地源熱泵地熱響應測試影響因素分析

王 晨 劉金祥

地源熱泵地熱響應測試影響因素分析

王 晨 劉金祥

南京工業大學城市建設與安全工程學院

利用TRNSYS軟件建立地熱響應測試的模型，以單U型地埋管換熱器為例，進行了不同埋深、不同流速、季節效應情況下的地埋管換熱量及每延米換熱量進行模擬。分析在同一土壤類型條件下，不同地熱響應測試工況對測試結果的影響。在地源熱泵系統設計過程中應充分考慮這些因素，優化系統設計。

每延米換熱量埋深土壤平均溫度地熱響應測試

土壤源熱泵系統最重要的部分是地埋管換熱器的換熱能力，所以在進行地埋管換熱器設計前，必須進行熱響應測試來獲得該地區的土壤換熱能力作為設計參考。而地熱響應測試又受到多種因數的影響，在同一土壤類型的條件下，測試工況不一樣得到的結果也就不一樣。所以導致熱響應測試的結果與實際情況存在一定的偏差，這必將引起系統運行狀態的不穩定及建設成本。目前國內市場上常采用取樣查表[1，2]、恒熱流法[3]及恒溫法[4]。

1 TRNSYS模型建立

通過TRNSYS中的模塊構造系統，以及各模塊之間輸入與輸出的關系建立地熱響應測試的系統模型。圖1為TRNSYS模型框架。

圖1 TRNSYS模型

該系統模型主要包括了以下幾個模塊：

1）地埋管換熱器模塊：主要的輸入參數包括地埋管進口水溫、系統水流量、埋管數量、埋管深度、鉆孔直徑等。根據輸入參數與其他模塊的耦合可得到埋管出口水溫及土壤平均溫度。

2）熱泵機組模塊：由于地埋管出口水溫處于不斷變化狀態，為滿足模擬熱響應測試中恒定地埋管進口水溫，必須設置熱泵機組模塊進行對地埋進口水溫的嚴格控制。

3）冬夏季每日運行時間模塊：控制夏季、冬季、及過渡季節中系統運行的時間進行調控。

4）氣象參數、土壤溫度模塊：將模擬地區的室外氣象參數及土壤平均溫度輸入到系統模型中。

由于地埋管換熱器的土壤傳熱特性的復雜性，建立完美的系統模型模擬地埋管換熱是極其復雜的，所以對模型的一些部分進行簡化：

1）土壤的初始溫度忽略沿深度方向上的變化；

2）不考慮實際土壤結構中土壤分層的影響，以土壤平均導熱系數作為土壤的熱物性參數；

3）忽略了地下水滲流對其換熱的影響。

2 模擬結果分析

2.1 埋深因素分析

本次分析選取土壤導熱系數λ=1.5W/(m·℃)，以夏季進口水溫35℃、冬季進口水溫5℃、流量1.15m3/h條件下單U管出口水溫來分析豎井深度的影響。

從圖2中可以看出在夏季工況下埋管深度越深，地埋管出口水溫越高，60m、80m、100m出口水溫分別為32.05℃、31.75℃、31.46℃，80m的井深比60m出口水溫降低0.3℃，100m井深比80m降低0.29℃。

圖2 夏季工況出口水溫

從圖3中可以看出在冬季工況下埋管深度越深，地埋管出口水溫越低，60m、80m、100m出口水溫分別為7.57℃、7.86℃、8.14℃，80m的井深比60m出口水溫升高0.29℃，100m井深比80m升高0.28℃。

圖3 冬季工況出口水溫

綜合圖2和圖3發現地埋管出口水溫是隨著時間的增加逐步升高（夏季工況）和逐步降低（冬季工況）的過程。這是因為隨著時間的增加，土壤不斷吸收熱量或吸收冷量，土壤溫度發生變化，與地埋管的換熱量逐漸減少，當土壤熱量擴散的熱流密度與地埋管和換熱土壤的熱流密度達到一個恒定值時，地埋管出口水溫才到達恒定。從100m、80m、60m的溫度趨于恒定的斜率來看，100m井深出口水溫達到穩定狀態用時最長，及熱流密度變化時間最長。

根據圖4，從總換熱量的增長率來看，以80m和60m對比，井深的排熱量與取熱量增長率為10.15%、11.28%；以100m和80m對比，井深的排熱量與取熱量增長率為8.92%、9.79%。總換熱量的增長率隨著埋深的增加出現遞減的趨勢，可見不能因為增加單井總換熱量，而盲目增加埋深。

圖4 不同深度下的地埋管換熱量

2.2 每延米換熱量的對比

本次分析選取土壤導熱系數λ=1.5W/(m·℃)及λ=2.0W(m·℃)兩種土壤類型，以夏季進口水溫35℃、冬季進口水溫5℃、流量1.15m3/h條件下，不同埋深的每延米換熱量作對比。

從圖5～6上可以看出，在冬、夏工況下100m井深每延米換熱量反而低于80m井深，80m井深的每延米換熱量低于60m。每延米換熱量與埋管的深度不成正比，隨著深度的增加而減少。究其原因在于U型管在靠近埋管低層的部位換熱效率明顯下降。

圖5 λ=1.5W/(m·℃)條件下每延米換熱量

圖6 λ=2.0W/(m·℃)條件下每延米換熱量

在地下埋管換熱器中，進水管帶入的熱量導致靠近地面土壤溫度不斷地提高，溫度達到一定程度時，巖土的溫度與進水管的溫度無限地接近，進水管與土壤的換熱在該區域不斷減小，甚至不換熱，該區域為飽和換熱層[5]。

進水管穿越飽和換熱層后，土壤的溫度與進水管的溫度在此形成了大溫差，則大量的地埋管的換熱就在該區域形成，該區域則為地埋管的換熱最重要的區域。該區域的土壤類型也就成了整個土壤結構中最主要，直接影響到整個豎直地埋管總換熱量。

經歷過上端區域，埋管內流體溫度與土壤溫度溫差減小，換熱效率降低，通過對60m、80m、100m每延米換熱量的比較，前60m的換熱量最高，60m以下的換熱量就出現下降，這就導致100m井深的每延米換熱量低于80m和60m。

圖5顯示在土壤導熱系數為1.5W/(m·℃)的前提條件下，散熱工況：80m和60m的差值為11.46W/m，100m和80m的差值為7.01W/m；取熱工況：80m和60m的差值為9.51W/m，100m和80m的差值5.83W/m。

圖6顯示在土壤導熱系數為2.0W/(m·℃)的前提條件下，散熱工況：80m和60m的差值為17.22 W/m，100m和80m的差值為9.61W/m；取熱工況：80m和60m的差值為10.46W/m，100m和80m的差值7.25W/m。

綜合圖5和圖6，土壤導熱系數越高，不同埋深的每延米換熱量差異越大，鑒于埋深對每延米換熱量的影響，所以在進行熱響應測試時，最好對不同的埋深進行測試，更有利于設計參考。

2.3 不同流速下的換熱分析

本次分析選取土壤導熱系數λ=1.5W/(m·℃)；埋管深度100m；夏季進口水溫35℃工況下分別選取0.4～0.8m/s之間5種地埋管管內流速進行換熱分析。

圖7 不同流速下的出口水溫

由圖7在不同的流速之間比較，流速越低，地埋管管內流體與周圍土壤之間的換熱時間越長，換熱越充分所以出口水溫越低，供回水溫差越大。最小流速為0.4m/s時出口水溫為30.9℃，溫差4.1℃，最大流速為0.8m/s時出口水溫為31.85℃，溫差3.15℃。但是管內流量減小所以單井總換熱量反而減小，整體換熱系數降低。

由表1可以看出管內流體的流速越大，地埋管進出口水溫溫差逐漸減小，單井換熱量之間的差值也會逐漸變小。流速每增加0.1m/s，單井換熱量之間差值由609.58W遞減到403.43W。在流速為0.4m/s及0.5m/s的情況下，管內流體讓處于層流狀態，所以換熱量減小幅度大。在大于0.6m/s時管內流體處于紊流狀態，換熱量會出現提升。

表1 不同流速下總換熱量

流速增加雖然單井總換熱量增加，但出口水溫增大，供回水溫差的減小會導致機組的COP值降低，同時流速增加，管道的阻力也會加大，所以應選取比較經濟的流速。

實際系統設計過程中，地埋管管內流速并不與熱響應測試中流速完全相似，而且在系統的分區運行過程中管內流速也會發生變化，所以針對地熱響應測試中的流速必須做出適當修正。

2.4 季節效應的分析

本次分析選取土壤導熱系數λ=1.5W/(m·℃)；埋管深度100m；夏季進口水溫35℃；地埋管管內流速為0.6m/s的工況下單U管季節效應的分析。

經Baggs公式[6]計算得出夏季土壤平均初始溫度為18.5℃；冬季土壤平均初始溫度為16.7℃。

由圖8可以看出在模擬地埋管排熱能力過程中，在冬季進行熱響應測試所得結果與夏季進行熱響應測試所得結果是完全不一樣的。模擬冬季出口水溫為30.96℃，模擬夏季出口水工況為31.46℃，不同季節下其出口水溫的發生了0.5℃的變化，這與土壤平均溫度發生變化有著必然的聯系。根據土壤的溫度沿深度方向上的變化，土壤可以分為三個區[7]：表層區、恒溫區及深層區。淺層區：0～20m處，此區域土壤受到室外氣溫變化的影響比較大，溫度變化也較快；中層區：20～38m處，此處區域幾乎不受外界的影響，基本處于恒定溫度狀態；深層區：38m以下，此處的土壤溫度成線性增加趨勢，增幅在0.02℃/m左右。因為表層區受季節變化的影響比較大，所以冬季氣候情況下土壤平均溫度較低，夏季較高，在進行排熱工況下土壤溫度越低越有利于排熱，這就導致了在不同氣候條件下，得出結果不一致。

圖8 冬夏季工況下的出口水溫

由表2可以看出在冬夏季氣候條件下模擬出的單井總換熱量相差14%，鑒于目前地源熱泵系統的大量使用，其偏差量足以改變設計階段埋管數量的計算，影響系統的運行效率。因此氣候效應在熱響應測試當中有著重要的地位。

表2 冬夏季工況下總換熱量

3 結論

1）同一土壤結構條件下，埋深不同，每延米換熱量就不同。埋深越深，總換熱量增加，但每延米換熱量反而減小。當以熱響應測試報告作為設計依據時，當埋深發生變化應做適當的修正。

2）地埋管內流速不同，熱響應測試結果就不相同，管內流速減小，換熱時間長，進出口溫差就大，但其流量減小換熱量并沒有增加。當單U管換熱量減小到0.6m/s以下時，管內流體處于層流狀態，不利于換熱。

3）季節因素是不可忽略的因素之一，由于淺層土壤溫度隨季節變化，不同季節情況下的地熱響應測試，都應對季節因素進行修正。

[1]IGSHPA.Closed-loop/geothermal heat pump systems-design and installation standards[M].USA:Oklahoma State University, 2007

[2]ASHRAE.2007 ASHRAE handbook on HVAC Applications [M].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc,2007

[3]地源熱泵系統工程技術規范(GB50366-2005)[S].2006

[4]地源熱泵系統工程技術規范局部修訂(GB50366-2005)[S].2009

[5]王勇,劉方,付祥釗.基于層換熱理論的豎直地埋管換熱器設計方法[J].暖通空調,2007,37(9):37

[6]Baggs S.Remote prediction of ground temperature in Australian soils and mapping its distribution[J].Solar Energy,1983,30(4): 351-366

[7]王華軍,齊承英.地下熱響應實驗中土壤初始溫度的探討[J].暖通空調,2010,40(1):96-99

Ana lys is of Fa c tors of The rm a l Re s pons e Te s t of Ground Sourc e He a t Pum p

WANG Chen,LIU Jin-xiang
College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology

Using TRNSYS software to establish model of geothermal response test,heat transfer and heat exchange per meter in different depth,different flow velocity and in different seasons were simulated,which took the single-U type ground heat exchanger as an example.Different working condition of geothermal response test’s influence on the test results under the condition of the same soil type was analyzed.In ground source heat pump system design process,these factors should be considered for the optimization of design.

heat exchange per meter,heat exchanger duct depth,soil mean temperature,thermal response test

1003-0344（2014）04-049-4

2013-5-24

王晨（1987～），男，碩士研究生；南京市鼓樓區中山北路200號南京工業大學虹橋校區（210009）；E-mail:344680616@qq.com

江蘇省科技計劃項目（SBY201220376）