地源熱泵地埋管單雙U選擇探討

朱憲良 郝赫 張素芳 宋曉玲 李妍 史勇

（1渤海石油水電服務公司 天津 300452 2中國建筑設計咨詢公司 北京 100120 3際高建業有限公司 北京 100102）

地源熱泵地埋管單雙U選擇探討

朱憲良1*郝赫2張素芳2宋曉玲2李妍3史勇3

（1渤海石油水電服務公司 天津 300452 2中國建筑設計咨詢公司 北京 100120 3際高建業有限公司 北京 100102）

以上海佘山某別墅地源熱泵項目為例，分析了地下換熱器系統單U、雙U及管徑的選擇對其各年進出水平均溫度的影響。首先，對該項目基本情況進行了簡要的介紹；然后簡要回顧了地埋管內熱阻計算方法，而后分別采用EED2.0和EHPD1.3軟件，在給定的系統條件下分別就采用雙U32、單U32、雙U25及單U254種工況進行了大量的計算分析,得到了其對應的各年各月地下換熱器進出水平均溫度；進而得出該項目地埋管選用17口單U25井和選用16口雙U25井在技術和經濟上均基本等價，其中17口單U25井的形式略優的結論。

地源熱泵；地下換熱器；U形管；換熱量；比較分析

1 引言

近幾年隨著暖通行業的發展，地源熱泵作為一種節能、環保的空調系統受到越來越多的關注和應用。其中豎直埋管的形式在我國的工程中應用較多。

豎直埋管一般有單U、雙U兩種形式，每種形式又有DE32和DE25兩種選擇，以上四種條件交叉組合是我國目前應用最多的地埋管配置形式。

隨著計算機技術的發展，FLUENT軟件作為建立數學模型和數值計算的工具在地源熱泵的計算分析中得到了越來越多的應用，文獻[1]中通過對某30m埋深的U形管進行FLUENT建模分析得出“排熱工況下，埋深30m時，單U形管換熱器的單位井深換熱量約為86W/m，而雙U形管換熱器的單位井深換熱量達到120W/m，較單U形管高約40%”等結論。文獻[2]采用FLUENT對某60m井深的U形管三維建模后得出“對外徑25mm和32mm的單U形地埋管換熱器及外徑25mm的雙U形地埋管換熱器換熱性能的模擬對比表明，后兩者換熱量分別比前者提高了8%和22.4%”等結論。文獻[3]同樣采用FLUENT軟件，對某100m井深的U形管三維建模后得出“雙U型換熱器的換熱性能不一定大于單U型換熱器。當流量較小時，雙U型換熱器支管間熱短路現象比單U型換熱器嚴重，雙U型換熱器換熱性能小于單U型換熱器;隨著流量的增大，支管間熱短路現象減輕，雙U型換熱器的換熱性能大于單U型換熱器”等結論。

可見，單、雙U對地源熱泵系統的影響沒有特別簡單統一的結論，與項目的實際情況有很大的關系。同時以上這些結論都是在單井條件下進行的FLUENT建模分析，而在實際項目中一般都是多井長時間聯合運行的情況，單、雙U在多井長期運行的工況中對系統的影響也值得探討。

本文以“上海佘山某別墅項目”為例，分別對雙U32、單U32、雙U25及單U254種U形管配置下各年各月地下換熱器進出水平均溫度進行計算，進而探討適合本項目的最優的U形管配置方案。

2 項目簡介

本項目位于上海市松江區佘山旅游度假區，該別墅地上兩層，地下一層，建筑高度7.45m，總建筑面積830m2，根據該項目巖土熱物性測試結果，當地巖土的初始溫度為19℃，巖土體的平均導熱系數為2.1W/(m·K)，體積比熱容為2100kJ/（m3·K）。

進行地下換熱器系統的設計前，依據其建筑圖紙，結合別墅的使用特點，通過DEST軟件進行了建筑全年逐時負荷計算。空調負荷統計結果如表1所示。

表1 建筑全年各月負荷統計表

供暖季從12月15日至轉年2月15日，供冷季從5月15日至10月15日止；系統冬、夏季季節綜合能效比分別設定為3和3.5。冬季和夏季峰值單日連續運行時間分別設定為22.5h和16h。打井深度120m，鉆孔直徑150mm，回填材料導熱系數2.1W（/m· K），U形管內部間距0.07m。地下換熱器內的循環液為水，井間距5m。地下換熱器循環泵額定總設計流量為13.2m3/h。

U形管選用De32x3（外徑x壁厚）和De25x2.3的HDPE管材，形式可選單U或者雙U,以下簡稱U形管配置為單U32、雙U32、單U25和雙U25。

3 計算模型及設計軟件簡介

3.1 計算模型簡介

在對單孔的地埋管換熱器進行傳熱分析時，常以鉆孔壁為界，把所涉及的空間區域劃分為鉆孔內和鉆孔外的巖土部分兩部分，采用不用的簡化假定進行分析[4]。其中鉆孔內傳熱模型一般分為一維導熱模型、二維導熱模型和準三維導熱模型，而鉆孔外的傳熱模型一般有無限長線熱源模型、有限長線熱源模型和有限長柱熱源模型等。

3.2 地下換熱器計算軟件簡介

本文使用瑞典隆德大學開發的EED2.0計算程序和北京天和集思開發的EHPD1.3計算程序進行計算分析。

EED2.0采用疊加原理方法的基本思路，是歐洲地熱協會的商用地源熱泵地下換熱器設計計算分析軟件[5]。

EHPD1.3軟件以有限長線熱源理論為基礎，亦使用疊加原理的設計思路。

4 方案對比

4.1 打井16口的情況

首先，使用EED2.0軟件計算16口井4行4列矩形排列，選用雙U32時30年內各年各月的地下換熱器進出水平均溫度，如表2所示。

表2 峰值負荷各年各月月末進出水平均溫度表

從表2可以看到本項目冬季地下換熱器水溫較高，遠優于規范的要求，夏季峰值負荷下的水溫在前10年是合格的，到第30年高達36.45℃，超標較嚴重。

通過EHPD1.3程序，也可以得到一組類似的數據，表3為采用16口井4行4列排列選用單U32管時兩軟件的結果：

表3 單U32各年計算結果

從表3可以看出，兩軟件的計算結果非常接近。第十年夏季時，單U32配置下的水溫明顯超標，而冬季水溫均明顯滿足規范要求，本項目中不必過多關注冬季水溫。下面為了文章的簡潔，直接給出采用不同U形管配置時兩程序各年峰值最大值的計算結果。

16口井4行4列排列選用雙U25及單U25管時的計算結果如表4所示。

對比表2、表3及表4的數據可以看出，雙U32夏季峰值水溫最低，后面依次是雙U25、單U32及單U25，其中雙U配置下的水溫均達標，單U管配置下的水溫均超標。表5列出了四種U形管配置下的雷諾數和流速，可見其雷諾數都超過了2300，即達到了紊流狀態，但雙U32管的流速僅為0.23m/s，為防止積氣，流速不應低于0.25m/s。故若本例選擇16口井4行4列排列的形式，選擇雙U25管是比較合適的。

4.2 打井15口的情況

為了解提高流速是否對本例有明顯作用，下面看一下15口井3行5列排列的情況，由于總流量設置是恒定的，井數減少就會導致單口井的流量增大，流速對應增大。15口井四種U形管配置的計算結果見表4。

表4 15口3行5列排列各年計算結果

將表4與表2～表4的數據進行對比可以看出以下三點：（1）15口井的情況下，夏季進出水平均溫度均比16口井的情況要差，證明流速的提升無法抵消埋管長度減少的影響；第（2）15口井時，第10年水溫全線超標，證明在其他參數不變的情況下，本例選用15口井3行5列排列的方案不可行；（3）本例中，De32管道對應的水溫較De25管道差別很小，無明顯優勢，所以從成本考慮本例可以優先選擇De25的地埋管。

4.3 打井17口的情況

為了搞清與16口井雙U25配置時可以達到同樣出水溫度的其他配置效果，表5中列了4種17口井單U25配置下的各年水溫。從表5可以看到，雖然都是17口井，但由于井形排列形式的不同，地下換熱器各年進出水平均溫度會有比較明顯的差異，因為井形行與列的乘積越大，井群的相對占地面積就越大，地埋管相互之間的影響就越小。井形排列對地下換熱器出水溫度的影響擬另撰文探討，不做本文的重點，這里不再展開。

表5 17口單U25各種井形排列下各年進出水平均溫度

本例中我們比較關注的是與16口井4行4列排列最相近的4行5列梯形排列的形式，由于EED2.0中內置的井形配置是固定的預設值，沒有梯形排列的形式，所以表5中僅列出了EHPD1.3 該排列下的計算結果。

可以看到單U25管17口梯形排列的水溫與雙U25管16口配置的水溫基本持平，并略優于雙U25管16口配置的情況，所以可以認為此兩個方案從技術上基本等價。

下面從經濟方面進行簡要的對比，De25的PE管道市場價大約是3.5元/m，上海地區地下換熱器系統除管道外打孔與安裝的綜合單價大約是51元/m（不含管材價格），則本項目選擇雙U25配置的總造價約為（51+3.5x4）（元/m）x110（m）x16（口井）=114400（元），而選擇單U25配置的總造價約為（51+3.5x2）（元/m）x110（m）x17(口井)=108460（元）。總體價格差距不大，選擇17口單U25井的總造價相對16口雙U25井的配置略低5.2%。

4.4 小結

本項目在打井位置夠的情況下，選擇17口井單U25的配置從技術到成本均略優于16口井雙U25的配置，但差距不是十分明顯，可根據可打井位置、鉆孔安裝成本等實際情況選擇；若打井位置足夠，可考慮地埋管相互影響更小的U形排列形式。

5 結語

本文介紹了一種實用的地源熱泵地下換熱器系統單雙U選擇的分析方法，通過對上海某別墅案例的分析發現，本文案例中地埋管雙U25配置較單 U25配置的換熱效率不超過6%（16/17=0.9412），結合文獻[1-3]的結論可以看出，地源熱泵地下換熱器系統單雙U的選擇根據項目實際情況會有不同的結論，具體項目中應采用切實可行的方法對該問題進行綜合分析和選擇，達到技術和經濟綜合效能最優。

[1]馬健,鄭中援.單U形和雙U形地埋管換熱器傳熱模擬[J].暖通空調,2012(05)：108-112.

[2]張志鵬，宋新南.單U型與雙U型豎直土壤換熱器換熱性能的對比[J].太陽能學報,2012(07)：1193-1198.

[3]楊偉.U型豎直地埋管換熱器熱響應模型及其算法研究[D].湖南大學,2010.