西安地区GSHP地埋管换热关键影响因素测试

杨永健

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 7100771；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

地热因其低能耗、绿色低碳、稳定可靠等特点，有望成为人类未来的重要替代能源［1］。近25 年来，我国地源热泵经历了起步—发展—快速发展的过程，尤其是近5年得到了快速发展，使用建筑面积达到13.92 亿m2［2～3］，仅2020 年就增加了1.73 亿m2［4］。但地源热泵在我国的快速应用也存在着很多安全隐患，如大规模使用没有相关成功案例、前期勘察规范性差、施工质量差、应用多研究少、运营管理粗放等［5］。平均地温、换热器管径、连管方式、换热器型式、媒介流速是影响地埋管换热性能的几个主要因素［6-9］，我国东西南北地层冷热需求差异很大，而地层等地质条件是影响换热量的主要因素［10］，研究成果较少。近些年来，部分学者开展研究，试图提高地源热泵地埋管换热效率，但主要通过室内数值模拟计算［11］。适当增大地埋管管径可减小流体在地埋管内流动时的沿程阻力，降低水泵运行能耗；减小地埋管管径可以增强地埋管内循环水与管壁的对流换热。工程应用时应该综合考虑，择优选择管径。地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用12］。文章针对西安地区地源热泵实际应用条件，现场施工了6 口不同型式的地源热泵换热器，通过变换因素测试其换热效果，分析各因素的影响程度及各种型式换热器的换热效果。

1 地源热泵垂直埋管类型及特性

地源热泵地埋管换热器根据埋管方式分为水平式地埋管和垂直式地埋管［13］。而国内以垂直式地埋管为主，垂直式地埋管有以下几种常见型式［14-16］：

1）单U 型地埋管。同一个竖井中埋设一组U型换热管，该种埋管形式为传统埋管方式，其安装和运行费用低，换热管延米换热量最高，但换热器数量多、占地面积最大。

2）双U 型地埋管。同一竖井中埋设两组U 型管，是基于单U型地埋管基础上发展而来，地埋管换热器延米换热量较单U 型地埋管有所提高，单位面积换热量变大，但施工成本也随之增高。由于其换热性能较好，施工简单，占地面积少，在国内外得到了广泛的应用。

3）套管式地埋管：由两根直径不同的同轴套管组成，内管直径为25～90mm，外管直径为50～200mm。它通过增大管壁与土壤的换热面积来提高单位管长的换热量。由于套管大部分采用铁质材料，耐久性差，下管也比较麻烦，套管端部与内管进、出水接口处不易处理，容易发生泄露，应用较少。

U 型地埋管连接方式分为并联和串联两种，并联时循环介质仅流经一个U 型管，串联时循环介质从一个U 型管流出后会进去另一个U 型管，一般串联数为2个，串联后循环介质与土壤换热更为充分。

2 现场测试及结果

2.1 测试条件

为了更好的掌握西安地区各种型式地源热泵换热器的换热效率，中煤科工集团西安研究院测试场地位于西安市高新区，测试时间为2018 年6-9月，现场共施工6 口测试井，深度均为150m，钻孔直径为150mm，换热器材料均为1.6MPa 的HDPE，测试孔详细参数见表1。地层结构主要分为5 层（表2）。回填材料为原浆+黄沙（体积比80%+20%），地下稳定地下水位为16m。

表1 测试孔参数Table 1 Test Borehole parameters mm

表2 主要地层Table 2 Main stratum

2.2 测试内容

影响地埋管地源热泵换热器换热性能的因素众多，如埋管形式、运行工况等，主要有管径、连接方式、管型、流量、进水温度等。本文针对以上因素做了现场热响应测试，为了更好体现影响因素对换热量的影响程度，同一组试验变量唯一。测试过程遵循“三个同一”，即试验过程同一人员、同一测量仪器、同一测试方法。主要有以下测试内容。

1）初始温度测试。土壤源热泵冷热源均为土壤，因此其系统性能与土壤热物性关系密切。土壤热物性和气相条件决定了埋管换热器的最佳深度和最佳间距，但是不同地区地埋管换热器的深度和地埋管之间的距离也不相同。土壤初始温度的高低决定了传热温差，继而影响换热能力的大小，因此土壤源热泵设计的重要参数之一是当地土壤的初始温度。

2）全年地温监测。地温是影响地埋管换热器换热效率的最主要因素，如平均地温，年变化幅度等［17］。大部分地区深度超过一定范围温度将不随随季节变化，但该深度各个地区差异较大。本次测试对地下温度进行了数年的长期监测，从而得出该地区地下温度年变化情况。

3）不同管径换热量测试。地埋管换热器直径也是影响换热量的主要因素，现场施工了2 口双U型地埋管管热器，管径分别为25mm 和32mm，对两口其他参数一样的换热井进行热响应试验，测试不同管径对换热量的影响。

4）不同连接方式换热量测试。换热器主要有串联和并联两种方式，但相同孔数的串并联换热量是不同的，目前并联系统应用较为广泛，但也有不少串联的案例［7］，本试验采用DN32 单U 及双U 的是3 口换热井采用两种方法连接，测试不同连接方式对换热量的影响。

5）不同管型换热量测试。常见的换热器有单U、双U 及同轴套管，不同管型的换热器延米换热量不同，系统能效也有差距。部分研究显示，同轴套管换热量要大于双U 及单U 型换热器［8，18］。本文通过对不同管型的换热器进行热响应测试，评价各种形式换热器换热效率。

6）不同流速换热量测试。埋管内流体的流速决定着管内流量，随着流速的增大，流体在支管间运行时间减小，支管进、出口的温差减小，支管间的热损失也随之降低，换热效率升高。胡平放［19］等人模拟研究发现，当流速较小时，随着井深的增加，单位管长换热量降低趋势逐渐增加，而随着流速的增大，井深对单位管长换热量的影响逐渐降低，当流速达到0.6m/s 时，井深对单位管长换热量的影响基本消失。

2.3 测试结果

根据不同影响因素，本文根据现场热响应测试，通过华中科分别技大学GTA——地源热泵岩土热物性分析软件，从以上几个方面进行变工况变条件下地埋管地源热泵换热特性测试。通过对不同埋管管径及布管形式进行现场热响应测试，管径分别为DN25和DN32，布管形式有DN32 单U、DN32 单U 双孔串联、DN32单U双孔并联、DN25双U并联、DN32双U串联、DN32双U并联、DN63及DN75同轴套管换热器。

2.3.1 土壤初始温度监测

本次试验分别进行了热响应前初始温度测试、热响应试验过程地层初始温度，温度曲线如图1。在钻孔内沿深度（150m）布设13 个监测点，深度分别为0、5、10、20、30、45、70、75、90、105、120、135 和150m。热响应测试前采用预埋传感器测试原始平均地温，再采用热响应无功循环测试初始平均地温。通过传感器对初试地温测试，原始地层平均地温为16.73℃，热响应无功循环初始平均地温17.37℃。由上述测试结果可以看出，未扰动前不同地层温度差异明显，而在埋管流体循环流动下地层温度区域稳定，可见埋管换热过程影响埋管周围地层温度场分布。

图1 初始温度测试Figure 1 Initial temperature test

2.3.2 地层年温度监测

本次监测从2018 年8 月15 日开始至2019 年7月15日结束，监测结果见图2。

图2 地温年变化曲线Figure 2 Annual variation curve of ground temperature

由图2 看出，该地变温带深度为0～20m，受季节环境温度影响较大。恒温带的深度约为20m，监测范围内平均温度约为16.3℃，随着地层深度的增加，地层温度逐渐变大，至150m 深处地温达到19.1℃，地温梯度约为3.1℃/100m。

2.3.3 不同管径换热量测试

通过对双U 型两种管径换热器换热量测试，夏季延米换热量DN32 的为61.2w/m，而DN25 的为51.25 w/m，冬季延米换热量DN32 的为43.6w/m，而DN25 的为42.6 w/m。因此，两种管径在夏季换热量方面差别较大，DN32 较DN25 提高了19%，而冬季换热量提高不明显。

2.3.4 不同连接方式换热量测试

通过对DN32 单U 及双U 两种管型的串联和并联两种连接方式换热量进行了测试，测试结果见图3。从图3 测试数据可以看出，双U 的夏季换热量比单U 的提高了36%，冬季换热量提高了26%。单U和双U的两种管型串联比并联在夏季换热量提高了16%，冬季换热量提高了14%。

图3 不同连接方式换热器换热量对比Figure 3 Comparison of heat exchanging capacity of ground heat exchangers with different connection methods

2.3.5 不同管型换热量测试

对多种套管类型换热器换热量进行了测试，测试结果见图4。从图4 可以看出，DN75 套管换热器延米换热量最高，而DN32 单U 换热量最低。DN32双U比DN32单U夏季换热量提高了35%，冬季换热量提高了26%。DN75 套管换热器夏季换热量比DN32双U的提高了10%，冬季换热量提高了7%。

图4 不同管型换热器换热量对比Figure 4 Comparison of heat exchanging capacity of different tube type heat exchangers

2.3.6 不同流量换热量测试

对DN32 双U 换热器采用变流量热响应测试，流量为1m3/h 和0.8m3/h 时夏季延米换热量分别为61.2 w/m、47.7 w/m，冬季延米换热量分别为43.6 w/m、34.5 w/m。因此，从以上测试数据可以看出，1m3/h时夏季延米换热量比0.8m3/h 高28%，而冬季换热量比0.8m3/h高26%。

3 结果分析

本次采用传感器测试的地温原始平均地温16.73℃，采用热响应无功循环初始平均地温17.37℃，热响应测试初始地温略大于孔内分层测试地温，主要原因为循环水泵工作时产生一部分热能传递给地埋管介质流体。变温带深度约为20m，受季节环境温度影响较大。地温梯度约为3.1℃/100m。

影响换热量的因素比较多，从试验结果可以看出，同轴套管的换热量最高，DN32 双U 次之，DN25双U 第三，DN32 单U 最小。管径方面，DN32 双U 比DN25双U夏季换热量提高19%，而冬季换热量提高不明显。连接方式方面，串联整体换热量均大于并联，单U 和双U 的两种管型串联比并联在夏季换热量提高了16%，夏季换热量提高了14%。管型方面，同轴套管比其他形式换热器的换热量高。随着科技的进步，耐久性材料已不断迭代，同轴套管换热器能够满足各种需求。而在本次测试中同轴套管外管直径为DN75，施工时钻井直径更小，费用更低。流量测试方面，当流量在0.8～1.0m3的情况下，流量越大，换热量越大。但是，更大的流量意味着更高的循环功率，因此应该在换热量和经济上上寻找平衡点。

在实际工程和系统的运行中，由于各种因素之间相互影响，很难使每个因素的影响效果都达到最佳。通过分析各因素对换热性能的影响规律，以期能为地源热泵系统的优化设计和经济性运行提供一定的帮助。

4 结论

1）影响地源热泵地埋管换热量的因素较多，主要有地层温度、换热管直径、连接方式、换热器形式等，但影响大小不同，研究各因素对换热量影响是必要的。

2）本次采用传感器测试的地温原始平均地温16.73℃，采用热响应无功循环初始平均地温17.37℃。变温带深度约为20m，恒温带顶面深度约为20m，地温梯度约为3.1℃/100m。

3）从试验结果可以看出，同轴套管的换热量最高，DN32 双U 次之，DN25 双U 第三，DN32 单U最小。

4）根据经验，河流附近或古河道附近地层及地下水变化较大，应具体测试。