地源热泵垂直埋管换热器换热效率下降因素分析

目前，国内地源热泵项目的应用已经非常普遍，许多专业分包单位根据经验值进行埋地换热器的设计。虽然项目在土壤冷热平衡问题上采用了冷却水塔补充，但是随着使用年限的增加，有些地源热泵项目已经不能在制冷工况下正常运行。这种现象不仅影响到空调系统的正常使用，也导致项目投资的浪费。本文运用ANSYS 的稳态换热模块，对单U 管换热井换热性能下降的影响因素进行了模拟分析。

1 ANSYS分析的合理性与局限性

ANSYS 作为一种有限元分析软件在热分析方面具有强大的功能，如果换热物体的物性不发生变化，分析结果基本接近事实。对于建筑面积较大的地源热泵项目，埋地换热井设计数量多达几千口。如果对整个项目换热井进行模拟，模型较大，模型网格划分较密，一般的计算机很难模拟其运行情况。ANSYS模拟换热温度场时，需要简化换热模型，通常截取几个管井的垂直断面，分析其在不同土壤导热系数及其它参数下对换热结果的影响。

2 Ansys模拟换热井温度场

ANSYS 的分析应用主要特点在其直观的图像表现，在热分析上同样的效果。以河北邢台某地源热泵项目勘测数据为例，其垂直U 型管埋地换热器的基本参数见表1。在表1 参数下，单U 井温度场如方案1 所示。单U 井6×6 间距4m 管井排列温度场如方案2 所示。

表1 U型井换热器初始参数

单个管井换热分析中，可以清晰的看出HDPE 管壁温度30℃，在恒热流为50W/m 的换热情况下，管道内水的平均温度tf为：

管井数量为6×6，间距4m 的换热分析中，运行结果，管井水平断面温度图像只能显示出井壁温度19.76℃，在热流量50W/m 的换热情况下，管道内水的平均温度tf为：

无限远处土壤温度为18℃，以《地源热泵系统工程技术规范》B.0.1-7 公式，土壤的热扩散率a取0.23×10-6m2/s，8h后Rs热阻为0.064 (m·K)/W；计算埋管内平均水温tf为：

通过单U 井和多个U 型管井（6×6）的换热模拟分析，地源热泵在初始运行的过程中，地埋管出水温度在30℃（低于管内平均温度1.5℃），是一种良的好运行状态。

3 垂直埋地换热器在不同土壤、回填土导热系数下温度场分析

假定HDPE 和回填土导热参数不变的情况下，改变土壤导热系数系数参数，在恒热流50W/m 的换热情况下，进行ANSYS 换热模拟单U 井周围温度场分布见方案3～6 所示，通过模拟的井壁温度计算出埋地换热器的出水温度（见表2所示）。

3.1 不同土壤导热系数下换热管井截面的温度场（图1）

图1

由表2 可以看出，随着土壤导热系数的下降，地埋管出口温度在不断升高，方案3 计算埋地管进、出水温分别为34.5℃、31.4℃，在此温度下运行，热泵机组的效率略高于使用冷却水塔的情况；方案4 计算埋地管进出水温分别为35.7℃、32.6℃，可以近似在冷却水塔下热泵机组的运行效率；如果在地质勘探时，土壤导热系数小于1.2W/(m·K)，则不建议采用地源热泵系统，或者说不能在夏季工况下使用地源热泵。方案6 的情况下，热泵机组运行一段时间会停机。

表2 不同温度下地埋管出水计算温度

3.2 不同回填土导热系数下换热管井截面的温度场（图2）

图2

表3 不同温度下地埋管出口温度

由表3 可以看出，随着回填土导热系数的下降，地埋管出口温度在不断升高，方案7 计算埋地管进、出水温分别为35.1℃、32.1℃，可以相当于在使用冷却水塔下热泵机组的运行效率；如果回填土导热系数小于0.6W/(m·K)，热泵的实际效率就会小于额定工况下的效率。埋地换热器的回填作为地源热泵系统施工上重要的一个环节，如果回填土选取或施工不当，会降低热泵的使用性能。Case10 的土壤导热系数和回填土导热系数是模拟各种变量变化过程中，地源热泵在制冷工况下运行的一组临界点数据。

4 换热井换热效率下降因素分析

4.1 埋管出水温度对热泵效率的影响

地源热泵机组在夏季运行工况下，在蒸发温度不变的情况下，其冷凝温度随着埋管换热器出水温度的变化而变化。对于特定的机组，其实际制冷量与冷却水进水温度（to）、冷凝温度（tc）的关系为：

对于额定制冷量以冷凝温度（tc）以30℃标定的机组，由公式1 可以看出，热泵机组实际制冷量随着埋地换热器出水温度（to）的升高而下降，如果埋地换热器出水温度升高到40℃以上，制冷机组就无法启动了。

4.2 土壤含水率对管井换热的影响

已有的研究表明，土壤导热系数与其密度、空隙比、饱和度等因素有关。当土壤主要是粘土时，土壤导热系数与含水率的关系式如式（2）：

对于沙层土壤，土壤导热系数与含水率的关系式如式（3）：

式（3）中ω—水分所占质量分数（%）；rsd—土壤干密度（kg/m3）。

从公式（2）可以看出，土壤的导热系数与含水量是正相关关系，随着含水率的增加而增加。假设土壤干密度为1642kg/m3，土壤导热系数与含水率如图3 所示。

图3 土壤（粘土）导热系数与含水率的关系

另有试验数据表明，干燥土壤的导热系数为0.202W/(m·K)，随着含水率的增加，导热系数数近似线性规律增加。当含水率达到20%后，导热系数达到1.445W/(m·K)的最大值，随后不再增大而是缓慢下降，到30%时降到1.312W/(m·K)，随后再缓慢增加。

根据方案4 表明，土壤导热系数1.2W/(m·K)时，是夏季使用地源热泵制冷运行的一个临界值，所以在土壤含水率小于12.5%，其换热效率将开始明显降低。

5 结语

土壤源热泵的设计应用中，土壤的导热系数、回填土导热系数有一个临界值，下降到一定范围内，会影响到夏季在制冷工况下的使用。土壤源热泵在制冷工况下，随着系统不断运行，埋管外土壤热阻不断增加，导致埋管出水温度的不断上升，从而导致热泵效率的下降。因此，土壤源热泵使用在24h 使用的建筑（例如酒店），其夏季换热效率会不断降低。

由于地下水位的下降，土壤中的含水率降低、或者井内回填土部分的密度下降，其导热系数会下降。土壤导热系数1.2W/(m·K)时，是夏季使用地源热泵制冷运行的一个临界点。因此，在土壤含水率小于12.5%，其换热效率将开始明显降低。

在地下水位下降的地区，应谨慎设计地源热泵系统。通过土壤热响应测试结果，土壤换热条件差的地区，地源热泵在夏季运行时，采用冷却水塔散热的比例要加大，而不是理论计算的满足土壤冷热平衡下的差值。