地源热泵地下高效换热系统热积累研究

薛颀，祖国全

（1.安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽合肥 230011；2.安徽省方舟科技开发有限责任公司，安徽合肥 230601）

0 引言

地下热岛效应的形成与危害是地源热泵地下换热系统热积累的主要问题之一，一直是业内高度关注的重要问题。本文在开展传统U型管换热器实验的基础上，对高效换热井进行了热积累实验研究。

地下换热器在使用过程中，地埋管内换热介质与周边岩土之间一般保持5℃以上的温差，当排热或吸热量持续超过岩土散热速度时，地埋管内换热介质与周边岩土的温差会逐步缩小，形成热积累。当温差接近零时，地埋管进出水温度也接近零，形成热短路[1～2]。为了解地下换热系统的热积累规律，我们进行了较长时间的跟踪观测，初步研究成果如下：

1 地埋管换热器单孔热积累

为研究地埋管换热系统单孔热积累问题，我们首先建造了一口高效换热井，采用Φ110钢管作为支护和换热管，内置PE40直管作为循环导流管，支护管完全密封，循环介质与周边岩土只有热交换，没有地下水参与交换。冷井一周后，测量其原始温度为18.9℃，再连续循环加热48小时，停止加热，此时换热井的进水温度40.3℃，出水温度35.6℃，平均温度38.0℃。

停止加热40分钟、44小时、20天、50天后，分别对井下各层温度进行测量，见表1。从表中可以看出，井下平均温度与初始温度相比，40分钟后高14.4℃，44小时后高2.9℃，20天后高0.4℃，50天后高0.3℃。

表1 地下换热器试验井不同时间段温度变化Table 1.Temperature changes in underground heat exchanger test well at different time periods

从图1和图2可以看出，高效换热井在冷却20天后，井内平均温度已基本恢复到原始状态。

图1 观测井初始温度与停止加热后不同时间段井温实测曲线Figure 1.Measured curves of initial temperatures and well temperatures at different time periods for the observation well after heating stops

图2 高效换热井停止加热后平均温度变化曲线Figure 2.Average temperature change curve of efficient heat exchange well after heating stops

2 高效换热井群孔热积累

为研究高效换热井群孔热积累问题，我们在合肥某大学建筑艺术馆80口高效换热井的周边布置了6口观测孔，观测井分布见图3，各观测井与工作井距离见表2。

图3 观测井与实际使用井位置分布图Figure3.Distribution of observation wellsand workingwellsin use

在2013年冬季开机前、开机20天后、开机53天后、停机10天后、停机50天后分别测量各观测井温度，见表2。

表2 观测井冬季使用前后10m以下平均温度Table 2.Average temperatures of observation wells at depths below 10m before and after working wells put to use in winter

图4是观测井冬季使用前后10m以下平均温度变化曲线。图中显示，测试井距工作井2m以内有明显影响，但最大影响温度不超过2℃，2.5m以上基本没有影响。停机10天后，2m以上测试井温度基本恢复，50天后所有测试井温度基本恢复。

图4 观测井冬季使用前后10m以下平均温度变化曲线Figure 4.Average temperature variation curves of observation wells at depths below 10m before and after working wells put to in winter

3 模拟计算

（1）设定岩土平均温度为20℃，岩土综合导热系数为1.5W/(m·℃),换热井出水温度维持30℃，并持续120天[3]，对岩土温度影响范围见图5、图6，显示对2.5m以外岩土影响温度小于1℃。

图5 换热井出水保持30℃并持续120天温度影响范围Figure 5.Temperature influence range of heat exchange well when outlet water is kept at 30℃for 120 days

图6 换热井出水保持30℃并持续120天温度影响范围曲线Figure 6.Temperature influence range curve of heat exchange well when outlet water is kept at 30℃for 120 days

（2）设定岩土平均温度为20℃，岩土综合导热系数为1.5W/(m·℃)，地换热井出水温度维持35℃，并持续120天[3]，对岩土温度影响范围见图7、图8，显示对3m以外岩土影响温度小于1℃。

图7 地埋管出水保持35℃并持续120天温度影响范围Figure 7.Temperature influence range of ground heat exchanger when outlet water is kept at 35℃for 120 days

图8 换热井出水保持35℃并持续120天温度影响范围曲线Figure 8.Temperature influence range curve of heat exchange well when outlet water is kept at 35℃for 120 days

4 高效换热井与U型地埋管换热器热积累对比

高效换热井与U型地埋管换热器结构见图9。

图9 高效换热井与U型地埋管换热器结构图Figure 9.Structure diagram of efficient heat exchange well and U-shaped ground heat exchanger

U型地埋管换热器进水和出水都直接与周围岩土进行热交换，进出水流速相等，进水与出水管之间的岩土只有几十厘米，这部分岩土最容易产生热积累。U型地埋管换热器由于数量多，占地面积大，在实际工程中往往按网格状排布，大大增加了热积累的速度[4～5]。

高效换热井只有进水与岩土进行热交换，换热面积大，交换后的水到井底后，由导流管以较快的速度输送到地表，难以形成热积累和热短路[6]。在实际工程中，由于高效换热井的数量只有U型地埋管换热器的10%～20%，一般布置成单排或双排，井与井的间距较大，因此形成热积累的速度大大减缓。

5 结论

（1）网状布置的地埋管换热器较易产生热积累，井的间距越小，产生热积累的速度越快。

（2）换热器数量（或总延米）应与建筑物的负荷相匹配，设计安全系数越高，总延米越长，产生热积累的速度越慢。

（3）高效换热井由于特殊的结构和布井方式，难以产生热积累。