探析地源热泵系统竖直地埋管换热器优化设计

探析地源热泵系统竖直地埋管换热器优化设计

王天庆林琳

浙江陆特能源科技股份有限公司浙江杭州310051

摘要：文章介绍了地源热泵系统的技术原理、竖直地埋管换热器优化设计方法，地源热泵系统作为行业重点推广的技术之一，在节能环保方面具有不可替代的优势。

关键词：地源热泵；可再生能源；竖直地埋管换热器；单位延米换热量；优化设计

地源热泵系统是利用浅层地热能的可再生能源系统，通过电能驱动系统相关设备，夏季将空调区域的热量转移到地下浅层储存起来，冬季将储存起来的热量转移到空调区域，如此周而复始，达到循环利用。在我国环保问题日益关注的当下，调整我国一次能源结构，减少化石能源的用量，推广使用地源热泵是一个重要的现实途径，能够缓解传统化石能源消耗压力，对治理大气雾霾起到积极的促进作用。然而，在目前所使用的地源热泵非常成功的案例不多，究其原因，主要是地源侧设计环节未能有效优化。

地源热泵系统的设计关键是地源侧的设计。如何做到对地源热泵系统竖直地埋管换热器优化设计，下面的几个步骤是非常必要的。

1取得工程勘探资料是竖直地埋管换热器优化设计的基础

设计前应对项目工程场地进行状况调查，确定地埋管的埋管区域。在该区域内选择地点钻探测试孔，钻探孔的数量根据该热泵系统的建筑面积大小确定。当建筑面积小于3000平米时，钻探一个测试孔；当建筑面积大于3000平米，小于20000平米时，钻探二个测试孔；当建筑面积大于20000平米时，钻探三个测试孔。通过钻探测试孔，取出不同的岩土层岩芯，得出该区域的地质条件，地层分布特征，含水层的空间分布和含水层的压力，地下水的水质、水位和径流等动态水位特征。当岩土的地质条件清楚后，根据经验基本可确定是采用何种成孔工艺和回填料配方，回填料的综合导热系数不宜低于换热孔外的岩土的综合导热系数。

在测试孔成孔后，根据回填料的配方须摆置至少2天（水泥基的7天）后开始进行热响应试验，不对测试系统施加热量进行测试获得该项目岩土体初始平均温度，对测试系统施加热量获得该项目的综合导热系数和综合比热容。一般应做两种加热量和两种流量的测试，为以后的延米换热量的选取提供依据。对以上勘察结果进行数据处理和分析，评估地源热泵系统实施的可行性和经济性。

2竖直地埋管换热器埋管形式和埋管间距的优化设计

竖直地埋管换热器埋管形式常用的有单U、双U，具体采用何种形式主要是根据地质情况和钻孔成本决定。在其它条件相同的情况下，双U换热量比单U的换热量多，但不超过15%。因此，地质条件好、钻孔成本低（40元/米以下）、可埋孔的场地面积足够，一般选择单U形式埋管；地质条件较差、钻孔成本高（70元/米以上）、可埋孔的场地面积不足时，一般选择双U形式埋管；介于上述两者之间的，经技术经济分析比较确定。当钻孔有效深度不足50米时，一般采用在孔内串联单U形式埋管。

埋管间距大小直接影响换热器换热效果、项目初投资、占地面积和水泵的耗功。当增加埋管间距时，由于单孔地埋管周围土壤体积增加，可储存更多的能量，可以有效降低相邻埋管间的热干扰，使得土壤温度场较容易得到恢复，换热效果提高，但同时增加了各环路集管和水平汇集管的管材用量，水平管沟的开挖量和回填量也增加，项目初投资增加，埋管换热器所占用的面积也增加，环路集管和水平汇集管管线长度增加还需加大水泵的扬程从而增加水泵的耗功。因此须对埋管间距进行优化，埋管间距的优化一般是通过假设埋管间距（3—6米），通过模拟地温场软件，至少模拟一个放热、取热周期，地埋管运行后地下管群周围的土壤温度分布情况，分析埋管换热器周围土壤的热扰动半径，从而确定最佳埋管间距。

3单位延米换热量的优化选择

单位延米换热量是竖直地埋管换热器设计中的核心数据，它综合了技术和经济两大因素，其取值的大小是地源热泵系统设计是否成功的关键。其公式为：

q=（Tsh-Tch）/［Rf+Rpe+Rb+Rs·F+Rsp·（1-F）］（1）

q为单位延米换热量，W/m，Rf为传热介质与U形管内壁的对流换热热阻（mK/W），Rpe为U形管管壁热阻，（mK/W），Rb为钻孔回填材料热阻（mK/W），Rs为钻孔外岩土热阻（mK/W），Rsp为短期连续脉冲负荷引起的附加热阻（mK/W），Tsh为地埋管换热器中传热介质的设计平均温度（℃）；Tch为埋管区域岩土体的初始平均温度（℃），F为地埋管换热器运行份额。

下面以某工程项目实例来说明。

该项目通过热响应测试，测得岩土体初始平均温度，经过专用软件计算得出岩土体综合热物性参数，见表1，各热阻值计算见表2（Rf计算时，双U和单U的计算水流速分别为0.4m/s和0.6m/s）。

选择地埋管换热器中的不同进出水设计平均温度和不同的地埋管换热器运行份额，根据公式（1）计算得出不同的单位延米换热量，见表3。

通过对表3的数据分析，可得出如下结论：

1）在放热工况下，随着地埋管内进出水平均的温度升高，在同样的运行份额下，单位延米

换热量增大，进出水平均的温度由30℃升高到33℃，单U和双U的单位延米换热量的每度增幅区间都在6-8%，见图1、图2中的30℃—33℃区间线。进出水平均的温度由33℃升高到36℃，单U和双U的单位延米换热量的每度增幅区间都在10-12%，见图1、图2中的33℃—36℃区间线。

2）在放热和取热工况下，随着地埋管运行份额的提高，在同样的地埋管进出水平均温度下，单位延米换热量都减小，见表2。

3）在取热工况下，随着地埋管内进出水平均温度降低，在同样的运行份额下，单位延米换热量增大，进出水平均的温度由10℃降低到8℃，单U和双U的单位延米换热量的每度增幅区间都在10%左右，见图1、图2中的8℃—10℃区间线。进出水平均的温度由8℃降低到6℃，单U和双U的单位延米换热量的每度增幅区间都在8-9%，见图1、图2中的6℃—8℃区间线。

4）图3是单U和双U在地埋管内同样的进出水平均温度和同样的运行份额条件下，双U单

位延米换热量比单U单位延米换热量增加的百分比在8-12%区间（个别点除外）。经技术经济比较，决定采用单U。

因此，选择合适的地源热泵换热器的放热和取热设计工况以及根据该项目建筑物的负荷特性并结合地源热泵运行策略计算出放热和取热运行份额是单位延米换热量选取的关键。

注：-号表示取热工况下的延米换热量

如果放热工况取值过高或取热工况取值过低，将会导致地源热泵主机夏季冷凝温度过高或冬季蒸发温度过低，增大主机耗功。因为主机冷凝温度每升高1℃，主机单位制冷量的耗功率约增加3—4%，主机的蒸发温度每降低1℃，主机单位制冷量的耗功率约增加8—10%。

该项目经过全年冷热负荷逐时模拟计算，得出夏季峰值负荷和累积负荷都大于冬季峰值负荷和累积负荷，经技术经济分析后，选择了埋管形式单U，放热工况33℃，取热工况8℃，按冬季负荷进行地埋管换热器设计，冬季运行份额为0.25，夏季运行份额0.33，冬季单位延米换热量为32.5W/m，夏季单位延米换热量为33.4W/m。

4地埋管孔数的优化计算

在全年冷热负荷逐时模拟计算和延米换热量优化选择完后，计算换热器的孔数。

按冬季设计热负荷确定的地埋管换热器的孔数（忽略地埋管系统循环水泵轴功率）按下式计算：

图3

M=Q0/（h·q）=Qh·（1-1/COPh）/（h·q）（2）

M为计算换热孔数量；Q0为地埋管换热器冬季取热量（w）；h为换热孔的有效深度（m），q为地埋管冬季取热延米换热量；Qh为地埋管换热器承担的建筑物冬季设计热负荷（w）；COPh为地埋管冬季设计工况下的热泵机组制热系数。

按夏季设计冷负荷确定的地埋管换热器的孔数（忽略地埋管系统循环水泵轴功率）按下式计算：

M=Qk/（h·q）=Q1·（1-1/COPc）/（h·q）（3）

Qk为地埋管换热器夏季放热量（w）；q为地埋管夏季放热延米换热量；Q1为地埋管换热器承担的建筑物夏季设计冷负荷（w）；COPc为地埋管夏季设计工况下的热泵机组制冷系数。

3）设计换热孔的数量要考虑换热孔群集引起的换热量的减少，因为单位延米换热量是在单孔条件下测试并通过软件计算的，为考虑群集效应，另外，要考虑地埋管换热器在施工过程中的不利因数，应给予一定的安全裕量，其式为：

N=M·（1+α）·（1+β）（4）

N为设计换热孔数量；α为换热器孔群附加修正系数，取值范围0—0.1，孔群规模小时取小值，孔群规模大时取大值；β为安全裕量，取值范围0—0.1，当在基坑中埋管且每个环路孔数多时取大值，在非基坑场地埋管且每个环路孔数多时取中值，少量孔数时取0。

5岩土体的热平衡

埋管区域的岩土体是否热平衡关系到地源热泵系统能否长期高效运行，甚至会造成该区域岩土体环境的破坏。因此必须确保岩土体夏季放热和冬季取热基本平衡，应对地埋管换热器所承担的建筑物进行全年的动态负荷计算并用专用软件模拟热泵系统运行过程中，地下热场如何分布，用软件模拟出埋管周围的温度场。通过比较运行若干年后温度的分布与初始温度的分布情况，看温度是否有很大的变化，如果在允许范围之内则对整个系统的效率无太大影响；若超出允许范围之外则需要采取相应的措施。当全年的累积取热量和放热量相差大于20%时，应采用复合式热交换系统（例如：当夏季放热量大于冬季取热量20%时，可采用冷却塔释放多余的热量；当冬季取热量大于夏季放热量20%时，可采用太阳能集热装置对地埋系统补热），另外需要在地埋管换热器进机房的总管上加装能量计可动态监测累计放热量和取热量的差值，便于及时调整地源热泵系统运行策略，以保证地下岩土体温度在全年范围内处于稳定状态

6地埋管换热器各孔管的连接方式的优化设计

对于大型地埋管换热器，各孔管的连接是否合理，对于换热器的性能与整体造价都至关重要。应正确选择孔管内流速，单U的流速宜为0.4—0.8m/s，双U的流速宜为0.2—0.6m/s。应正确选择各环路所连接孔管数量，一般单个环路集管的流量不大于10m3/h，因受施工工艺影响，目前手提电熔设备能焊接的最大PE管的管径为De63，当De63中的流量为10m3/h时，单位长度沿程阻力已达276pa/m。各环路供回水集管应同程布置，保证各孔管流量相等。应对同一分集水器所连接的各环路进行水力计算，保证水力平衡。应对应热泵主机分区设置地埋管换热器，以适应部分负荷下部分主机不运行时，所对应的该主机地埋管换热器也能停止运行，以便实现地埋管换热器的运行策略。

7结束语

随着地源热泵系统良好的环保效应，已经在我国实现大面积的推广，但是也发现了很多问题，其解决必须依靠我们的从业人员通过不断积累，学习国内外先进的行业技术，不断完善地源热泵系统优化设计，使这一技术成为我国向可持续能源目标发展的强大推动力。

本文分析了影响地源热泵竖直地埋管换热器的多个因素，主要包括工程勘探、埋管换热器布置形式和间距优化、岩土体的热平衡、地埋孔管流速、地埋孔管连接方式的优化。并着重对单位延米换热量的优化选择、地埋管换热器的设计工况和地埋管数量计算进行了分析，为地埋管换热器的设计中各参数的选取提供了一定的参考。通过对地源热泵系统设计中的要点分析，提出了适用于地埋管地源热泵系统的优化设计思路与方法。

参考文献：

[1]方肇洪，刁乃仁.地热换热器的传热分析[J].建筑热能通风空调，2004，（1）：11-20.

[2]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量检督检验检疫总局.地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005（2009版）

[3]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量检督检验检疫总局.民用建筑供暖通风与空调设计及规范GB50376-2012