西安地区地源热泵项目运行分析

孙玉亮

1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司

2.中国矿业大学矿业工程学院

0 引言

地热资源是绿色环保、可再生清洁能源的典型代表，其分布广、储量大、稳定性好、利用系数高，在“碳达峰、碳中和”目标指引下，地源热泵近几年迎来了空前的发展机遇［1-2］，供能建筑面积达到13.92 亿m2［3-4］，仅2020 年就增加了1.73 亿m2［5］。随着地源热泵技术的快速应用，也出现了一些隐患，主要是岩土体的冷热失衡问题［6-7］，造成供能效果逐渐变差，导致这一问题的主要原因是运行策略不合理［8-10］。本文针对西安地区地热地质条件，通过数值模拟计算及分析不同运行时间地源热泵系统换热特性，为地源热泵技术的合理应用提供基础依据。

1 双U型地埋管换热器三维传热模型建立

1.1 模型建立

三维传热模型包括双U 型地埋管内的循环水、双U 型地埋管、钻孔内的回填材料和钻孔周围的土壤。地埋管钻孔及地埋管换热器周围的土壤可以看成圆柱体，双U 型地埋管换热器安装在竖直钻孔中，地埋管和循环水采用一维曲线描述（管道流），以提高计算效率。根据实际工程数据，双U 型地埋管的外半径为12.5 mm 的塑料管且U 型支管的中心距离为70 mm，钻孔深度为150 m、钻孔半径为150 mm，模型底部为30 m，模型半径为6 m，建立1:1三维双U型地埋管传热模型，如图1所示。

图1 双U型地埋管几何模型网格划分图

1.2 边界条件

在求解器中设置求解钻孔内的回填材料、地埋管换热器周围及底部土壤为固体区域，地埋管换热器及循环水为管道流体。对建立好的模型进行边界条件的设定，见表1。

表1 边界条件

1.3 材料基本参数

材料基本参数见表2。

表2 材料基本参数

2 不同运行时间双U型地埋管换热器换热特性数值分析

地源热泵系统运行时间长短对土壤温度场恢复有很大影响，若系统运行不合理，则会造成土壤冷热不平衡，从而导致供热或制冷的效果逐年下降，缩短系统寿命。为研究不同运行时间双U型地埋管换热器换热特性，本文选用单管和管群，模拟分析其不同运行时间土壤温度场分布特征及换热特性。

2.1 单孔不同运行时间对地埋管换热特性影响分析

根据项目实际运行情况，夏季制冷分为两类：每天运行4 小时、每天运行8 小时；冬季供热每天运行8 小时，每周运行6 天。根据实际情况设计了三种模拟方案：

①夏季每天运行4 小时，每周运行6 天，共运行3个月；

②夏季每天运行8 小时，每周运行6 天，共运行3个月；

③夏季每天运行8 小时，每周运行6 天，运行3个月，冬季每天运行8小时，每周运行6天，运行4个月，共运行1年，模拟结果见图2～图4。

图2 夏天4小时6天3个月换热量及地温场随运行时间变化曲线图

图3 夏季8小时6天3个月换热量及地温场随运行时间变化曲线图

图4 “夏3冬4”8小时6天1年换热量及地温场随运行时间变化曲线图

（1）夏季4小时6天3个月

（2）夏季8小时6天3个月

（3）夏季3个月冬季4个月8小时6天1年

由图2～图4可知：夏季单孔每天运行4小时或8 小时，供冷期整体出水温度相对稳定，温差基本控制在0.8 ℃范围内，地温场出现少量热堆积，经秋季地温场短暂恢复后，冬季单孔每天运行8小时，供热期整体出水温度相对稳定，温差基本控制在0.5 ℃范围内，地温场出现少量冷堆积，系统整体运行1年后，整体地温场出现少量冷堆积，地温场最大温降在0.3 ℃左右。

2.2 管群不同运行时间对地埋管换热特性影响分析

地源热泵建设项目基本都是管群，因此，有必要对管群效应进行研究，更贴合实际情况，鉴于计算机运算能力的限制，本次计算4 个孔，正方形布置，钻孔间距3 m，模拟方案：夏季每天运行8 小时，每周运行6天，运行3个月，冬季每天运行8小时，每周运行6 天，运行4 个月，分别运行1 年和3 年，模拟结果见图5和图6。

图5 “夏3冬4”8小时6天1年换热量及地温场随运行时间变化曲线图

图6 “夏3冬4”8小时6天3年换热量及地温场随运行时间变化曲线图

（1）夏季3个月冬季4个月8小时6天1年

（2）夏季3个月冬季4个月8小时6天3年

由图5 可知：夏季管群每天运行8 小时，供冷期整体出水温度相对稳定，温差基本控制在1 ℃范围内，地温场出现少量热堆积，经秋季地温场短暂恢复后，冬季单孔每天运行8 小时，供热期整体出水温度相对稳定，温差基本控制在0.8 ℃范围内，地温场出现少量冷堆积，系统整体运行1 年后，整体地温场出现少量冷堆积，地温场最大温降在0.5 ℃左右。

由图6 可知：管群系统运行1 年、2 年和3 年后钻孔夏季平均出水温度分别为27.07 ℃、26.87 ℃及26.85 ℃；冬季平均出水温度分别为11.59 ℃、11.54 ℃及11.53 ℃，地温场最大温降分别为0.5 ℃、0.55 ℃及0.56 ℃，由此可见，管群在此运行模式下冬夏季出水温度及地温场前2 年下降较快，第3年几乎不变。

3 结论

通过模拟分析西安地区单孔和群孔双U 型地埋管换热器在不同运行时间、运行工况下土壤温度场分布特征及换热特性，得到以下主要结论：

（1）地源热泵管群系统应间歇运行，每天最大负荷工况下连续运行不超过8小时；

（2）年总供冷热量差值控制在10%内，以便土壤温度恢复；

（3）3 年和10 年土壤温差分别控制在1 ℃和3 ℃内，以保证地源热泵系统长期供热/制冷效果。