地源熱泵垂直埋管換熱器換熱效率下降因素分析

目前，國內地源熱泵項目的應用已經非常普遍，許多專業分包單位根據經驗值進行埋地換熱器的設計。雖然項目在土壤冷熱平衡問題上采用了冷卻水塔補充，但是隨著使用年限的增加，有些地源熱泵項目已經不能在制冷工況下正常運行。這種現象不僅影響到空調系統的正常使用，也導致項目投資的浪費。本文運用ANSYS 的穩態換熱模塊，對單U 管換熱井換熱性能下降的影響因素進行了模擬分析。

1 ANSYS分析的合理性與局限性

ANSYS 作為一種有限元分析軟件在熱分析方面具有強大的功能，如果換熱物體的物性不發生變化，分析結果基本接近事實。對于建筑面積較大的地源熱泵項目，埋地換熱井設計數量多達幾千口。如果對整個項目換熱井進行模擬，模型較大，模型網格劃分較密，一般的計算機很難模擬其運行情況。ANSYS模擬換熱溫度場時，需要簡化換熱模型，通常截取幾個管井的垂直斷面，分析其在不同土壤導熱系數及其它參數下對換熱結果的影響。

2 Ansys模擬換熱井溫度場

ANSYS 的分析應用主要特點在其直觀的圖像表現，在熱分析上同樣的效果。以河北邢臺某地源熱泵項目勘測數據為例，其垂直U 型管埋地換熱器的基本參數見表1。在表1 參數下，單U 井溫度場如方案1 所示。單U 井6×6 間距4m 管井排列溫度場如方案2 所示。

表1 U型井換熱器初始參數

單個管井換熱分析中，可以清晰的看出HDPE 管壁溫度30℃，在恒熱流為50W/m 的換熱情況下，管道內水的平均溫度tf為：

管井數量為6×6，間距4m 的換熱分析中，運行結果，管井水平斷面溫度圖像只能顯示出井壁溫度19.76℃，在熱流量50W/m 的換熱情況下，管道內水的平均溫度tf為：

無限遠處土壤溫度為18℃，以《地源熱泵系統工程技術規范》B.0.1-7 公式，土壤的熱擴散率a取0.23×10-6m2/s，8h后Rs熱阻為0.064 (m·K)/W；計算埋管內平均水溫tf為：

通過單U 井和多個U 型管井（6×6）的換熱模擬分析，地源熱泵在初始運行的過程中，地埋管出水溫度在30℃（低于管內平均溫度1.5℃），是一種良的好運行狀態。

3 垂直埋地換熱器在不同土壤、回填土導熱系數下溫度場分析

假定HDPE 和回填土導熱參數不變的情況下，改變土壤導熱系數系數參數，在恒熱流50W/m 的換熱情況下，進行ANSYS 換熱模擬單U 井周圍溫度場分布見方案3～6 所示，通過模擬的井壁溫度計算出埋地換熱器的出水溫度（見表2所示）。

3.1 不同土壤導熱系數下換熱管井截面的溫度場（圖1）

圖1

由表2 可以看出，隨著土壤導熱系數的下降，地埋管出口溫度在不斷升高，方案3 計算埋地管進、出水溫分別為34.5℃、31.4℃，在此溫度下運行，熱泵機組的效率略高于使用冷卻水塔的情況；方案4 計算埋地管進出水溫分別為35.7℃、32.6℃，可以近似在冷卻水塔下熱泵機組的運行效率；如果在地質勘探時，土壤導熱系數小于1.2W/(m·K)，則不建議采用地源熱泵系統，或者說不能在夏季工況下使用地源熱泵。方案6 的情況下，熱泵機組運行一段時間會停機。

表2 不同溫度下地埋管出水計算溫度

3.2 不同回填土導熱系數下換熱管井截面的溫度場（圖2）

圖2

表3 不同溫度下地埋管出口溫度

由表3 可以看出，隨著回填土導熱系數的下降，地埋管出口溫度在不斷升高，方案7 計算埋地管進、出水溫分別為35.1℃、32.1℃，可以相當于在使用冷卻水塔下熱泵機組的運行效率；如果回填土導熱系數小于0.6W/(m·K)，熱泵的實際效率就會小于額定工況下的效率。埋地換熱器的回填作為地源熱泵系統施工上重要的一個環節，如果回填土選取或施工不當，會降低熱泵的使用性能。Case10 的土壤導熱系數和回填土導熱系數是模擬各種變量變化過程中，地源熱泵在制冷工況下運行的一組臨界點數據。

4 換熱井換熱效率下降因素分析

4.1 埋管出水溫度對熱泵效率的影響

地源熱泵機組在夏季運行工況下，在蒸發溫度不變的情況下，其冷凝溫度隨著埋管換熱器出水溫度的變化而變化。對于特定的機組，其實際制冷量與冷卻水進水溫度（to）、冷凝溫度（tc）的關系為：

對于額定制冷量以冷凝溫度（tc）以30℃標定的機組，由公式1 可以看出，熱泵機組實際制冷量隨著埋地換熱器出水溫度（to）的升高而下降，如果埋地換熱器出水溫度升高到40℃以上，制冷機組就無法啟動了。

4.2 土壤含水率對管井換熱的影響

已有的研究表明，土壤導熱系數與其密度、空隙比、飽和度等因素有關。當土壤主要是粘土時，土壤導熱系數與含水率的關系式如式（2）：

對于沙層土壤，土壤導熱系數與含水率的關系式如式（3）：

式（3）中ω—水分所占質量分數（%）；rsd—土壤干密度（kg/m3）。

從公式（2）可以看出，土壤的導熱系數與含水量是正相關關系，隨著含水率的增加而增加。假設土壤干密度為1642kg/m3，土壤導熱系數與含水率如圖3 所示。

圖3 土壤（粘土）導熱系數與含水率的關系

另有試驗數據表明，干燥土壤的導熱系數為0.202W/(m·K)，隨著含水率的增加，導熱系數數近似線性規律增加。當含水率達到20%后，導熱系數達到1.445W/(m·K)的最大值，隨后不再增大而是緩慢下降，到30%時降到1.312W/(m·K)，隨后再緩慢增加。

根據方案4 表明，土壤導熱系數1.2W/(m·K)時，是夏季使用地源熱泵制冷運行的一個臨界值，所以在土壤含水率小于12.5%，其換熱效率將開始明顯降低。

5 結語

土壤源熱泵的設計應用中，土壤的導熱系數、回填土導熱系數有一個臨界值，下降到一定范圍內，會影響到夏季在制冷工況下的使用。土壤源熱泵在制冷工況下，隨著系統不斷運行，埋管外土壤熱阻不斷增加，導致埋管出水溫度的不斷上升，從而導致熱泵效率的下降。因此，土壤源熱泵使用在24h 使用的建筑（例如酒店），其夏季換熱效率會不斷降低。

由于地下水位的下降，土壤中的含水率降低、或者井內回填土部分的密度下降，其導熱系數會下降。土壤導熱系數1.2W/(m·K)時，是夏季使用地源熱泵制冷運行的一個臨界點。因此，在土壤含水率小于12.5%，其換熱效率將開始明顯降低。

在地下水位下降的地區，應謹慎設計地源熱泵系統。通過土壤熱響應測試結果，土壤換熱條件差的地區，地源熱泵在夏季運行時，采用冷卻水塔散熱的比例要加大，而不是理論計算的滿足土壤冷熱平衡下的差值。