地源熱泵地埋管換熱器傳熱性能分析及經濟計算

肖方初，黃斌

（1.合肥市城鄉建設委員會，安徽　合肥　230001；2.安徽建筑大學節能研究院，安徽　合肥　230022）

地源熱泵地埋管換熱器傳熱性能分析及經濟計算

肖方初，黃斌

（1.合肥市城鄉建設委員會，安徽合肥230001；2.安徽建筑大學節能研究院，安徽合肥230022）

為分析地源熱泵不同種地埋管換熱器換熱效果差異，充分利用可再生能源，結合合肥市濱湖新區某項目的土壤熱物性參數，使用Fluent軟件對單U型管和雙U型管地埋管換熱器建立模型進行傳熱性能的模擬分析，得到了隨著時間變化下不同換熱器型式的土壤溫度分布圖和出口水溫，并分析土壤溫度、出水溫度和換熱量三者的相互關系。最終結果表明，該條件下雙U型管地埋管綜合傳熱性能是單U型管的1.33倍，而經濟計算結果顯示，在打井數量較多時，雙U型管地埋管換熱器的經濟性優于單U型管。

U型管地埋管換熱器；數值模擬；傳熱分析；經濟分析

0　前言

地源熱泵應用的淺層地熱能是指蘊藏于地表下200m以內淺層巖土體、地下水和地表水中，具有開發利用價值的熱能資源，是一種儲量大、分布廣的可再生能源。以土壤作為載體，通過熱泵機組與地埋管換熱器，采集淺層地熱能為建筑供暖、制冷，同時具有COP值高、能耗低、環保等優點。可有效降低化石能源消耗，減少污染排放，是促進建筑節能減排的重要措施之一［1］。合肥市屬于夏熱冬冷地區，冬夏季均有空調使用需求，是地源熱泵應用的適宜區［2］。作為可再生能源應用示范城市，合肥近年來累計已建成地源熱泵建筑面積達102萬m2［3］，由于系統設計完善、現場施工規范，項目運行后均取得了良好的效果。

1　地源熱泵

地源熱泵是利用水作為載冷劑與土壤、地下水或地表水進行冷、熱交換來獲取冷、熱量，冬季通過低溫水把地能中的熱量提取出來供給室內采暖，此時地能為“熱源”；夏季通過高溫水將室內熱量釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”［4］。

圖1　地源熱泵系統原理圖

這3種冷熱源中，地下水源對于合肥地區來說是嚴禁使用的。這是由于使用時，熱泵機組管路與設備中的雜質和空氣會被回灌至地下水，造成水質惡化，嚴重破壞了地下水系的結構，帶來不可逆的后果和影響。因此，為了保護地下水資源，合肥地區發布了禁止使用地下水的相關規定，故本文主要圍繞土壤源熱泵展開分析［5］。

目前，土壤源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種形式，即水平埋管和垂直埋管。水平埋管主要有單溝單管、單溝多管、扁平曲線管和螺旋狀管等形式。由于水平管埋深較淺，其埋管換熱器性能不如垂直埋管，而且水平地埋管系統占用場地大，在實際使用中受地面溫度影響大，因此適用于單季使用的情況（如歐洲只用于冬季供暖和生活熱水供應）。而垂直埋管根據埋管形式的不同，一般分為單U形管、雙U形管、螺旋盤管、套管式和熱井式換熱器。按埋設深度不同又分為淺埋（≤30）、中埋（31～80m）和深埋（＞80m）［6］。

圖2　水平埋管換熱器布置圖

圖3　垂直埋管換熱器布置圖

圖4　螺旋盤管地埋管換熱器示意圖

2　傳熱模型

2.1管內流體的對流傳熱及與管內壁的傳熱方程

2.2管壁的導熱方程

2.3回填材料的導熱方程

2.4土壤的傳熱過程

式中：v——管道內流速（m/s）

Tfj——進口與出口流體溫度（℃）

r——管道半徑（m）

ρf——流體密度（kg/m3）

Cpf——流體比熱容（J/kg·℃）

α——不同材料的導熱系數

3　CFD模型的建立及參數設定

本次分析采用GAMBIT對單U形管和雙U型管兩種地埋管換熱器進行建模，對模型進行適當簡化后采用FLUENT進行求解，選擇非穩態計算，管內傳熱介質流動選擇 K-ε模型、MOMENTUM方程與ENERGY方程耦合求解。建立模型如下：

圖5　單U型管地埋管換熱器模型

豎直地埋管換熱器鉆孔深度設定為100m，鉆孔間距為5m，采用de32的PE換熱管，進口流速單U型管為0.6m/s，雙U型管為0.4m/s，灌漿回填料采用5%膨潤土與原漿的混合漿［7］，土壤熱物性參數取自合肥地區濱湖新區某項目土壤熱響應報告，具體數據如表1。

合肥地區濱湖新區某項目土壤熱物性參數　表1

4　數值計算結果

圖6、7、8、9為分別為 0.6m/s（單U型管）和0.4m/s（雙U型管）的初速度下，初始土壤溫度17.1℃，初始供水溫度32℃下運行初始和運行后土壤熱度達到飽和時的土壤溫度分布圖。

由計算結果可以看出，在初始階段，雙U型管的向土壤傳熱的速度快于單U型管，相同時間內雙U管向土壤釋放出的熱量較多，熱擴散半徑和土壤溫度均高于單U型管，最終比單U型管提前到達土壤溫度飽和狀態（約為28.3℃左右）。但土壤溫度升高達到飽和狀態以后兩者土壤狀態基本一致（）。

圖6　單U管運行500h土壤溫度分布情況

圖7　單U管運行3500h后土壤溫度分布情況

圖8　雙U管運行500h土壤溫度分布情況

圖9　雙U管運行3500h后土壤溫度分布情況

圖10　單U型管與雙U型管土壤溫度隨時間變化情況

圖11　單U型管與雙U型管進出口溫度隨時間變化情況

由圖10、11中可以看出，在系統運行至一段時間后，地埋管附近的土壤溫度顯著升高，但整個埋管區域平均溫升幅度仍較慢（）；隨著系統運行，地埋管的熱量逐漸向土壤傳遞，由于進水溫度（32℃）與土壤溫度（17.1℃）相差較大，因此熱傳遞速率達到最大；當土壤溫度進一步升高至25℃以上時，隨著進水和土壤溫差降低，換熱能力減弱，熱傳遞速率變緩，地源熱泵系統運行效率開始下降；在系統運行的終段，由于熱量積聚，導致土壤溫度升高至28℃以上，系統中的熱量無法通過地埋管換熱器傳遞到土壤中，地源熱泵系統運行效率達到最低。

圖12　單U型管與雙U型管單井換熱量隨時間變化情況

根據系統模擬運行3500h的供回水溫度，計算得單U型和雙U型地埋管換熱器的單井換熱量，如圖12所示。計算結果表明，隨著系統運行土壤溫度升高，單U型管的單井換熱量由初始階段4.34kW逐漸降低至0.508kW，雙U型管的單井換熱量由初始階段5.92kW逐漸降低至0.61kW。可以認為在此條件下初始階段雙U型地埋管換熱器換熱能力是單U型地埋管換熱能力的1.33倍，而土壤溫度升高時，地埋管換熱能力急劇下降，最終兩者數值相接近。

5　經濟分析

以100kW負荷為例，參照合肥市地源熱泵項目的相關人工費、材料費和機械費分別計算單U型、雙U型地埋管換熱器的投資額。打井數量N按照模擬結果中的單U型、雙U型地埋管的單井換熱量計算。

單U型管與雙U型管地埋管換熱器經濟性對比　表2

可以看出，由于鉆孔和下管費用占地埋管換熱器初投資的大多數，因此，系統負荷越大，打井數量越多，采用雙U型管的經濟性較好。

6　結論

①土壤溫度對地埋管換熱器傳熱速率影響較大，土壤溫度升高導致地埋管供回水溫度升高，使地源熱泵機組冷凝壓力增大，極大的降低系統運行能效。因此在進行地源熱泵設計時，應充分考慮土壤熱平衡，滿足系統向土壤的取熱、放熱相等，避免出現土壤熱平衡失調，導致項目失敗。

②系統運行一段時間后，地埋管周邊5m范圍內溫度均有提高，當場地條件充足的情況下，建議采用較大的布管間距，以保障良好的換熱效果。

③在模擬條件下，雙U型管地埋管換熱能力近似為單U型管的1.33倍，且投資增加不多，但容易導致土壤溫度升高過快。因此，在場地、經濟條件充足的情況下，建議采用單U型管地埋管換熱器。通過增加地埋管井數量，提升了土壤與地埋管的換熱面積，有利于土壤恢復初始狀態。在場地、經濟條件受限采用雙U型管地埋管換熱器時，應優先進行土壤熱平衡計算，建議采取配備冷卻塔輔助散熱、制定合理的運行策略、平時制備生活熱水等方式有效避免短時間內熱量積聚導致土壤溫升過快，保障系統安全可靠、經濟有效運行。

［1］安徽省住建廳，等.推進淺層地熱能在建筑中規模化應用實施方案［Z］.

［2］合肥市淺層地能資源評估報告［Z］.

［3］合肥市建筑節能與綠色建筑重點工作報告［R］.

［4］丁勇，李百戰，盧軍，等.地源熱泵系統地下埋管換熱器設計［J］.暖通空調，2005，35（3）：86-89.

［5］合肥市水務局.合肥市人民政府關于實行最嚴格水資源管理制度的意見［Z］.

［6］徐偉.地源熱泵技術手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［7］GB50366-2005，地源熱泵系統工程技術規范［S］.

TU833+.3

A

1007-7359（2016）04-0222-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.088

肖方初（1982-），男，安徽潛山人，畢業于合肥工業大學，助理工程師。