回水管保温对垂直双U型埋地换热器换热性能的影响

林久宇 李尚梅

摘要：利用CFD软件模拟研究回水管保温对垂直双U型埋地换热器换热性能的影响，进而搭建试验台利用自主研发的“岩土热物性测试仪”进行实验验证，结果表明回水管保温可以有效缓解双U型地埋管换热器热短路引起的热损失，提高地埋管地源热泵系统的换热能力，应尽量对回水管进行保温;在同一埋深下，回水保温长度并非越长越好，保温长度应等于地下埋管换热器饱和换热区和换热区的深度之和。

关键词：双U型垂直地埋管;回水管保温;热短路;实测

对地源热泵系统而言，运行时由于地下埋管换热器内的循环介质与周围土壤存在温差，流体从进口流入，与土壤换热后再流出，供水管和回水管内流动着冷热不同的流体，则供、回水管间定然发生热量回流现象，从而引起热损失，这种现象称为“热短路”[1]。

热短路会导致供热模式下换热器的出口温度低于理想的出水温度，而制冷模式下高于理想的出水温度，降低热泵系统的运行效率，对换热器实际的传热性能有较大影响，这是工程技术人员在设计施工时必须考虑的问题。前人研究表明提高支管间距可以缓解支管间的热量回流，但受限于钻孔的大小，只能一定限度的增大支管间距，而回填材料对热短路的影响相对较小，因此有必要寻求另外一种有效减小热短路的方法[2] [3];由于在狭小的钻孔内双U型埋管换热器较单U型埋管换热器多放置了一组U型管，其供、回水管间的热量回流现象更为严重，因此，双U型地埋管换热器的热短路研究尤为必要。本文针对这一问题，对双U型地埋管换热器回水保温对热短路的影响进行模拟和实验研究。

1 模拟研究

为了探讨回水保温对双U型地埋管换热器“热短路”现象的影响，本文在连续运行5天及间歇运行9小时工况下，采用PHOENICS软件模拟100米埋深双U型地埋管在60m保温、40m保温和不保温三种工况下的进出口温差和单位管长换热量，得到双U型地埋管换热器回水管保温长度对热短路的影响。

连续运行5天工况下的模拟结果表明，100米埋深双U型地埋管在同一保温长度、不同流量下的进出口温差及单位井深换热量区别很小，分析其原因，是因为经过长时间的运行，地埋管换热器与土壤间的换热已经趋于平衡，因此地埋管进回水温差不会随流速的变化而有大幅的增减;模拟结果还显示在相同的流量下，回水保温60m工况下的进出水温差及单位井深换热量最大;40m保温工况次之;而不保温工况下最小，远小于回水管保温60m工况，这说明对回水管进行保温，供回水管间的热短路得到了一定的缓解，因此为了提高换热器的换热性能，有必要对回水管进行保温。

间歇运行9h工况下模拟结果表明， 100米埋深双U型地埋管在同一保温长度下，地埋管进回水温差随流量的变化而变化，流量越小，进出口温差越大;在相同的流量下，回水保温60m工况下的进回水温差及单位井深换热量最大;40m保温工况次之，但相差不大;而不保温工况下最小，远小于保温60米工况，结果同样表明不保温管工况下的热短路最严重，回水管保温以后热短路引起的热损失得到了缓解。

分析以上结果，数值模拟结论表明对于双U型地埋管换热器而言，无论是长时间运行，还是间歇运行，回水管保温都能一定程度的缓解热短路引起的热损失，进而提高换热器的换热效率，但回水管保温长度并非越长越好，而应该等于饱和换热区和换热区深度之和。为了进一步探讨回水保温对“热短路”现象的影响，验证模拟结论的准确性，本文继续进行了现场实验测试。

2 实验研究

2.1 试验仪器

本文采用自主开发的“岩土热物性测试仪”搭建实验台进行了现场实验测试，该仪器的工作原理是在已钻好的钻孔中埋设管道并按设计要求回填，回路中充满水，开启循环水泵让水在环路中循环流动，稳定后测量得到原始地温;然后开启电阻加热器对循环水进行连续加热，保持加热功率不变，数据采集系统以一定的时间间隔自动记录流体流量、进出口水温、压差及测试时间，直至回路中水的进出口温度基本恒定，一般来说至少运行48小时以上。为了保证输入仪器内的电压恒定，避免因电压波动带来的加热功率不稳定，在加热器前端安置了调压器和稳压器。

2.2 实验方案

现场钻三个孔，钻孔深度为100m，钻孔直径130mm，钻孔间距为4.5m。其中一个钻孔内回水管不保温，另外两个钻孔内的回水管分别进行30m和50m保温。埋管形式为膨润土回填的垂直双U埋管，埋管材料为高密度聚乙烯管（PE管）。

2.3 实验结果分析

经过三天的长时间运行，埋管的进回水温差和单位井深换热量趋于平衡，将此时三种不同保温工况下的实验数据汇总。

结果表明，经过3天的长时间运行后，100m埋深双U型地埋管在同一流量、不同保温长度下的进回水温差区别较大，不保温井温差为1.7℃;30m保温井为2.4℃;50m保温井为2.7℃。进出水温差随着保温长度的增加而增大，但增大的速率变小;结果还显示经过3天的长时间运行后，不保温井内的单位井深换热量稳定在36.6W/m;30m保温井内稳定在52.0W/m;50m保温井内稳定在58.0W/m。不保温工况下的单位井深换热量最小，远远低于保温工况。说明回水管保温后的换热效果远远好于回水管不保温，因此应尽量对回水管进行保温，实验结论与模拟结论一致。

3 结语

通过以上对比研究，得到如下结语

3.1 对双U型埋管换热器而言，对回水管保温后地埋管的换热能力要远远高于不保温下的换热能力，回水管保温可以有效缓解热短路引起的热损失，提高系统的换热能力，因此应尽量对回水管进行保温;

3.2 对双U型埋管换热器而言，间歇运行可以提高地埋管换热器的换热能力，条件允许的情况下应尽量使地埋管地源热泵系统有一定的地温恢复期;

3.3 同一埋深下，无论是连续工况还是间歇工况，回水保温长度并非越长越好，保温长度应等于地下埋管换热器饱和换热区和换热区的深度之和。

参考文献：

[1]于明志，马腾腾，张凯，胡爱娟. 集群竖埋管地热换热器传热简化分析方法[J]. 化工学报 ，2016，5（ 5） ： 1844-1851.

[2]李灏，蔡颖玲.不同控制策略下的土壤源热泵系统夏季工况实验研究[J]. 建筑节能 .  2019， 47（12）： 86-92.

[3]范军，刁乃仁，方肇洪. 垂直U型埋地换热器两支管间热量回流的分析[J].山東建筑工程学院学报，2004，19（1）：36-39.