豎直地埋管換熱器換熱性能及經濟分析

張琳邡 紀 河 曹菲菲

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

豎直地埋管換熱器換熱性能及經濟分析

張琳邡 紀 河 曹菲菲

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

針對土壤源熱泵系統，建立單U型、雙U型及W型埋管實驗系統，進而對不同豎直地埋管換熱器的換熱性能及阻力進行分析比較，同時探討了不同型式的埋管在不同流量下經濟成本隨時間的變化情況，并確定各自的最佳流量，從換熱性能和經濟成本兩方面對不同豎直地埋管換熱器進行綜合評價。

土壤源熱泵，換熱性能，經濟性

0 引言

地源熱泵空調系統是以大地為冷、熱源，使中間介質在由塑料管組成的封閉環路中循環流動，與大地進行熱量的交換[1]，從而實現建筑物的夏季制冷和冬季供暖。土壤源熱泵作為地源熱泵的一種，是以土壤作為冷熱源，較其他形式地源熱泵有著污染周圍環境最小和不占用水資源的優點，是一種倍受關注的可再生能源技術，近年來在我國逐步得到推廣[2]。地埋管換熱器的形式有單U型、雙U型及W型，影響地下埋管換熱器的換熱性能的因素有很多，其傳熱性能的優劣直接關系著土壤源熱泵效率的高低[3]。本文以江蘇徐州某測試工程為例，采用熱響應測試方法測定土壤的熱物性，并根據實驗結果分析豎直埋管換熱器中不同U型管形式的換熱性能及其各自的經濟性。

1 實驗系統簡介

該實驗系統依托于徐州某高新科技產業開發區工程，實驗測試控制臺安裝于該工程施工現場。該實驗系統主要包括地埋管換熱器、數據測量及采集系統、控溫加熱水箱及熱泵機組。地埋管換熱器具體參數見表1，數據測量及采集系統主要包括流量計、壓力表、Pt100測溫傳感器及數據采集儀，通過數據采集儀采集地下測點及U型管進出口溫度，確定其實際換熱量，通過數據處理，得出地下埋管溫度變化情況。實驗系統的冷熱量平衡通過控溫加熱水箱及熱泵機組來實現，使得埋管換熱器進口水溫穩定。測試時間為7月～8月份，即實驗工況為夏季，測試夏季不同豎直埋管的換熱性能。

表1 實驗井埋管的參數指標

在實驗過程中，分別對進口水溫為35 ℃不同流量下，三種不同連接方式的運行工況進行測試，主要對三種不同連接方式的地埋管換熱性能進行對比分析。

2 實驗結果與分析

2.1 換熱性能分析

Q=cpV(tout-tin)，q=Q/H。

其中，Q為吸收(或放出)的熱量；cp為水的比熱容；V為水的流量；tout為出口水溫；tin為進口水溫；H為井深；q為單位井深換熱量。將實驗數據進行整理計算，可對應求出不同流量下，單U，W型和雙U的單位井深換熱量。在進口水溫為35 ℃，隨著流量的增加，W型、單U型和雙U型的單位井深換熱量逐漸增加，但增加量逐漸減少，最后趨于平穩，如雙U型換熱性能曲線，在流量從0.6 m3/h變化到1.4 m3/h時，曲線斜率較大，這說明流量0.6 m3/h～1.1 m3/h階段換熱量隨流量增加有較大幅度的增加，換熱量從55.4 W/m增加到73.8 W/m；1.1 m3/h～1.6 m3/h時換熱量隨流量的變化趨勢減小，換熱量從73.8 W/m增加到80.4 W/m；從1.6 m3/h～2.0 m3/h換熱量隨流量的變化更小，換熱量從80.4 W/m增加到82.6 W/m。對于W型、單U型換熱性能曲線的趨勢與雙U型的相似，由此說明三種不同連接方式的換熱性能曲線均具有隨著流量的增加，換熱量增幅在減小的特征。此外，在相同流量、相同進口溫度的情況下，W型連接單位井深換熱量最大，雙U型連接次之，但隨著流量的增加，雙U型與W型的單位井深換熱量差別不大，單U型連接的單位井深換熱量是最小的。

2.2 系統阻力分析

隨著流量的增加，W型埋管阻力增長幅度最大，單U型次之，雙U型埋管增長幅度最小，即在相同流量下，雙U型埋管的連接阻力最小，W型連接阻力最大，單U型的連接阻力位于中間。

從換熱系統阻力方面分析，在保證紊流狀態的前提下，應該采用較小的流量作為地源熱泵地下側的工作流量，這樣可以減少水泵功率的消耗；但管內流量太小，單位延米換熱量就小，相對就會增加換熱管的長度，提高經濟成本。所以，在流量確定時，應從水泵功率以及系統成本上綜合進行考慮分析，以確定出合格的管內流量，結合不同流量下的換熱量及阻力分析，對于W型地埋管(De32)建議選取流量為1.0 m3/h～1.2 m3/h左右為佳，對于單U型地埋管(De32)建議選取流量為0.8 m3/h～1.0 m3/h左右為佳，對于雙U型地埋管(De32)建議選取流量為1.6 m3/h～1.8 m3/h左右為佳。此外，由于雙U型阻力遠小于W型，流量在大于1.2 m3/h時，雙U型與W型的單位井深換熱量差別不大，可見W型實際使用性不及雙U型。因此，在實際工程中，常用單U和雙U，而W型不常用。

2.3 經濟性分析

采用當地電價0.6元/度，鉆井費用按50元/m計算，埋地管材料采用HDPE管，平均按8元/m計算，由于系統負荷固定，所選取的機組也固定，在此不計算該項，同時，只對夏季工況進行計算，不考慮冬季工況。

對于W型、單U型和雙U型地埋管，運行初期，小流量所需的總費用較高，大流量所需的總費用較低，隨著使用時間的增加，大流量所需的總費用增加幅度較大，并與小流量所需的總費用相持平，甚至高于小流量所需的總費用，只有中間流量的總費用較合適。對于W型地埋管，流量為1.1 m3/h左右時，系統的總費用最低，經濟性最佳；對于單U型地埋管，流量為0.8 m3/h左右時，系統的經濟性最好；對于雙U型地埋管，流量為1.6 m3/h左右時，系統經濟性最佳。因此，對W型地埋管(De32)，建議選取流量為1.1 m3/h左右為佳，對于單U型地埋管(De32)，建議選取流量為0.8 m3/h左右為佳，對于雙U型地埋管(De32)，建議選取流量為1.6 m3/h左右為佳。

通過分析，可知不同連接方式埋管換熱系統在最佳流量下不同使用時間的總費用，隨著使用時間的增加，三種形式地埋管系統的費用逐年升高，單U型地埋管系統選取最佳流量0.8 m3/h運行，相對W型和雙U型地埋管系統歷年的費用依然很高，因此現實工程中，單U型地埋管系統應用的很少。W型地埋管系統選取最佳流量1.1 m3/h運行，運行初期總費用高于雙U型在最佳流量1.6 m3/h運行時的費用，在運行后期，W型的費用又低于雙U型的費用，但兩者的費用相差不大。還可以看出，雙U型地埋管系統在流量1.6 m3/h運行時，單位井深換熱量為80.4 W/m，而W型地埋管系統在流量為1.1 m3/h運行時，單位井深換熱量為77 W/m，可見，在總費用一定的情況下，雙U型地埋管系統的換熱性能是最好的，因此，雙U型相對單U型和W型而言，其換熱性能和經濟效益都是最佳的。

3 結論

1)從系統換熱性能方面分析，在相同流量、相同進口溫度的情況下，W型連接單位井深換熱量最大，雙U型連接次之，但隨著流量的增加，雙U型與W型的單位井深換熱量差別不大，單U型連接的單位井深換熱量是最小的。

2)從系統阻力方面分析，在相同流量下，雙U型埋管的連接阻力最小，W型連接阻力最大，單U型的連接阻力位于中間。

3)從系統阻力與經濟成本兩方面分析，對W型地埋管(De32)，建議選取流量為1.1 m3/h左右為佳，對于單U型地埋管(De32)，建議選取流量為0.8 m3/h左右為佳，對于雙U型地埋管(De32)，建議選取流量為1.6 m3/h左右為佳。

4)從換熱性能、系統阻力及經濟成本 三方面綜合分析，雙U型地埋管系統其換熱性能和經濟效益都是最佳的，其次是W型地埋管系統，最后是單U型地埋管系統。

[1] 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 陳 萌.土壤源熱泵地下埋管換熱器換熱性能的分析[D].西安：長安大學碩士學位論文，2009.

[3] 凌 晨，劉 剛，賈 猛.土壤熱物性與地埋管換熱器換熱性能研究[J].建筑熱能通風空調，2012，31(2):15-18.

[4] 程群英，羅明智，孫純武，等.地源熱泵夏季性能測試及傳熱模型[J].暖通空調，2005，35(3):2-6.

[5] 楊衛波，施明恒，陳振乾.土壤源熱泵夏季運行特性的實驗研究[J].太陽能學報，2007，28(9):1012-1016.

The heat transfer performance and economic analysis of vertical ground heat exchanger

Zhang Linfang Ji He Cao Feifei

(CivilEngineeringandConstructionInstitute,AnhuiUniversityofTechnology,Huainan232001,China)

In view of soil heat pump system, this paper establishment of single U, double U and W buried pipe experiment system, then analyzed and compared the heat transfer performance and resistance of different vertical ground heat exchanger, through the discussion on the change situation of economic costs with the time of different forms of buried pipe under different traffic, and determined its own best traffic, from heat transfer performance and economic cost two aspects evaluated different vertical ground heat exchanger.

soil source heat pump, heat transfer performance, economic

2015-08-28

張琳邡(1986- )，女，碩士，助教； 紀 河(1985- )，男，碩士； 曹菲菲(1986- )，女，碩士，助教

1009-6825(2015)31-0134-03

TU833.3

A