地源熱泵垂直地埋管傳熱性能影響因子分析★

趙麗博 段飛 李政

0 引言

地埋管換熱器作為地源熱泵空調系統最為關鍵的組成部分，其性能的優劣直接影響地源熱泵系統的技術能力和經濟性能。鑒于目前工程中應用最為廣泛的垂直地埋管系統，其影響因子主要有:管內流量、進口水溫、埋管深度、回填材料、鉆孔間距［1］等，準確的理解其機理和影響規律，尤其是主要影響因素的研究與分析，將對實際的工程應用產生很大的參考價值。

1 垂直地埋管換熱器影響因子

1)管內流量對換熱性能的影響。當U形管內的介質流量較小時，隨著流量的增加，U形管的換熱能力顯著增加，當流量增加到一定的程度后，U形管的單位井深平均換熱量的增加幅度變緩，且不同深度的鉆井的單位井深平均換熱能力會隨著流量的增加越來越接近。鉆井越深，U形管的單位井深平均換熱能力與流量的變化曲線變緩所需的流量也越大。流量越大，U形管的單位井深平均換熱能力會越大，鉆井越經濟，但是U形管的出入口溫差會減小，這勢必會增大熱泵的換熱器的面積。當流量增大到一定值后，單位井深平均換熱能力的增加幅度不會很大［2］。

2)進口水溫對換熱性能的影響。在地源熱泵的實際運行中，地埋管的進水溫度是隨著熱泵運行工況的不同而時刻變化的，從而引起單位鉆孔深度的換熱量的變化，同時，地埋管換熱器的熱阻亦隨之改變。不同流速下單位井深換熱量隨進口水溫變化的趨勢大體相同，即換熱量隨進口水溫增加呈線性下降。如果降低地源熱泵在冬季運行中U形管進口水溫將有利于U形管與土壤傳熱。使用較低的進口水溫，將會大大加強U形管與周圍土壤的換熱。這主要是由于進口水溫較低時水與周圍土壤的可利用溫差較大，換熱得到加強所致。可以推想，在夏季運行工況下，如果U形管的進口水溫升高，也會使水與土壤的溫差加大，必然也能增加單位管長的換熱量［3］。

3)埋管深度對換熱性能的影響。埋管深度對土壤源熱泵系統運行的有效性有很大影響。當機組運行時，單位管長換熱量會隨著埋管深度的增加而減小，這是因為當埋深增加時，循環液在管內停留的時間長，出水溫度會降低，當循環液的平均溫度降低時，它和周圍土壤的溫差減小，換熱情況惡化，也就是說增加的那部分管長由于管內流速降低，雖然換出了一部分熱量，但是熱流密度小，因此單位管長換熱量減少。特別是在運行時間較短的情況下，單位管長換熱量隨埋管深度的變化幅度較大，所以運行時間較短的情況下，不宜選擇較大的埋管深度［4］。

4)回填材料對換熱性能的影響。回填材料的導熱系數是決定地埋管換熱器換熱效果和系統效率的主要因素。王向巖等人［5］在制熱工況下，以超強吸水樹脂與源土的混合物為回填材料，對地源熱泵的運行特性進行了實驗研究，結果表明，在回填材料中注入少量水的情況下，能夠很好地改善土壤的非飽和性，增加土壤的導熱系數，提高土壤的熱恢復能力，明顯增大地埋管的吸熱量;楊衛波等人［6］的研究表明，增加回填材料的導熱系數有利于增強埋管的換熱強度，埋管出口溫度及單位埋管深度的吸熱量均會增大，但當回填材料的導熱系數值增加到一定值后，單位深度埋管吸熱量幾乎不再增加。

5)鉆孔間距對換熱性能的影響。在土壤源熱泵系統中，鉆孔間距的大小直接影響大換熱器的換熱效果以及埋管占地面積。當鉆孔間距減少時埋管換熱器所占的面積減少，同時由于埋管周圍土壤體積減少。相鄰兩埋管之間的熱干擾增加，周圍土壤會產生蓄熱現象，溫度升高，致使U形管周圍的傳熱條件惡化，熱量傳遞速度減慢，則從土壤中取出的冷量或熱量也相對減少。間距越小，蓄熱現象越顯著，換熱器的換熱效果越差。當鉆孔間距增大時，U形管間的熱干擾減小，土壤溫度場比較容易跌倒恢復，換熱效果增強，但地下埋管換熱器需要較大的占地面積［4］。

6)系統運行模式對換熱性能的影響。在實際狀態中土壤源熱泵的運行是變工況狀態下運行的，在這種條件下，土壤源熱泵地埋管換熱器換熱負荷也是動態的，表現出不同的運行方式。在間歇運行方式下，地埋管換熱器周圍土壤有一定時間的恢復期，其傳熱特性較長期連續運行有其自身的特點，地埋管換熱性能也不同。於仲義等人［7］通過試驗，采用同一機組分別進行連續運行模式和間歇運行模式。實驗表明，對于相同的地埋管流量、同一鉆井深度，兩種運行模式下地埋管換熱能力趨于平緩時間歇運行的單位井深換熱量明顯高于連續運行的單位井深換熱量，這是因為間歇運行時埋管內流體溫度依靠與周圍土壤導熱來排熱，而周圍則在此段時間內與其鄰近的土壤進行熱交換，以減小管內流體流動時地埋管排出的大量堆積熱量，降低埋管周圍土壤自身溫度，以利于下一次運行時的換熱。由此可以得出結論采用間歇運行模式可以有效地提高地埋管的換熱能力。

7)土壤導熱率對換熱性能的影響。近年來，土壤導熱率對地源熱泵性能的研究也漸漸成為熱點。Piechowski通過實驗研究了土壤導熱率，比熱容和密度對鉆井換熱器換熱效率的影響。他指出，土壤導熱率很大程度上取決于土壤濕度的變化，同時系統運行初始的土壤濕度對于系統性能非常重要。Drown觀測了季節性的鉆井換熱器周圍土壤導熱率和濕度的變化。結果表明，增加0.17 W/(m·K)的土壤導熱率導致達到相同熱量的地源熱泵運行時間縮短1.3%。土壤的導熱率與埋管的換熱量是線性關系，而土壤的導熱率又高度依賴于土壤的濕度，并且研究表明隨著土壤濕度的增加，土壤導熱率明顯增加，兩者的相關系數可達到0.9538，因此可以得出土壤濕度的增加有利于換熱率的增加，而且因土壤濕度變化所引起的鉆井換熱器的換熱效率的變化是非常顯著的［8］。

8)U形管支管間距對換熱的影響。對于豎直U形地埋管換熱器，其鉆孔孔徑通常為110mm～130mm，在這樣一個狹小的空間內，溫度不同的兩個支管之間將必然發生熱量回路現象，又稱熱短路。范軍等人［9］的研究發現，管距越大，支管間的熱量回流越小。范蕊等人［10］分析了有地下水滲流情況下的土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統中豎直地埋管換熱器的管間距問題，結果表明對于夏季蓄冷、釋冷的運行方式，較小的管間距有利于盤管蓄存高品質冷量，從而更加有利于空調運行;而對于冬季工況，較小的管間距不利于土壤溫度的恢復。楊衛波等人［6］的研究表明，管腳間距的增加有利于增大單位埋管長度吸熱量，這主要是因為管腳間距的加大有助于減小兩管腳間熱短路的影響。但考慮到盲目增大管腳間距會因孔徑加大而增加鉆孔費用及回填物的量，同時間距加大所換來的地埋管吸熱量增加幅度也較小。

2 結語

影響地埋管傳熱性能的因素有很多，在實際的工程設計和系統運行時受當地條件的制約，以及各個因素之間的互相影響，很難做到使每個因素的影響都達到最佳化。如何合理的分析系統中單因素的影響，找到主要影響因子，使得系統的運行既滿足技術要求又經濟合理將是以后研究的重點。

［1］ C.Yavuzturk，J.D，Spitler，S.J.Rees.A Transient Two-Dimensional Finite Volume Model for the Simulation of Vertical UTube Ground Heat Exchangers［J］.ASHRAE Transactions，1999，105(2):465-474.

［2］ 楊昌智，黃 兵.U型管換熱性能影響因素研究［J］.湖南大學學報，2009，36(12):44-48.

［3］ 胡平放，康 龍，江章寧，等.地源熱泵U型管換熱性能影響因素的數值模擬與分析［J］.流體機械，2009，37(3):64-68.

［4］ 毛會敏，姚 楊.土壤源熱泵地下換熱器的設計與影響因素分析［J］.建筑熱能通風空調，2008，27(2):46-52.

［5］ 王向巖，馬偉斌，黃遠峰.超強吸水樹脂與源土混合作為地源熱泵供熱系統回填材料的實驗研究［J］.太陽能學報，2007，28(1):23-27.

［6］ 楊衛波，施明恒.基于元體能量平衡法的垂直U型埋管換熱特性的研究［J］.熱能動力工程，2007，22(1):96-100.

［7］ 於仲義，胡平放，袁旭東.土壤源熱泵地埋管換熱實驗研究［J］.華中科技大學學報，2008，25(3):157-161.

［8］ 牛潤卓.土壤濕度對地源熱泵換熱性能的影響［J］.科學與研究，2008(3):47-49.

［9］ 范 軍，刁乃仁，方肇洪.豎直U型埋地換熱器兩支管間熱量回流的分析［J］.山東建筑工程學院學報，2004，19(1):1-4.

［10］ 范 蕊，馬最良.雙功能地下管群換熱器的管間距分析［J］.建筑熱能通風空調，2006，25(1):11-14.