不同形式地埋管换热器运行性能影响因素研究

崔煜蓉，陈 帅

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院,上海 201620)

0 引言

地源热泵系统具有节能、环保，节省建筑面积，经济效益高，使用寿命长等优点，在国内外收到广泛使用。近些年来，我国地源热泵技术增长迅速，2015年的数据表明，我国浅层地热能供暖(制冷)面积已达到3.92亿m2。虽然影响地源热泵系统性能因素有很多，但地埋管换热器是其核心部件。因此提高地埋管换热器的换热性能成为了热门研究方向。在我国，地埋管换热器埋管形式主要有单U型、双U型和W型[2]，埋管方式主要有水平和竖直两种[3]。其中，竖直U型管效率高、性能稳定，是目前地源热泵换热器的首选形式[4]。

针对地埋管换热器，国内外学者作了大量研究。在国内，蔡颖玲等学者[5]建立了基于地埋管储热模型的瞬时模型。刁乃仁等学者[6]根据计算得出了双U型埋管换热器的钻孔内热阻比单U小的结论。傅俊萍等学者通过研究发现地埋管的换热能力随着管内流速的增大而增强[7]。李新国等学者则通过实验得出，在排热工况下，双U型地埋管的单位井深换热量大于单U型埋管的结论[8]。在国外，Jamest[9]研究了地埋管换热器的位置布置的优化问题；Gcorgios[10]则对竖直U型地埋管的现场传热性能进行了相关研究。

本文则利用TRNSYS软件模拟单U和双U地埋管换热过程，对其传热特性进行研究。

1 TRNSYS模型的建立

图1为TRNSYS结构模型图，TRNSYS主要用于瞬时模拟分析[11]。该模型由若干模块组成，每个模块有各自特定的功能。对各模块进行编辑，输入适当参数，系统就会调用相应模块进行仿真模拟。

图1 地源热泵仿真模型

本次仿真实验中，用到的主要模块如下：

Type557，竖直地埋管换热器；Type114，单速水泵；Type6，辅助加热器；Type15-2，气象资料读取；Type25，数据输出；Type65，在线显示。

2 实验研究

2.1 实验地点

浙江省绍兴市，该市为夏热冬冷地区。

2.2 实验方法

实验采用恒热流法进行排热工况测试。其中，加热器的功率和进出地埋管的循环水泵流量为设定参数。在测试过程中保证加热功率和循环流量稳定不变，并使用 Data Management 读写软件每间隔1 min进行数据的读写与处理。测量参数主要包括地埋管进口水温、地埋管出口水温、地埋管循环水流量、实际加热功率等。其中，两口测试井因埋管形式的不同选用不同的加热器功率，具体参数如表1所示。

表1 实验测试参数表

2.3 实验结果

本次岩土体热物性计算采用线热源模型，将钻井内外地层作为一个整体，将地埋管换热器看作一个当量直径的线热源以此确定线源径向某一平面位置上的地层温度。之后，进行数据筛选并利用最小二乘法得到进出口平均温度在时间对数坐标系下的线性拟合结果，如图2和图3所示，即可到直线斜率k和截距b，继而计算出土壤导热系数、钻孔热阻和钻井单位延米换热量，其结果如表2所示。

图2 单U型测试井进出口平均水温—ln(t)直线拟合图

图3 双U型测试井进出口平均水温—ln(t)直线拟合图

表2 岩土热物性参数表

3 模拟结果验证

以现场试验的运行参数为依据，进行仿真模拟，将得到的地埋管进出口平均温度随时间变化趋势与现场试验测得的实际数据进行对比，如上述图4所示，发现其趋势大致吻合。即验证了模型有效性。

图4 单U型地埋管进出口温度变化情况

4 地埋管换热器影响因素研究

在实际工程中，能效系数表征了地埋管换热器与土壤换热后，出水温度能够达到的最低或最高的能力，是地埋管换热器传热能力的体现[12]。因此，在上述TRNSYS能耗模型的基础上，以能效系数为指标，模拟分析埋管深度，管间距和回填材料导热系数等因素对单U、双U地埋管换热器换热性能的影响。

4.1 地埋管换热器能效系数

以能效系数E[13]来表示地埋管换热器的换热能力

式中E——地埋管换热器能效系数;

φ——地埋管换热器与土壤的实际传热量/kW;

φ′——地埋管换热器与土壤的最大理论传热量/kW;

Tin——地面管换热器进水温度/℃;

Tout——地埋管换热器出水温度/℃;

T0——土壤初始温度/℃。

如图5所示，单U型和双U型管能效系数均逐渐降低，这是因为初期地埋管周围土壤温度与初始地温相同，处于理想换热状态。之后，由于换热器与土壤之间不断换热，使土壤温度升高，由能效系数计算公式可知，此时，能效系数将会不断降低。直至换热趋于平衡时，能效系数也将接近平稳状态。

图5 能效系数变化情况

4.2 埋管深度的影响

选取钻孔深度分别为70 m，100 m和130 m，保持其他参数不变，在这三种钻孔深度下，分析单U，双U地埋管换热器换热效果的差异。分析图6模拟结果得到：不论单U还是双U型管，地埋管能效系数都随埋管深度加深而增大。其具体数据如表2所示。

图6 不同管深下地埋管能效系数变化情况

表2 地埋管能效系数随钻孔深度变化情况

由表2和图6可看出，随着埋管深度的增大，双U的能效系数均高于单U，说明随着埋管深度的增加，双U的整体换热效果优于单U。但是，随着埋管加深，这种优势逐渐变小，即不可一味追求埋管深度，还应综合考虑换热效果及相应的成本，选取合适深度的埋管钻井深度。

4.3 埋管间距的影响

选取管间距分别为0.096 m、0.076 m、0.056 m。保持其他参数不变，在这三种管间距下，分析单U、双U地埋管换热器换热效果的差异。分析图7的模拟结果得到：不论单U还是双U，地埋管的能效系数均随管间距增大而变大，这说明增大管间距对整体换热有促进作用。其具体数据如表3所示。

图7 不同管间距下地埋管换热系数变化情况

表3 地埋管能效系数随管间距变化情况

由表3和图7可知随着管间距的增大，双U型管能效系数变化幅度均大于单U型管，即在换热情况较好的双U条件下，适当增大管间距，对整体换热的促进效果更为显著。

4.4 回填材料导热系数的影响

选取导热系数分别为1.5 W/(m·℃)、2 W/(m·℃)和2.5 W/(m·℃)的回填材料，保持其他条件不变，分析回填材料导热系数对整体换热效果的影响。分析图8的模拟结果得到：不论单U型还是双U型管，地埋管能效系数均随回填材料导热系数增大而增大，说明回填材料导热系数的增大对整体换热有促进作用。其具体数据如表4所示。

图8 不同回填导热系数下地埋管能效系数变化情况

表4 地埋管能效系数随回填导热系数变化情况

由表4和图8可知，相同回填材料导热系数下，双U的换热效果总是高于单U的，但双U型管与单U型管能效系数变化逐渐减小并且随着回填材料导热系数的增大，两者差异逐渐减小，说明回填材料对整体换热效果有一定影响作用，整体换热效果越好，其影响越小；整体换热效果越差，其影响越明显。

5 结论

(1)由现场实验计算可得：单U型埋管测试井的导热系数为2.27 W/(m·℃)，钻井热阻为0.123 m·℃/W，排热工况下单位延米换热量为86.39 W/m；双U型埋管测试井的导热系数为3.31 W/(m·℃)，钻井热阻为0.119 m·℃/W，单位延米换热量为106.72 W/m。

(2)在负荷一定的情况下，随着埋管深度的增加，双U型管能效系数均大于单U型管。故在一些山地等打井费用较高的地区，可使用双U地埋管换热器以减少打井数量，提高经济效益和机组运行效率。

(3)管间距越大，埋管进出口平均温度越低，能效系数越高，地埋管换热器换热效果越好且双U整体换热效果要好于单U。

(4)相同回填材料导热系数下，双U的换热效果总是高于单U，且回填材料对整体换热效果有一定影响作用，整体换热效果越好，其影响越小；整体换热效果越差，其影响越明显。