竖直地埋管换热器换热性能及经济分析

张琳邡 纪 河 曹菲菲

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

竖直地埋管换热器换热性能及经济分析

张琳邡 纪 河 曹菲菲

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

针对土壤源热泵系统，建立单U型、双U型及W型埋管实验系统，进而对不同竖直地埋管换热器的换热性能及阻力进行分析比较，同时探讨了不同型式的埋管在不同流量下经济成本随时间的变化情况，并确定各自的最佳流量，从换热性能和经济成本两方面对不同竖直地埋管换热器进行综合评价。

土壤源热泵，换热性能，经济性

0 引言

地源热泵空调系统是以大地为冷、热源，使中间介质在由塑料管组成的封闭环路中循环流动，与大地进行热量的交换[1]，从而实现建筑物的夏季制冷和冬季供暖。土壤源热泵作为地源热泵的一种，是以土壤作为冷热源，较其他形式地源热泵有着污染周围环境最小和不占用水资源的优点，是一种倍受关注的可再生能源技术，近年来在我国逐步得到推广[2]。地埋管换热器的形式有单U型、双U型及W型，影响地下埋管换热器的换热性能的因素有很多，其传热性能的优劣直接关系着土壤源热泵效率的高低[3]。本文以江苏徐州某测试工程为例，采用热响应测试方法测定土壤的热物性，并根据实验结果分析竖直埋管换热器中不同U型管形式的换热性能及其各自的经济性。

1 实验系统简介

该实验系统依托于徐州某高新科技产业开发区工程，实验测试控制台安装于该工程施工现场。该实验系统主要包括地埋管换热器、数据测量及采集系统、控温加热水箱及热泵机组。地埋管换热器具体参数见表1，数据测量及采集系统主要包括流量计、压力表、Pt100测温传感器及数据采集仪，通过数据采集仪采集地下测点及U型管进出口温度，确定其实际换热量，通过数据处理，得出地下埋管温度变化情况。实验系统的冷热量平衡通过控温加热水箱及热泵机组来实现，使得埋管换热器进口水温稳定。测试时间为7月～8月份，即实验工况为夏季，测试夏季不同竖直埋管的换热性能。

表1 实验井埋管的参数指标

在实验过程中，分别对进口水温为35 ℃不同流量下，三种不同连接方式的运行工况进行测试，主要对三种不同连接方式的地埋管换热性能进行对比分析。

2 实验结果与分析

2.1 换热性能分析

Q=cpV(tout-tin)，q=Q/H。

其中，Q为吸收(或放出)的热量；cp为水的比热容；V为水的流量；tout为出口水温；tin为进口水温；H为井深；q为单位井深换热量。将实验数据进行整理计算，可对应求出不同流量下，单U，W型和双U的单位井深换热量。在进口水温为35 ℃，随着流量的增加，W型、单U型和双U型的单位井深换热量逐渐增加，但增加量逐渐减少，最后趋于平稳，如双U型换热性能曲线，在流量从0.6 m3/h变化到1.4 m3/h时，曲线斜率较大，这说明流量0.6 m3/h～1.1 m3/h阶段换热量随流量增加有较大幅度的增加，换热量从55.4 W/m增加到73.8 W/m；1.1 m3/h～1.6 m3/h时换热量随流量的变化趋势减小，换热量从73.8 W/m增加到80.4 W/m；从1.6 m3/h～2.0 m3/h换热量随流量的变化更小，换热量从80.4 W/m增加到82.6 W/m。对于W型、单U型换热性能曲线的趋势与双U型的相似，由此说明三种不同连接方式的换热性能曲线均具有随着流量的增加，换热量增幅在减小的特征。此外，在相同流量、相同进口温度的情况下，W型连接单位井深换热量最大，双U型连接次之，但随着流量的增加，双U型与W型的单位井深换热量差别不大，单U型连接的单位井深换热量是最小的。

2.2 系统阻力分析

随着流量的增加，W型埋管阻力增长幅度最大，单U型次之，双U型埋管增长幅度最小，即在相同流量下，双U型埋管的连接阻力最小，W型连接阻力最大，单U型的连接阻力位于中间。

从换热系统阻力方面分析，在保证紊流状态的前提下，应该采用较小的流量作为地源热泵地下侧的工作流量，这样可以减少水泵功率的消耗；但管内流量太小，单位延米换热量就小，相对就会增加换热管的长度，提高经济成本。所以，在流量确定时，应从水泵功率以及系统成本上综合进行考虑分析，以确定出合格的管内流量，结合不同流量下的换热量及阻力分析，对于W型地埋管(De32)建议选取流量为1.0 m3/h～1.2 m3/h左右为佳，对于单U型地埋管(De32)建议选取流量为0.8 m3/h～1.0 m3/h左右为佳，对于双U型地埋管(De32)建议选取流量为1.6 m3/h～1.8 m3/h左右为佳。此外，由于双U型阻力远小于W型，流量在大于1.2 m3/h时，双U型与W型的单位井深换热量差别不大，可见W型实际使用性不及双U型。因此，在实际工程中，常用单U和双U，而W型不常用。

2.3 经济性分析

采用当地电价0.6元/度，钻井费用按50元/m计算，埋地管材料采用HDPE管，平均按8元/m计算，由于系统负荷固定，所选取的机组也固定，在此不计算该项，同时，只对夏季工况进行计算，不考虑冬季工况。

对于W型、单U型和双U型地埋管，运行初期，小流量所需的总费用较高，大流量所需的总费用较低，随着使用时间的增加，大流量所需的总费用增加幅度较大，并与小流量所需的总费用相持平，甚至高于小流量所需的总费用，只有中间流量的总费用较合适。对于W型地埋管，流量为1.1 m3/h左右时，系统的总费用最低，经济性最佳；对于单U型地埋管，流量为0.8 m3/h左右时，系统的经济性最好；对于双U型地埋管，流量为1.6 m3/h左右时，系统经济性最佳。因此，对W型地埋管(De32)，建议选取流量为1.1 m3/h左右为佳，对于单U型地埋管(De32)，建议选取流量为0.8 m3/h左右为佳，对于双U型地埋管(De32)，建议选取流量为1.6 m3/h左右为佳。

通过分析，可知不同连接方式埋管换热系统在最佳流量下不同使用时间的总费用，随着使用时间的增加，三种形式地埋管系统的费用逐年升高，单U型地埋管系统选取最佳流量0.8 m3/h运行，相对W型和双U型地埋管系统历年的费用依然很高，因此现实工程中，单U型地埋管系统应用的很少。W型地埋管系统选取最佳流量1.1 m3/h运行，运行初期总费用高于双U型在最佳流量1.6 m3/h运行时的费用，在运行后期，W型的费用又低于双U型的费用，但两者的费用相差不大。还可以看出，双U型地埋管系统在流量1.6 m3/h运行时，单位井深换热量为80.4 W/m，而W型地埋管系统在流量为1.1 m3/h运行时，单位井深换热量为77 W/m，可见，在总费用一定的情况下，双U型地埋管系统的换热性能是最好的，因此，双U型相对单U型和W型而言，其换热性能和经济效益都是最佳的。

3 结论

1)从系统换热性能方面分析，在相同流量、相同进口温度的情况下，W型连接单位井深换热量最大，双U型连接次之，但随着流量的增加，双U型与W型的单位井深换热量差别不大，单U型连接的单位井深换热量是最小的。

2)从系统阻力方面分析，在相同流量下，双U型埋管的连接阻力最小，W型连接阻力最大，单U型的连接阻力位于中间。

3)从系统阻力与经济成本两方面分析，对W型地埋管(De32)，建议选取流量为1.1 m3/h左右为佳，对于单U型地埋管(De32)，建议选取流量为0.8 m3/h左右为佳，对于双U型地埋管(De32)，建议选取流量为1.6 m3/h左右为佳。

4)从换热性能、系统阻力及经济成本 三方面综合分析，双U型地埋管系统其换热性能和经济效益都是最佳的，其次是W型地埋管系统，最后是单U型地埋管系统。

[1] 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 陈 萌.土壤源热泵地下埋管换热器换热性能的分析[D].西安：长安大学硕士学位论文，2009.

[3] 凌 晨，刘 刚，贾 猛.土壤热物性与地埋管换热器换热性能研究[J].建筑热能通风空调，2012，31(2):15-18.

[4] 程群英，罗明智，孙纯武，等.地源热泵夏季性能测试及传热模型[J].暖通空调，2005，35(3):2-6.

[5] 杨卫波，施明恒，陈振乾.土壤源热泵夏季运行特性的实验研究[J].太阳能学报，2007，28(9):1012-1016.

The heat transfer performance and economic analysis of vertical ground heat exchanger

Zhang Linfang Ji He Cao Feifei

(CivilEngineeringandConstructionInstitute,AnhuiUniversityofTechnology,Huainan232001,China)

In view of soil heat pump system, this paper establishment of single U, double U and W buried pipe experiment system, then analyzed and compared the heat transfer performance and resistance of different vertical ground heat exchanger, through the discussion on the change situation of economic costs with the time of different forms of buried pipe under different traffic, and determined its own best traffic, from heat transfer performance and economic cost two aspects evaluated different vertical ground heat exchanger.

soil source heat pump, heat transfer performance, economic

2015-08-28

张琳邡(1986- )，女，硕士，助教； 纪 河(1985- )，男，硕士； 曹菲菲(1986- )，女，硕士，助教

1009-6825(2015)31-0134-03

TU833.3

A