雙U型埋管換熱器換熱影響因素分析*

郭凱生，楊 楝

(1.重慶市設計院，重慶400015;2.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南長沙410076)

地源熱泵系統是一種利用地球所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖制冷空調系統.該系統的核心部件是埋管換熱器，其換熱性能將影響整個系統的運行和經濟性.因此，為保證系統的可靠運行和經濟性，應深入研究埋管換熱器的換熱影響因素［1］.而在土壤源熱泵系統工程中，越來越多地采用雙U型換熱器，但對于該換熱器在實際的運行工況中的換熱性能方面，研究還不夠深入［2，3］.

故本文在對實驗數據進行分析的基礎上，通過對巖土物性參數、回填材料、管內水流量、機組出口溫度等因素對地源熱泵垂直單孔雙U型埋管換熱器的換熱效果分別進行研究.

1 雙U型埋管換熱器換熱計算

(1)埋管換熱器單位時間獲得熱量Q，W.

式中，ΔT為熱泵機組埋管循環水的溫差，℃;G為水的質量流量，kg/s.

(2)埋管換熱器單位井深換熱量qh，W/m.

(3)實驗測試系統

本實驗數據來源于夏熱冬冷地區的某公用建筑的雙U型地源熱泵系統，在實驗中通過數據采集儀收集預埋的各地下測點及雙U管的進出口處的溫度，通過公式(1)確定其實際換熱量后進行數據處理，從而得出地下埋管的溫度變化情況.圖1所示為該實驗的原理圖，每個熱水箱向地下埋管輸入2000W的熱量，其中采集點為C－1’、C－3’位于埋管進水處;C －2’、C －4’位于埋管出水口處;4’、8’淺層地下 5m處;3’、7’、10’、12’位于地下 10m 處;2’、6’、9’、11’地下40m處;1’、5’為孔底70m處.

2 雙U型埋管換熱影響因素分析

2.1 雙U型埋管換熱影響因素

埋管換熱器中的換熱工程是一個復雜的過程，影響因素很多，可分為天然因素和工程因素兩類［4］，如表1所示.

圖1 實驗原理圖

表1 埋管換熱器的影響因素

2.2 影響因素分析

2.2.1 回填材料對埋管換熱器換熱的影響

回填材料填充于地埋管與鉆孔壁間，用以增強埋管和單孔外的巖土的換熱能力，同時可防止淺層水通過鉆孔向地下滲透，以保護地下水不受到地表污染物的污染和維持地下巖土的熱物性等.

理論計算結果顯示，當采用中粗砂時，雙U型埋管的qh為140.8W/m;當采用原土時，其 qh為113.2W/m.中粗砂與原土相比，熱導率在增大45%時，其qh增大了25%.綜合分析，回填材料熱導率的適度增大有利于雙U型埋管換熱能力的提高.圖2所示，采用原土時，由于熱導率偏小，淺層處測點溫度偏高，容易形成熱量堆積，不利于回水管的換熱.故熱導率高的強化換熱型回填材料可大幅度提高埋地管換熱器的換熱能力，但回填材料熱導率并非越高越好，應略高于鉆井周圍原始巖土層的熱導率.這可能是取決于原始巖土層的熱量交換，冷量需要一定的時間才能從更遠處傳遞過來.

圖2 不同回填材料下雙U型埋管的地下溫度變化趨勢

2.2.2 管內水流量對埋管換熱器換熱的影響

在相同埋管、相同運行時間、相同進水溫度的實驗條件下，雙U型換熱器管內流量的不同會導致其回水溫度有明顯的不同，測試數據如圖3所示.

圖3 夏季變流量下雙U型埋管換熱效果測試

根據測試結果，隨著管內流體流量的增加，其埋管進出口流體的過余溫度逐漸減小，但當管內流量大于1.14m3/h時，隨流量的逐漸增加，qh增加幅度變小.流量的增加強化了管內對流換熱的效果.可得出對于雙U型埋管，存在一個qh在區域內的極大值，于是存在一個最佳流量，約為1.01m3/h.此時，單位井深熱流為73.7W/m.超過該最佳流量，即使再增加管內流體流量，qh不再提高.

故管內流量的大小可進行優化設計，以在保證管路流動阻力較小時，qh較大［5］.流量過小，使得管內流體流速過小，不利于管內流體的正常流動和換熱.流量太大，則使得管內流體和地下土壤間的換熱不充分，同時會增加動力能耗.因此，可考慮對雙U型地源熱泵系統的循環液采用變流量調節設計，以達到優化的目的.

2.2.3 機組循環液的出口溫度對埋管換熱器換熱的影響

機組循環液最高出口溫度(雙U管進水溫度)對雙U管的qh有很大的影響.

當進水溫度達到35.6℃時，流量為1.6m3/h的垂直單孔雙U埋管的qh1可達極大值123W/m.而流量為0.9m3/h的qh2只為69W/m，只占 qh1的0.56倍.

圖4 夏季不同進水溫度下雙U型埋管換熱效果測試

測試結果顯示，埋管進口溫度每提升1℃時，qh1增大2% ～4.5%，qh2增大1.5% ～2.5%，當溫度提升到33.8℃時候qh曲線出現拐點，持續上升的速率降低.而當溫度達到35.6℃時，qh達到區域內的極大值.根據公式(1)，流量G、溫差ΔT與熱量Q成正比例關系，上述圖示曲線的穩定趨勢基本與公式保持一致.

但埋管進水溫度的提高對于地下管群系統來說，將導致熱擴散，周圍的土壤溫度將上升，長此以往會造成熱量囤積，影響整體土壤源熱泵系統長期的換熱效果.而且進水溫度的提高，機組效率下降，系統COP降低，故機組循環液的出口溫度不宜太高［6］.

2.2.4 其他影響因素

地下換熱的實際換熱過程受到多種綜合因素的耦合影響，除上述分析的因素外，影響地下雙U型埋管換熱器換熱效果的因素還包括巖土體含水量、地下水的水位和流速、原始地層的熱物性參數和工程運行中的溫度變化、下墊面的溫度和濕度、埋管的深度等.隨巖土體含水量增大，因為水的比熱遠大于地下巖土的比熱，而且水的分壓力導致濕遷移，地埋管換熱率將隨之增加;地層溫度隨工程運行的積累變化，運行工況變化，換熱量降低.下墊面的熱物情況將影響埋管周圍原始土壤的恢復能力.地表向地下的傳熱為倒梯形的傳熱，當地表溫度低于地下土壤溫度時，地下土壤向地表散發熱量，地下土壤溫度的恢復，故可將埋管區域設置于非太陽直射的陰影區或加強下墊面的植被情況.地下換熱器的埋管深度將影響qh，換熱總量隨井深的增大而增大，但井深的增加，鉆井費等初投資也激增，因此，應該根據工程實際情況選擇合適的井深.

3 結論

(1)垂直單孔雙U型地源熱泵系統應選擇添加導熱性好的中粗砂當回填料.

(2)在一定的流量范圍內，雙U型埋管換熱器的換熱性能隨著管內的循環液流量的增加而得到提升.在本文的測試工況中，最佳流量為1.01m3/h.

(3)隨著進水溫度的提高，雙U型埋管換熱器的qh增加.但由于該進水溫度的提高，導致了系統整體COP降低，故機組循環液的出口溫度不宜太高.

(4)在不同地區，地下巖土層分布不同，各巖土層熱物性不同，巖土層中的含水量也不同，故埋管的換熱性能也不同.為保證整個系統的經濟性，能長期正常運行，應先進行土壤的熱響應實驗和換熱性能的測試.

［1］魏紫娟，秦萍.土壤源熱泵地下垂直埋管換熱器常用傳熱模型的研究［J］.制冷與空調，2004，(2):48－53.

［2］郭濤.地源熱泵垂直U型埋管換熱器的實驗與數值模擬研究［D］.重慶:重慶大學碩士學位論文，2008.

［3］胡連營.地源熱泵技術及其發展概況［J］.可再生能源，2008，(1):115－117.

［4］李鵬輝，劉澤華，王新華，等.地埋管地源熱泵系統的研究現狀［J］.潔凈與空調技術，2012，(2):60－64.

［5］梅奎，張小松.地源熱泵熱水系統設計及經濟性分析［J］.制冷與空調，2009，(4):53 －57.

［6］楊衛波，施明恒，陳振乾.基于準三維模型的垂直型埋管換熱特性影響因素的分析［J］.流體機械，2012，(4):64－70.