象，在距自然地表5～30 m段，P1供水管上各测点温度比P2总体偏低，P1回水管上各测点温度比P2总体偏高； P1，P2上其余测点温度相近，但P1的测点温度略高些，两温度分布曲线在G30～G40段出现交点.

测点位置

2月土壤源热泵系统运行期间，P1，P2的月平均水温分布曲线大致相同.饱和换热层处于距自然地表5～10 m段；换热层处于距自然地表10～30 m段；未换热层处于距自然地表30～100 m段.由于热短路现象，在距自然地表5～30 m段， P1供水管上各测点温度比P2总体偏高；P1，P2上其余测点温度相近，但P1的测点温度略低，两温度分布曲线在接近G30处出现交点.

3.3 同一季地埋管平均水温情况

在土壤源热泵系统运行期间，分别取夏季、冬季系统运行期间的双U地埋管实测数据的平均值进行分析，并描绘其水温变化曲线，如图8所示.

测点位置

由图8可以看出，土壤源热泵系统制冷季期间，P1，P2的季平均水温变化趋势和3区换热模型均同系统最热月运行期间的大致相同.由于热短路现象，在距自然地表5～40 m段，P1供水管上各测点温度比P2总体偏低，P1回水管上各测点温度比P2总体偏高； P1，P2上其余测点温度相近，但P1的测点温度略高些，两温度分布曲线在G40处出现交点.

土壤源热泵系统制热季期间， P1，P2的季平均水温变化趋势和3区换热模型均同系统最冷月运行期间的大致相同.由于热短路现象，在距自然地表5～30 m段，P1供水管上各测点温度比P2总体偏高； P1，P2上其余测点温度相近，但P1的测点温度略低，两温度分布曲线在G20～G30处出现交点.

4 基于层换热理论的地埋管保温换热性能分析

采用换热器效能εΛ[13]来衡量“热短路”对地埋管换热器的影响，换热器效能是指在同样的运行条件下，地埋管换热器的实际换热量与最大换热量之比，如式(4)所示.

(4)

式中：ρ为进出水平均温度下的密度，kg/m3；Cp为水的定压比热，取4.19 kJ/(kg·℃)；V为循环水流量，m3/h；ti为地埋管换热器进水平均温度，℃；to为地埋管换热器出水平均温度，℃；tmax为地埋管换热器进水最高温度，℃；tmin为地埋管换热器进水最低温度，℃.

(5)

式中：εΛi为保温地埋管换热器效能；εΛn为不保温地埋管换热器效能；Δti为保温地埋管换热器进出水温差，℃；Δtn为不保温地埋管换热器进出水温差，℃.

考虑本实验测点的局限性以及一定的水温波动幅度，实验结果分析得本实验项目饱和换热层深度Ls=5～15 m，换热层深度Lt=20～30 m，未换热层深度Ln=60 m.Ls按最不利条件取15 m ，Lt按最不利条件取30 m，则由式(2)计算的回水管Li= 46 m，则由式(3)计算的回水管Lr= 31 m.本实验地埋管保温长度与最合理保温长度相近.本实验系统地埋管换热层的变化主要集中于供水管饱和换热层和换热层，结合该变化规律，分别将地埋管不同运行期间的换热效能汇总列于表1,表2.

表1 夏季地埋管换热能效分析

表2 冬季地埋管换热能效分析

由表1可看出，典型日7月31日8∶00～次日8∶00，地埋管换热持续进行，饱和换热层在增加，土壤所承受的累积负荷在增加，不保温地埋管P1的换热能效呈下降趋势，而保温地埋管P2换热能效保持在0.65左右，ε'Λ持续提升，由9.68%增加到21.23%.月平均和季平均所分析的是当月、当季的平均效果，得到的是负荷的累积效果，7月平均ε'Λ上升到28.57%，制冷季平均ε'Λ上升到41.48%.可以看出，回水管保温对换热能效的提高有显著影响.

由表2可看出，典型日2月17日08∶30～14∶30，地埋管换热开始，机组逐渐达到满载运行，P1，P2的换热能效呈上升趋势，能效比较系数ε'Λ持续提升，由3.63%增加到5.41%.14∶30～次日2∶30，地埋管换热持续进行，饱和换热层在增加，土壤所承受的累积负荷在增加，不保温地埋管P1的换热能效呈下降趋势，而保温地埋管P2换热能效保持在0.5左右，能效比较系数ε'Λ持续提升由5.41%增加到11.81%.次日2∶30～8∶30，负荷逐渐减少，饱和换热层在缩小，土壤所承受的累积负荷在减小，不保温地埋管P1的换热能效呈上升趋势，而保温地埋管P2换热能效呈下降趋势，ε'Λ降到4.75%.月平均和季平均所分析的是当月、当季的平均效果，得到的是负荷的累积效果，2月平均ε'Λ上升到23.08%，制热季平均ε'Λ上升到40.54%，可以看出回水管保温对换热能效的提高有显著影响.

由上述分析可以得出，本实验项目所确定的最合理保温长度能缓解地埋管换热器的“热短路”问题，达到其保温效果.尤其是在累积负荷期较长的情况下，累积负荷越大，回水管保温的效果越明显，越有利于实现地埋管换热器冬季“高温”出水，夏季“低温”出水，对供回水温差的提高有显著影响，进而提高地埋管的换热能力.

地埋管换热器的流量会影响地埋管的换热情况，所以本实验项目夏季地埋管的3区换热模型与热响应测试数据分析出的结果不同，实际饱和换热层增加，换热层下移，可能会影响保温层的保温效果.而且本实验项目夏季负荷大于冬季负荷，随着运行时间的持续，负荷的累积，夏季地埋管的换热能效大于冬季地埋管，夏季地埋管饱和换热层的下移速度也比冬季快，夏季地埋管的保温性能也比冬季的明显，同等运行时间内的能效比较系数ε'Λ也较大.针对其余地区的土壤源热泵系统，“热短路”问题是普遍存在的，回水管保温是解决该问题的有利措施.在实际工程设计时，应在热响应测试时详细测试不同运行工况下的地温变化情况，并根据土壤换热特性、经济政策以及对冷热负荷需求的不同等因素，通过理论计算合理确定土壤源热泵地下换热器的各换热层长度，进而确定合理的回水管保温长度.

5 结 论

本文基于层换热理论，以重庆某实际工程为例，对其实际运行状况下的地埋管换热器供回水管不同深度的水温进行了现场实测，从不同时刻地埋管平均水温和地埋管换热器能效两个方面对实测数据进行了处理，研究了回水管保温与不保温时垂直双U地埋管换热器的全年换热情况，分析得出如下结论：

1)实测数据分析得出，本实验项目饱和换热层深度Ls=5～15 m，换热层深度Lt=20～30 m，未换热层深度Ln=60 m.

2)回水管保温换热器P2的不同时刻换热能效、月平均换热能效、工作季(制冷季、制热季)平均换热能效均比回水管不保温换热器P1高.其中不同时刻换热能效冬季高出3.63%～11.81%，夏季高出9.68%～26.23%；月平均换热能效高出23.08%～28.57%；季平均换热能效高出40.54%～41.48%.

3)可通过完善土壤源热泵热响应测试，分析得出系统地埋管换热器的3区换热模型，从而确定回水管保温长度.回水管最保险的保温长度Li为Ls与 Lt之和，并考虑一定的富裕系数；最合理保温长度Lr为Lt的深度值，并考虑一定的富裕系数.本项目Li=46，Lr=31 m.

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