地源熱泵垂直地埋管傳熱性能影響因子分析★

趙麗博 段飛 李政

0 引言

地埋管換熱器作為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)能力和經(jīng)濟(jì)性能。鑒于目前工程中應(yīng)用最為廣泛的垂直地埋管系統(tǒng)，其影響因子主要有:管內(nèi)流量、進(jìn)口水溫、埋管深度、回填材料、鉆孔間距［1］等，準(zhǔn)確的理解其機(jī)理和影響規(guī)律，尤其是主要影響因素的研究與分析，將對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用產(chǎn)生很大的參考價(jià)值。

1 垂直地埋管換熱器影響因子

1)管內(nèi)流量對(duì)換熱性能的影響。當(dāng)U形管內(nèi)的介質(zhì)流量較小時(shí)，隨著流量的增加，U形管的換熱能力顯著增加，當(dāng)流量增加到一定的程度后，U形管的單位井深平均換熱量的增加幅度變緩，且不同深度的鉆井的單位井深平均換熱能力會(huì)隨著流量的增加越來(lái)越接近。鉆井越深，U形管的單位井深平均換熱能力與流量的變化曲線變緩所需的流量也越大。流量越大，U形管的單位井深平均換熱能力會(huì)越大，鉆井越經(jīng)濟(jì)，但是U形管的出入口溫差會(huì)減小，這勢(shì)必會(huì)增大熱泵的換熱器的面積。當(dāng)流量增大到一定值后，單位井深平均換熱能力的增加幅度不會(huì)很大［2］。

2)進(jìn)口水溫對(duì)換熱性能的影響。在地源熱泵的實(shí)際運(yùn)行中，地埋管的進(jìn)水溫度是隨著熱泵運(yùn)行工況的不同而時(shí)刻變化的，從而引起單位鉆孔深度的換熱量的變化，同時(shí)，地埋管換熱器的熱阻亦隨之改變。不同流速下單位井深換熱量隨進(jìn)口水溫變化的趨勢(shì)大體相同，即換熱量隨進(jìn)口水溫增加呈線性下降。如果降低地源熱泵在冬季運(yùn)行中U形管進(jìn)口水溫將有利于U形管與土壤傳熱。使用較低的進(jìn)口水溫，將會(huì)大大加強(qiáng)U形管與周?chē)寥赖膿Q熱。這主要是由于進(jìn)口水溫較低時(shí)水與周?chē)寥赖目衫脺夭钶^大，換熱得到加強(qiáng)所致。可以推想，在夏季運(yùn)行工況下，如果U形管的進(jìn)口水溫升高，也會(huì)使水與土壤的溫差加大，必然也能增加單位管長(zhǎng)的換熱量［3］。

3)埋管深度對(duì)換熱性能的影響。埋管深度對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的有效性有很大影響。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，單位管長(zhǎng)換熱量會(huì)隨著埋管深度的增加而減小，這是因?yàn)楫?dāng)埋深增加時(shí)，循環(huán)液在管內(nèi)停留的時(shí)間長(zhǎng)，出水溫度會(huì)降低，當(dāng)循環(huán)液的平均溫度降低時(shí)，它和周?chē)寥赖臏夭顪p小，換熱情況惡化，也就是說(shuō)增加的那部分管長(zhǎng)由于管內(nèi)流速降低，雖然換出了一部分熱量，但是熱流密度小，因此單位管長(zhǎng)換熱量減少。特別是在運(yùn)行時(shí)間較短的情況下，單位管長(zhǎng)換熱量隨埋管深度的變化幅度較大，所以運(yùn)行時(shí)間較短的情況下，不宜選擇較大的埋管深度［4］。

4)回填材料對(duì)換熱性能的影響?；靥畈牧系膶?dǎo)熱系數(shù)是決定地埋管換熱器換熱效果和系統(tǒng)效率的主要因素。王向巖等人［5］在制熱工況下，以超強(qiáng)吸水樹(shù)脂與源土的混合物為回填材料，對(duì)地源熱泵的運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在回填材料中注入少量水的情況下，能夠很好地改善土壤的非飽和性，增加土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，提高土壤的熱恢復(fù)能力，明顯增大地埋管的吸熱量;楊衛(wèi)波等人［6］的研究表明，增加回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)有利于增強(qiáng)埋管的換熱強(qiáng)度，埋管出口溫度及單位埋管深度的吸熱量均會(huì)增大，但當(dāng)回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)值增加到一定值后，單位深度埋管吸熱量幾乎不再增加。

5)鉆孔間距對(duì)換熱性能的影響。在土壤源熱泵系統(tǒng)中，鉆孔間距的大小直接影響大換熱器的換熱效果以及埋管占地面積。當(dāng)鉆孔間距減少時(shí)埋管換熱器所占的面積減少，同時(shí)由于埋管周?chē)寥荔w積減少。相鄰兩埋管之間的熱干擾增加，周?chē)寥罆?huì)產(chǎn)生蓄熱現(xiàn)象，溫度升高，致使U形管周?chē)膫鳠釛l件惡化，熱量傳遞速度減慢，則從土壤中取出的冷量或熱量也相對(duì)減少。間距越小，蓄熱現(xiàn)象越顯著，換熱器的換熱效果越差。當(dāng)鉆孔間距增大時(shí)，U形管間的熱干擾減小，土壤溫度場(chǎng)比較容易跌倒恢復(fù)，換熱效果增強(qiáng)，但地下埋管換熱器需要較大的占地面積［4］。

6)系統(tǒng)運(yùn)行模式對(duì)換熱性能的影響。在實(shí)際狀態(tài)中土壤源熱泵的運(yùn)行是變工況狀態(tài)下運(yùn)行的，在這種條件下，土壤源熱泵地埋管換熱器換熱負(fù)荷也是動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)出不同的運(yùn)行方式。在間歇運(yùn)行方式下，地埋管換熱器周?chē)寥烙幸欢〞r(shí)間的恢復(fù)期，其傳熱特性較長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行有其自身的特點(diǎn)，地埋管換熱性能也不同。於仲義等人［7］通過(guò)試驗(yàn)，采用同一機(jī)組分別進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行模式和間歇運(yùn)行模式。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于相同的地埋管流量、同一鉆井深度，兩種運(yùn)行模式下地埋管換熱能力趨于平緩時(shí)間歇運(yùn)行的單位井深換熱量明顯高于連續(xù)運(yùn)行的單位井深換熱量，這是因?yàn)殚g歇運(yùn)行時(shí)埋管內(nèi)流體溫度依靠與周?chē)寥缹?dǎo)熱來(lái)排熱，而周?chē)鷦t在此段時(shí)間內(nèi)與其鄰近的土壤進(jìn)行熱交換，以減小管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)地埋管排出的大量堆積熱量，降低埋管周?chē)寥雷陨頊囟?，以利于下一次運(yùn)行時(shí)的換熱。由此可以得出結(jié)論采用間歇運(yùn)行模式可以有效地提高地埋管的換熱能力。

7)土壤導(dǎo)熱率對(duì)換熱性能的影響。近年來(lái)，土壤導(dǎo)熱率對(duì)地源熱泵性能的研究也漸漸成為熱點(diǎn)。Piechowski通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了土壤導(dǎo)熱率，比熱容和密度對(duì)鉆井換熱器換熱效率的影響。他指出，土壤導(dǎo)熱率很大程度上取決于土壤濕度的變化，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行初始的土壤濕度對(duì)于系統(tǒng)性能非常重要。Drown觀測(cè)了季節(jié)性的鉆井換熱器周?chē)寥缹?dǎo)熱率和濕度的變化。結(jié)果表明，增加0.17 W/(m·K)的土壤導(dǎo)熱率導(dǎo)致達(dá)到相同熱量的地源熱泵運(yùn)行時(shí)間縮短1.3%。土壤的導(dǎo)熱率與埋管的換熱量是線性關(guān)系，而土壤的導(dǎo)熱率又高度依賴(lài)于土壤的濕度，并且研究表明隨著土壤濕度的增加，土壤導(dǎo)熱率明顯增加，兩者的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9538，因此可以得出土壤濕度的增加有利于換熱率的增加，而且因土壤濕度變化所引起的鉆井換熱器的換熱效率的變化是非常顯著的［8］。

8)U形管支管間距對(duì)換熱的影響。對(duì)于豎直U形地埋管換熱器，其鉆孔孔徑通常為110mm～130mm，在這樣一個(gè)狹小的空間內(nèi)，溫度不同的兩個(gè)支管之間將必然發(fā)生熱量回路現(xiàn)象，又稱(chēng)熱短路。范軍等人［9］的研究發(fā)現(xiàn)，管距越大，支管間的熱量回流越小。范蕊等人［10］分析了有地下水滲流情況下的土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)中豎直地埋管換熱器的管間距問(wèn)題，結(jié)果表明對(duì)于夏季蓄冷、釋冷的運(yùn)行方式，較小的管間距有利于盤(pán)管蓄存高品質(zhì)冷量，從而更加有利于空調(diào)運(yùn)行;而對(duì)于冬季工況，較小的管間距不利于土壤溫度的恢復(fù)。楊衛(wèi)波等人［6］的研究表明，管腳間距的增加有利于增大單位埋管長(zhǎng)度吸熱量，這主要是因?yàn)楣苣_間距的加大有助于減小兩管腳間熱短路的影響。但考慮到盲目增大管腳間距會(huì)因孔徑加大而增加鉆孔費(fèi)用及回填物的量，同時(shí)間距加大所換來(lái)的地埋管吸熱量增加幅度也較小。

2 結(jié)語(yǔ)

影響地埋管傳熱性能的因素有很多，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受當(dāng)?shù)貤l件的制約，以及各個(gè)因素之間的互相影響，很難做到使每個(gè)因素的影響都達(dá)到最佳化。如何合理的分析系統(tǒng)中單因素的影響，找到主要影響因子，使得系統(tǒng)的運(yùn)行既滿(mǎn)足技術(shù)要求又經(jīng)濟(jì)合理將是以后研究的重點(diǎn)。

［1］ C.Yavuzturk，J.D，Spitler，S.J.Rees.A Transient Two-Dimensional Finite Volume Model for the Simulation of Vertical UTube Ground Heat Exchangers［J］.ASHRAE Transactions，1999，105(2):465-474.

［2］ 楊昌智，黃 兵.U型管換熱性能影響因素研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36(12):44-48.

［3］ 胡平放，康 龍，江章寧，等.地源熱泵U型管換熱性能影響因素的數(shù)值模擬與分析［J］.流體機(jī)械，2009，37(3):64-68.

［4］ 毛會(huì)敏，姚 楊.土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)與影響因素分析［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，27(2):46-52.

［5］ 王向巖，馬偉斌，黃遠(yuǎn)峰.超強(qiáng)吸水樹(shù)脂與源土混合作為地源熱泵供熱系統(tǒng)回填材料的實(shí)驗(yàn)研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28(1):23-27.

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［7］ 於仲義，胡平放，袁旭東.土壤源熱泵地埋管換熱實(shí)驗(yàn)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(3):157-161.

［8］ 牛潤(rùn)卓.土壤濕度對(duì)地源熱泵換熱性能的影響［J］.科學(xué)與研究，2008(3):47-49.

［9］ 范 軍，刁乃仁，方肇洪.豎直U型埋地?fù)Q熱器兩支管間熱量回流的分析［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19(1):1-4.

［10］ 范 蕊，馬最良.雙功能地下管群換熱器的管間距分析［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25(1):11-14.