不同形式地埋管換熱器運行性能影響因素研究

崔煜蓉，陳 帥

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院,上海 201620)

0 引言

地源熱泵系統具有節能、環保，節省建筑面積，經濟效益高，使用壽命長等優點，在國內外收到廣泛使用。近些年來，我國地源熱泵技術增長迅速，2015年的數據表明，我國淺層地熱能供暖(制冷)面積已達到3.92億m2。雖然影響地源熱泵系統性能因素有很多，但地埋管換熱器是其核心部件。因此提高地埋管換熱器的換熱性能成為了熱門研究方向。在我國，地埋管換熱器埋管形式主要有單U型、雙U型和W型[2]，埋管方式主要有水平和豎直兩種[3]。其中，豎直U型管效率高、性能穩定，是目前地源熱泵換熱器的首選形式[4]。

針對地埋管換熱器，國內外學者作了大量研究。在國內，蔡穎玲等學者[5]建立了基于地埋管儲熱模型的瞬時模型。刁乃仁等學者[6]根據計算得出了雙U型埋管換熱器的鉆孔內熱阻比單U小的結論。傅俊萍等學者通過研究發現地埋管的換熱能力隨著管內流速的增大而增強[7]。李新國等學者則通過實驗得出，在排熱工況下，雙U型地埋管的單位井深換熱量大于單U型埋管的結論[8]。在國外，Jamest[9]研究了地埋管換熱器的位置布置的優化問題；Gcorgios[10]則對豎直U型地埋管的現場傳熱性能進行了相關研究。

本文則利用TRNSYS軟件模擬單U和雙U地埋管換熱過程，對其傳熱特性進行研究。

1 TRNSYS模型的建立

圖1為TRNSYS結構模型圖，TRNSYS主要用于瞬時模擬分析[11]。該模型由若干模塊組成，每個模塊有各自特定的功能。對各模塊進行編輯，輸入適當參數，系統就會調用相應模塊進行仿真模擬。

圖1 地源熱泵仿真模型

本次仿真實驗中，用到的主要模塊如下：

Type557，豎直地埋管換熱器；Type114，單速水泵；Type6，輔助加熱器；Type15-2，氣象資料讀取；Type25，數據輸出；Type65，在線顯示。

2 實驗研究

2.1 實驗地點

浙江省紹興市，該市為夏熱冬冷地區。

2.2 實驗方法

實驗采用恒熱流法進行排熱工況測試。其中，加熱器的功率和進出地埋管的循環水泵流量為設定參數。在測試過程中保證加熱功率和循環流量穩定不變，并使用 Data Management 讀寫軟件每間隔1 min進行數據的讀寫與處理。測量參數主要包括地埋管進口水溫、地埋管出口水溫、地埋管循環水流量、實際加熱功率等。其中，兩口測試井因埋管形式的不同選用不同的加熱器功率，具體參數如表1所示。

表1 實驗測試參數表

2.3 實驗結果

本次巖土體熱物性計算采用線熱源模型，將鉆井內外地層作為一個整體，將地埋管換熱器看作一個當量直徑的線熱源以此確定線源徑向某一平面位置上的地層溫度。之后，進行數據篩選并利用最小二乘法得到進出口平均溫度在時間對數坐標系下的線性擬合結果，如圖2和圖3所示，即可到直線斜率k和截距b，繼而計算出土壤導熱系數、鉆孔熱阻和鉆井單位延米換熱量，其結果如表2所示。

圖2 單U型測試井進出口平均水溫—ln(t)直線擬合圖

圖3 雙U型測試井進出口平均水溫—ln(t)直線擬合圖

表2 巖土熱物性參數表

3 模擬結果驗證

以現場試驗的運行參數為依據，進行仿真模擬，將得到的地埋管進出口平均溫度隨時間變化趨勢與現場試驗測得的實際數據進行對比，如上述圖4所示，發現其趨勢大致吻合。即驗證了模型有效性。

圖4 單U型地埋管進出口溫度變化情況

4 地埋管換熱器影響因素研究

在實際工程中，能效系數表征了地埋管換熱器與土壤換熱后，出水溫度能夠達到的最低或最高的能力，是地埋管換熱器傳熱能力的體現[12]。因此，在上述TRNSYS能耗模型的基礎上，以能效系數為指標，模擬分析埋管深度，管間距和回填材料導熱系數等因素對單U、雙U地埋管換熱器換熱性能的影響。

4.1 地埋管換熱器能效系數

以能效系數E[13]來表示地埋管換熱器的換熱能力

式中E——地埋管換熱器能效系數;

φ——地埋管換熱器與土壤的實際傳熱量/kW;

φ′——地埋管換熱器與土壤的最大理論傳熱量/kW;

Tin——地面管換熱器進水溫度/℃;

Tout——地埋管換熱器出水溫度/℃;

T0——土壤初始溫度/℃。

如圖5所示，單U型和雙U型管能效系數均逐漸降低，這是因為初期地埋管周圍土壤溫度與初始地溫相同，處于理想換熱狀態。之后，由于換熱器與土壤之間不斷換熱，使土壤溫度升高，由能效系數計算公式可知，此時，能效系數將會不斷降低。直至換熱趨于平衡時，能效系數也將接近平穩狀態。

圖5 能效系數變化情況

4.2 埋管深度的影響

選取鉆孔深度分別為70 m，100 m和130 m，保持其他參數不變，在這三種鉆孔深度下，分析單U，雙U地埋管換熱器換熱效果的差異。分析圖6模擬結果得到：不論單U還是雙U型管，地埋管能效系數都隨埋管深度加深而增大。其具體數據如表2所示。

圖6 不同管深下地埋管能效系數變化情況

表2 地埋管能效系數隨鉆孔深度變化情況

由表2和圖6可看出，隨著埋管深度的增大，雙U的能效系數均高于單U，說明隨著埋管深度的增加，雙U的整體換熱效果優于單U。但是，隨著埋管加深，這種優勢逐漸變小，即不可一味追求埋管深度，還應綜合考慮換熱效果及相應的成本，選取合適深度的埋管鉆井深度。

4.3 埋管間距的影響

選取管間距分別為0.096 m、0.076 m、0.056 m。保持其他參數不變，在這三種管間距下，分析單U、雙U地埋管換熱器換熱效果的差異。分析圖7的模擬結果得到：不論單U還是雙U，地埋管的能效系數均隨管間距增大而變大，這說明增大管間距對整體換熱有促進作用。其具體數據如表3所示。

圖7 不同管間距下地埋管換熱系數變化情況

表3 地埋管能效系數隨管間距變化情況

由表3和圖7可知隨著管間距的增大，雙U型管能效系數變化幅度均大于單U型管，即在換熱情況較好的雙U條件下，適當增大管間距，對整體換熱的促進效果更為顯著。

4.4 回填材料導熱系數的影響

選取導熱系數分別為1.5 W/(m·℃)、2 W/(m·℃)和2.5 W/(m·℃)的回填材料，保持其他條件不變，分析回填材料導熱系數對整體換熱效果的影響。分析圖8的模擬結果得到：不論單U型還是雙U型管，地埋管能效系數均隨回填材料導熱系數增大而增大，說明回填材料導熱系數的增大對整體換熱有促進作用。其具體數據如表4所示。

圖8 不同回填導熱系數下地埋管能效系數變化情況

表4 地埋管能效系數隨回填導熱系數變化情況

由表4和圖8可知，相同回填材料導熱系數下，雙U的換熱效果總是高于單U的，但雙U型管與單U型管能效系數變化逐漸減小并且隨著回填材料導熱系數的增大，兩者差異逐漸減小，說明回填材料對整體換熱效果有一定影響作用，整體換熱效果越好，其影響越小；整體換熱效果越差，其影響越明顯。

5 結論

(1)由現場實驗計算可得：單U型埋管測試井的導熱系數為2.27 W/(m·℃)，鉆井熱阻為0.123 m·℃/W，排熱工況下單位延米換熱量為86.39 W/m；雙U型埋管測試井的導熱系數為3.31 W/(m·℃)，鉆井熱阻為0.119 m·℃/W，單位延米換熱量為106.72 W/m。

(2)在負荷一定的情況下，隨著埋管深度的增加，雙U型管能效系數均大于單U型管。故在一些山地等打井費用較高的地區，可使用雙U地埋管換熱器以減少打井數量，提高經濟效益和機組運行效率。

(3)管間距越大，埋管進出口平均溫度越低，能效系數越高，地埋管換熱器換熱效果越好且雙U整體換熱效果要好于單U。

(4)相同回填材料導熱系數下，雙U的換熱效果總是高于單U，且回填材料對整體換熱效果有一定影響作用，整體換熱效果越好，其影響越小；整體換熱效果越差，其影響越明顯。