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(yè)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(yè)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?lián)Q熱器系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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?lián)Q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(jīng)濟上均基本等價，其中17口單U25井的形式略優(yōu)的結(jié)論。

地源熱泵；地下?lián)Q熱器；U形管；換熱量；比較分析

1 引言

近幾年隨著暖通行業(yè)的發(fā)展，地源熱泵作為一種節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)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(fā)展，F(xiàn)LUENT軟件作為建立數(shù)學模型和數(shù)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)象減輕，雙U型換熱器的換熱性能大于單U型換熱器”等結(jié)論。

可見，單、雙U對地源熱泵系統(tǒng)的影響沒有特別簡單統(tǒng)一的結(jié)論，與項目的實際情況有很大的關系。同時以上這些結(jié)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(lián)合運行的情況，單、雙U在多井長期運行的工況中對系統(tǒng)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?lián)Q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(yōu)的U形管配置方案。

2 項目簡介

本項目位于上海市松江區(qū)佘山旅游度假區(qū)，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(jù)該項目巖土熱物性測試結(jié)果，當?shù)貛r土的初始溫度為19℃，巖土體的平均導熱系數(shù)為2.1W/(m·K)，體積比熱容為2100kJ/（m3·K）。

進行地下?lián)Q熱器系統(tǒng)的設計前，依據(jù)其建筑圖紙，結(jié)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(diào)負荷統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 建筑全年各月負荷統(tǒng)計表

供暖季從12月15日至轉(zhuǎn)年2月15日，供冷季從5月15日至10月15日止；系統(tǒng)冬、夏季季節(jié)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(xù)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(shù)2.1W（/m· K），U形管內(nèi)部間距0.07m。地下?lián)Q熱器內(nèi)的循環(huán)液為水，井間距5m。地下?lián)Q熱器循環(huán)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(qū)域劃分為鉆孔內(nèi)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(nèi)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?lián)Q熱器計算軟件簡介

本文使用瑞典隆德大學開發(fā)的EED2.0計算程序和北京天和集思開發(fā)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(xié)會的商用地源熱泵地下?lián)Q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(nèi)各年各月的地下?lián)Q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?lián)Q熱器水溫較高，遠優(yōu)于規(guī)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(shù)據(jù)，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(jié)果：

表3 單U32各年計算結(jié)果

從表3可以看出，兩軟件的計算結(jié)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(guī)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(jié)果。

16口井4行4列排列選用雙U25及單U25管時的計算結(jié)果如表4所示。

對比表2、表3及表4的數(shù)據(jù)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(shù)和流速，可見其雷諾數(shù)都超過了2300，即達到了紊流狀態(tài)，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(shù)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(jié)果見表4。

表4 15口3行5列排列各年計算結(jié)果

將表4與表2～表4的數(shù)據(jù)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(shù)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(yōu)勢，所以從成本考慮本例可以優(yōu)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?lián)Q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?lián)Q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(nèi)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(jié)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(yōu)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(jīng)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(qū)地下?lián)Q熱器系統(tǒng)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）?？傮w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(jié)

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(yōu)于16口井雙U25的配置，但差距不是十分明顯，可根據(jù)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(jié)語

本文介紹了一種實用的地源熱泵地下?lián)Q熱器系統(tǒng)單雙U選擇的分析方法，通過對上海某別墅案例的分析發(fā)現(xiàn)，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(jié)合文獻[1-3]的結(jié)論可以看出，地源熱泵地下?lián)Q熱器系統(tǒng)單雙U的選擇根據(jù)項目實際情況會有不同的結(jié)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(jīng)濟綜合效能最優(yōu)。

[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(diào),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.