地源热泵垂直地埋管传热性能影响因子分析★

赵丽博 段飞 李政

0 引言

地埋管换热器作为地源热泵空调系统最为关键的组成部分，其性能的优劣直接影响地源热泵系统的技术能力和经济性能。鉴于目前工程中应用最为广泛的垂直地埋管系统，其影响因子主要有:管内流量、进口水温、埋管深度、回填材料、钻孔间距［1］等，准确的理解其机理和影响规律，尤其是主要影响因素的研究与分析，将对实际的工程应用产生很大的参考价值。

1 垂直地埋管换热器影响因子

1)管内流量对换热性能的影响。当U形管内的介质流量较小时，随着流量的增加，U形管的换热能力显著增加，当流量增加到一定的程度后，U形管的单位井深平均换热量的增加幅度变缓，且不同深度的钻井的单位井深平均换热能力会随着流量的增加越来越接近。钻井越深，U形管的单位井深平均换热能力与流量的变化曲线变缓所需的流量也越大。流量越大，U形管的单位井深平均换热能力会越大，钻井越经济，但是U形管的出入口温差会减小，这势必会增大热泵的换热器的面积。当流量增大到一定值后，单位井深平均换热能力的增加幅度不会很大［2］。

2)进口水温对换热性能的影响。在地源热泵的实际运行中，地埋管的进水温度是随着热泵运行工况的不同而时刻变化的，从而引起单位钻孔深度的换热量的变化，同时，地埋管换热器的热阻亦随之改变。不同流速下单位井深换热量随进口水温变化的趋势大体相同，即换热量随进口水温增加呈线性下降。如果降低地源热泵在冬季运行中U形管进口水温将有利于U形管与土壤传热。使用较低的进口水温，将会大大加强U形管与周围土壤的换热。这主要是由于进口水温较低时水与周围土壤的可利用温差较大，换热得到加强所致。可以推想，在夏季运行工况下，如果U形管的进口水温升高，也会使水与土壤的温差加大，必然也能增加单位管长的换热量［3］。

3)埋管深度对换热性能的影响。埋管深度对土壤源热泵系统运行的有效性有很大影响。当机组运行时，单位管长换热量会随着埋管深度的增加而减小，这是因为当埋深增加时，循环液在管内停留的时间长，出水温度会降低，当循环液的平均温度降低时，它和周围土壤的温差减小，换热情况恶化，也就是说增加的那部分管长由于管内流速降低，虽然换出了一部分热量，但是热流密度小，因此单位管长换热量减少。特别是在运行时间较短的情况下，单位管长换热量随埋管深度的变化幅度较大，所以运行时间较短的情况下，不宜选择较大的埋管深度［4］。

4)回填材料对换热性能的影响。回填材料的导热系数是决定地埋管换热器换热效果和系统效率的主要因素。王向岩等人［5］在制热工况下，以超强吸水树脂与源土的混合物为回填材料，对地源热泵的运行特性进行了实验研究，结果表明，在回填材料中注入少量水的情况下，能够很好地改善土壤的非饱和性，增加土壤的导热系数，提高土壤的热恢复能力，明显增大地埋管的吸热量;杨卫波等人［6］的研究表明，增加回填材料的导热系数有利于增强埋管的换热强度，埋管出口温度及单位埋管深度的吸热量均会增大，但当回填材料的导热系数值增加到一定值后，单位深度埋管吸热量几乎不再增加。

5)钻孔间距对换热性能的影响。在土壤源热泵系统中，钻孔间距的大小直接影响大换热器的换热效果以及埋管占地面积。当钻孔间距减少时埋管换热器所占的面积减少，同时由于埋管周围土壤体积减少。相邻两埋管之间的热干扰增加，周围土壤会产生蓄热现象，温度升高，致使U形管周围的传热条件恶化，热量传递速度减慢，则从土壤中取出的冷量或热量也相对减少。间距越小，蓄热现象越显著，换热器的换热效果越差。当钻孔间距增大时，U形管间的热干扰减小，土壤温度场比较容易跌倒恢复，换热效果增强，但地下埋管换热器需要较大的占地面积［4］。

6)系统运行模式对换热性能的影响。在实际状态中土壤源热泵的运行是变工况状态下运行的，在这种条件下，土壤源热泵地埋管换热器换热负荷也是动态的，表现出不同的运行方式。在间歇运行方式下，地埋管换热器周围土壤有一定时间的恢复期，其传热特性较长期连续运行有其自身的特点，地埋管换热性能也不同。於仲义等人［7］通过试验，采用同一机组分别进行连续运行模式和间歇运行模式。实验表明，对于相同的地埋管流量、同一钻井深度，两种运行模式下地埋管换热能力趋于平缓时间歇运行的单位井深换热量明显高于连续运行的单位井深换热量，这是因为间歇运行时埋管内流体温度依靠与周围土壤导热来排热，而周围则在此段时间内与其邻近的土壤进行热交换，以减小管内流体流动时地埋管排出的大量堆积热量，降低埋管周围土壤自身温度，以利于下一次运行时的换热。由此可以得出结论采用间歇运行模式可以有效地提高地埋管的换热能力。

7)土壤导热率对换热性能的影响。近年来，土壤导热率对地源热泵性能的研究也渐渐成为热点。Piechowski通过实验研究了土壤导热率，比热容和密度对钻井换热器换热效率的影响。他指出，土壤导热率很大程度上取决于土壤湿度的变化，同时系统运行初始的土壤湿度对于系统性能非常重要。Drown观测了季节性的钻井换热器周围土壤导热率和湿度的变化。结果表明，增加0.17 W/(m·K)的土壤导热率导致达到相同热量的地源热泵运行时间缩短1.3%。土壤的导热率与埋管的换热量是线性关系，而土壤的导热率又高度依赖于土壤的湿度，并且研究表明随着土壤湿度的增加，土壤导热率明显增加，两者的相关系数可达到0.9538，因此可以得出土壤湿度的增加有利于换热率的增加，而且因土壤湿度变化所引起的钻井换热器的换热效率的变化是非常显著的［8］。

8)U形管支管间距对换热的影响。对于竖直U形地埋管换热器，其钻孔孔径通常为110mm～130mm，在这样一个狭小的空间内，温度不同的两个支管之间将必然发生热量回路现象，又称热短路。范军等人［9］的研究发现，管距越大，支管间的热量回流越小。范蕊等人［10］分析了有地下水渗流情况下的土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统中竖直地埋管换热器的管间距问题，结果表明对于夏季蓄冷、释冷的运行方式，较小的管间距有利于盘管蓄存高品质冷量，从而更加有利于空调运行;而对于冬季工况，较小的管间距不利于土壤温度的恢复。杨卫波等人［6］的研究表明，管脚间距的增加有利于增大单位埋管长度吸热量，这主要是因为管脚间距的加大有助于减小两管脚间热短路的影响。但考虑到盲目增大管脚间距会因孔径加大而增加钻孔费用及回填物的量，同时间距加大所换来的地埋管吸热量增加幅度也较小。

2 结语

影响地埋管传热性能的因素有很多，在实际的工程设计和系统运行时受当地条件的制约，以及各个因素之间的互相影响，很难做到使每个因素的影响都达到最佳化。如何合理的分析系统中单因素的影响，找到主要影响因子，使得系统的运行既满足技术要求又经济合理将是以后研究的重点。

［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］ 杨昌智，黄 兵.U型管换热性能影响因素研究［J］.湖南大学学报，2009，36(12):44-48.

［3］ 胡平放，康 龙，江章宁，等.地源热泵U型管换热性能影响因素的数值模拟与分析［J］.流体机械，2009，37(3):64-68.

［4］ 毛会敏，姚 杨.土壤源热泵地下换热器的设计与影响因素分析［J］.建筑热能通风空调，2008，27(2):46-52.

［5］ 王向岩，马伟斌，黄远峰.超强吸水树脂与源土混合作为地源热泵供热系统回填材料的实验研究［J］.太阳能学报，2007，28(1):23-27.

［6］ 杨卫波，施明恒.基于元体能量平衡法的垂直U型埋管换热特性的研究［J］.热能动力工程，2007，22(1):96-100.

［7］ 於仲义，胡平放，袁旭东.土壤源热泵地埋管换热实验研究［J］.华中科技大学学报，2008，25(3):157-161.

［8］ 牛润卓.土壤湿度对地源热泵换热性能的影响［J］.科学与研究，2008(3):47-49.

［9］ 范 军，刁乃仁，方肇洪.竖直U型埋地换热器两支管间热量回流的分析［J］.山东建筑工程学院学报，2004，19(1):1-4.

［10］ 范 蕊，马最良.双功能地下管群换热器的管间距分析［J］.建筑热能通风空调，2006，25(1):11-14.