地源热泵可持续设计方法

王 琬

(贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳 550025)

可持续发展的关键组成部分是将在制造业中启用集成可持续性[1]。可持续制造定义为采用无污染，节约能源与自然资源，对员工，社会和消费者均经济、安全的过程制造产品[2]，其中可持续过程设计模块作为可持续发展的重用组成部分，包含设备设计的核心元素。地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能)实现由低品位热能向高品位热能转移的设备[3]，具有环保、高效、节能、污染小、维护简单的特点，有利于绿色发展和可持续发展。

HZOELLY于1912 年在瑞士提出地源热泵概念[4]，进入90 年代后,地源热泵的应用进入了一个蓬勃发展发展的时期[7]。1993年成立了国际土壤源热泵协会,1996年该协会推出了专门报道地源热泵研究的期刊和网上杂志，地源热泵要开始应用于大型的商业建筑等[5]。根据PIKERESEARCH 研究的报告，地源泵的销量将在未来几年呈快速增长态势，美国年销量预计将从2011 年的15万台套快速增长到2017年的32.6 万台套，据预测，全球直接使用地热的应用量到2017 年将增长至179%[6]。

通常情况下，使用标准GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》进行设计，设计裕度较大，不利于可持续发展。国内学者对地埋管地源热泵技术的研究主要集中在以下方面[7]：复合式地源热泵系统[8-9],地埋管壁厚对地源热泵运行的影响[10]，管群间歇运行对土壤温度的影响[11]，地源热泵U型管换热器的传热模型[12-14]，地埋管换热器的传热模拟[15-17]，地埋管壁厚对地源热泵运行的影响[18]。

地源势泵核心问题是传热模型的分析，说明换热性能将直接影响地源热泵的经济性和技术性能。土壤中的地埋管形式、埋管深度、管内循环水流速、土壤初始温度、运行模式等都是影响地源热泵性能的主要因素[19-20]。其中最为关键的因素是管材的导热热阻、封井材料的导热热阻和管内循环液的性质[21]。传热可分为钻孔内部传热和钻孔外部传热[22]。其传热过程可以描述为：地埋管内循坏水与地埋管内壁的对流换热过程、地埋管壁内的导热过程、地埋管外壁与回填材料之间的传热过程、回填材料内部的导热过程、回填材料与钻孔壁之间的传热过程、钻孔周围土壤的导热过程[23]。

1 工作流程

工作时，地埋管1内的循环水在循环水泵8作用下，分别进入冷凝器5(加热工况)或蒸发器3(制冷工况)，当循环水温达到工作要求，进入末端装置6，参与室内空气循环，当温度改变后，再次循环至地埋管，实现地源热泵功能。

1-地埋管 2-膨胀水箱 3-蒸发器 4-压缩机 5-冷凝器 6-末端装置 7-节流装置 8-循环水泵图1 地源热泵的工作流程Fig.1 The flow chat of groud resource heat pump

2 地源热泵可持续设计方法

地源热泵可持续设计方法，根据传统设计(或实际施工)手册，基本参数指导下进行设计，根据所设计数据，建立模型，再针对模型进行仿真模拟，优化参数范围，在对模型修改。最终由最小化固定投资或最下年操作费用等目标条件下获取最优地源热泵设计，本设计方法仅为初始结构设计，对于进一步地源热泵细节设计，如技术经济分析，可持续性分析，安全分析等，需进行进一步细节设计。

图2 地源热泵可持续性设计方法Fig.2 The sustainable design approach of groud resource heat pump

3 设计基本参数

针对贵阳市的某一小型别墅，户主要求采用地源热泵系统。该建筑物的面积为600 m2，建筑物周围有较大的埋管面积，而且取水方便。

根据地历年的水文、气温，取设计条件及工程参数，设计条件及工程参数如表1所示。

所设计地源热泵参数如表2所示。

4 实例仿真结果及说明

采用ANSYS Workbench的Steady State Thermal(稳态温度模拟)、Transient Thermal(瞬态温度模拟)模块对地源热泵地埋管的相关设计参数进行模拟分析。模拟过程中进行了以下简化：把单U型管视为一当量直管；循环水水体温度均一为平均温度；忽略土壤与大气的换热；回填材料外壁的温度为均匀定值。模拟步骤如下：(1)设置物性参数；(2)建模，在DesignModeler中根据尺寸建立三维几何模型；(3)网格划分；(4)载荷；(5)求解；(6)结果和后处理。

表1 设计条件及工程参数表Tab.1 The parameters of design condtion

表2 地源热泵设备参数Tab.2 The parameters of groud resource heat pump

地源热泵工作过程中模拟参数如表3所示。

表3 模拟参数Tab.3 The simulation parameters

4.1 钻孔间距变化对土壤外侧温度的影响

热泵工作属性模拟参数，如表2所示，在加热工况及制冷工况下，研究管间距改变，对土壤外侧温度的影响，其结果如图3所示。

图3 钻孔间距对土壤外壁温度变化图Fig.3 The influence of borehole spacing VS.temperature variation on soil outer wall

从图3中可知：在模拟范围内，随着钻孔间距增大，换热效果越好；钻孔间距为1～3 m时，温度梯度较小，钻孔间距为3～7 m时，梯度较大。加热工况时，钻孔间距从1 m增加到7 m时，土壤外侧温度由6.500℃降低到13.533℃；制冷工况时，钻孔间距从1 m增加到7 m时，土壤外侧温度由32.50℃降低到20.31℃。因此在实际工程允许的情况下应选取较大的钻孔间距。结合设计手册，本实例中推荐的钻孔间距为4～6 m。

4.2 钻孔孔径变化对回填料内壁温度的影响

通过改变钻孔孔径模拟回填材料的温度分布云图，分析地源热泵U型管换热器的换热效果受钻孔间距的影响。GB 50366—2009中规定钻孔的最小间距为0.11 m，综合考虑成本及施工，拟孔径范围Db为0.11～0.25 m，分别在加热、制冷工况下进行模拟。

图4 钻孔孔径对回填料内壁温度变化Fig.4 The influence of diameter of borehole VS.temperature variation of inner wall

由图4中可知，在模拟范围内，钻孔孔径越小越好，但是孔径过小，不利于施工；推荐的钻孔孔径为0.13～0.19 m。加热工况时，钻孔孔径由0.07 m变化至0.25 m，回填料内壁温度由13.19℃降低到10.25℃。当钻孔孔径为0.07 m时，回填料内壁温度最高，有利于管内循环水的吸热。制冷工况时，钻孔孔径由0.07 m变化至0.25 m，回填料的内壁温度由20.84℃升高到26.18℃；当钻孔孔径为0.07 m时，回填料内壁温度最低，为20.84℃，有利于地埋管内循环水放热。

4.3 回填材料导热系数变化对内壁温度的影响

图5 回填材料导热系数对内壁温度变化图Fig.5 The influence of thermal conductivity of backfilling material VS.temperature variation of inner wall

由图5可以看出，回填料导热系数越大，越利于地埋管换热器的换热。加热工况时，回填料导热系数从0.5 W·m-1·K-1变化到3.5 W·m-1·K-1，回填料内壁温度从7.95℃升高到11.75℃；制冷工况时，回填料导热系数从0.5 W·m-1·K-1变化至3.5 W·m-1·K-1，回填料的内壁温度从29.97℃降低到23.37℃。在实际应用中，应采用导热系数大的回填材料。回填材料导热系数改变可通过配比回填料成分实现，GB50366—2009中所给出配比的回填料导热系数范围为0.73～2.42 W·m-1·K-1。推荐使用的回填料导热系数范围为2～3 W·m-1·K-1，但必须注意，回填料导热系数必须大于周围土壤的导热系数。

4.4 地埋管管径变化对管壁温度影响

在制冷工况下由图6可以看出：随着地埋管管径增大，PE管内壁温度变化不明显，而外壁温度逐渐增加；当管径由20 mm增加到50 mm时，内壁温度由32.47℃升高到32.49℃，变化不明显，而外壁温度由25.97℃降低到22.78℃。

图6 地埋管管径对管壁温度变化图Fig.6 The influence of diameter of buried pipe VS.temperature variation of outer wall

当管径由20 mm增加到50 mm时，加热工况下，内外管壁温差由3.75℃增加到5.58℃；制冷工况下，内外管壁温差由6.51℃增加到10.70℃。随着管径的增大，在地埋管管内散失的热量增多，有利于管内循环水的放热，在实际工程中取大管径，同时要综合考虑成本的问题。

在加热工况下取小管径，而在制冷工况下要取大管径，当热泵机组一机两用时要综合考虑，取适中的管径。

5 结论与展望

地源热泵(GSHP)作为一种高效，可再生能源技术用于空间加热和冷却，该技术将大地视为恒温体，在冬季实现加热，夏季实现冷却功能。由于其可降低能源消耗及温室气体排放而备受关注。中国的目标为实现为地热替代十三百万吨标准煤,为获取更为有效的系统优化性能，本文提出了一种地源热泵的可持续性设计方法，运用模拟仿真技术，实现其相关结构性能指标参数选取。其相关制造成本及操作运行费用可进一步使用优化设计加以实现。