地埋管换热器钻孔长度计算方法研究

魏新华，汤昌福，俞显忠（1 安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥 230088；2 合肥市浅层地热能工程技术研究中心，安徽合肥 230088）

地埋管换热器钻孔长度计算方法研究

魏新华1，2，汤昌福1，2，俞显忠1，2
（1 安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥 230088；2 合肥市浅层地热能工程技术研究中心，安徽合肥 230088）

地埋管换热器钻孔长度计算是土壤源热泵系统设计的核心。为规范地埋管换热器钻孔长度计算，从《地源热泵系统工程技术规范》基本要求出发，以合肥市某土壤源热泵工程为例，进行了地埋管换热器钻孔长度计算和校核模拟计算。研究表明，热干扰对地埋管换热器钻孔长度有较大的影响，不考虑热干扰影响的钻孔长度计算结果偏小；由于热堆积的影响，地埋管换热器流体平均出口温度呈现逐年上升趋势。校核模拟计算结果表明地埋管换热器钻孔计算长度能够满足规范的要求。

地埋管换热器；钻孔长度；模拟

0　引言

浅层地热能是一种可再生能源，土壤源热泵技术作为浅层地热能开发利用的主要技术之一，近年来在建筑节能应用中获得越来越多的关注[1~3]。与普通空调系统相比，土壤源热泵系统初投资（主要是钻孔成本）过高，阻碍了地源热泵空调系统大规模推广和应用。Cane和Forgas[4]研究北美地区土壤源热泵工程实例发现，地埋管换热器的管长都比实际偏大10%~30%，造成项目成本偏高，不利于土壤源热泵技术的发展和推广。

地埋管换热器是土壤源热泵系统的关键组成部分，是系统设计的核心内容。选择科学可靠的地埋管换热器钻孔长度计算方法，在保证地埋管换热器换热效果的长度要求的同时，减少钻孔量，降低钻孔成本，减小项目初投资，可以有效提高土壤源热泵项目的竞争力，也是推广地源热泵空调技术的关键之一。《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)[5]规定：“地埋管换热器设计计算应根据现场实测岩土体及回填材料热物性参数，采用专用软件进行。竖直地埋管换热器的设计也可以按本规范附录B的方法进行计算”；并且，地埋管换热器的设计需要满足要求“夏季运行期间，地埋管换热器出口最高温度宜低于33℃；冬季运行期间，不添加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃。”因此，在确定地埋管换热器长度之后，还要进行校核计算，即根据现有的换热器结构参数和面积以及建筑负荷，模拟地下换热器长期运行动态特征，校核地埋管换热器的整个寿命周期中循环液的出口温度是否满足规范的要求。

然而，目前大多数实际工程应用中，地埋管换热器设计长度的计算方式往往采用单位延米换热量的估计值进行估算，无法考虑钻孔之间热干扰的影响，并且很少进行校核计算，极易对土壤源热泵系统长期可靠高效运行产生不利影响。笔者以具体土壤源热泵项目为例，进行地埋管换热器长度计算，并按照《规范》的要求，对地埋管换热器长期运行特性进行了校核模拟计算。

1　地埋管长度计算方法

《规范》附录B给出了地埋管换热器长度计算推荐方法[5]，制冷工况（夏季）下：

制热工况（冬季）下：

式中，下标c，h分别表示制冷/供热工况；Q—为建筑负荷，kW；EER/COP—制冷/制热工况下系统效率；∞T岩土初始温度，℃；Tmax/ Tmin—制冷/制热工况下，地埋管换热器中流体设计温度，℃，Tmax通常取33~36℃，Tmin通常取-2~6℃；Fc/Fh满足

Rf、Rpe和Rb分别为钻孔内流体对流热阻、管壁热阻、回填材料热阻，m·K/W，具体计算方法可参考文献[5]；Rs—地层热阻，m·K/W，单个钻孔时，热阻Rs满足[5]

多个钻孔时，还要考虑钻孔之间干扰的影响，土壤热阻Rs满足

其中，λs为 岩土导热系数，W/ (m·K)；α为岩土热扩散系数，m²/ s；τ为运行时间，s；rb为钻孔半径，m；rij为钻孔i和j之间的间距，m；I为指数积分函数[5]。Rsp—短期连续脉冲负荷引起的附加热阻，m·K/W，

式中：τp—短期脉冲负荷连续运行的时间，s；a为岩土热扩散系数。

根据式（1）和（2）分别计算得到Lh和Lc，取其中较大者作为地埋管换热器长度。

2　应用实例

某土壤源热泵工程建筑类型为办公楼，位于合肥市，年平均气温约16.5℃，总建筑面积约为1828.1 m2，采用土壤源热泵地能中央空调系统进行夏天制冷和冬天供暖，夏季制冷时间从6月至9月，冬季制热时间从12月至3月，系统运行年限为10年。空调设计室外计算参数：室外计算干球温度：冬季-4℃；夏季35.1℃。夏季室外计算湿球温度为28.1℃；冬季室外计算相对湿度78%；建筑物夏季空调最大冷负荷为110.82 kW，冬季空调最大热负荷为99.77 kW。建筑月平均负荷如表1（冷负荷为正，热负荷为负）。系统年冷负荷大于年热负荷，长期运行可能会存在地下热平衡问题。

2.1岩土热响应测试结果

工程前期进行了岩土热响应测试，测试结果显示地下岩土初始温度19.9 ℃，地下岩土综合导热系数2.19 W/(m·K)，热扩散系数0.729×10-6m²/s。测试结论为：该项目适合采用土壤源地源热泵技术，钻孔深度100 m，钻孔直径127 mm，钻孔间距4 m；采用单U埋管，管径32 mm；埋管内循环流体为水。

2.2地埋管换热器钻孔长度计算

系统夏季制冷效率EER=5.5，冬季制热效率COP=4.5，钻孔长度计算其他参数见表2。地埋管换热器钻孔长度计算步骤如下：

表1　建筑月平均负荷Table 1 Monthly average load for the building

表2　地埋管换热器长度计算参数Table 2 Parameters of borehole length calculation for ground heat exchanger

（1）计算钻孔内总热阻Rbt= Rf+ Rpe+ Rb= 0.069 m·K/W；

（2）不考虑热干扰，根据式(1)和(2)计算钻孔长度分别为Lc=1930.08 m，Lh=1084.16 m。选取钻孔长度L=1930.08 m，根据钻孔深度，确定钻孔数≈20个，选择钻孔布置形式为10×2；

（3）根据选定的钻孔布置形式，考虑热干扰的影响，计算钻孔长度分别为Lc=2159.06 m，Lh= 1212.79 m。选择钻孔长度L=2159.06 m，确定钻孔数 ≈22个，调整钻孔布置形式为11×2，重新计算钻孔长度分别为Lc=2159.06 m，Lh= 1212.79 m；

（4）最终确定地埋管换热器钻孔长度L=2200 m，钻孔数22个，钻孔间距4m，钻孔布置形式为11×2（图1）。

图1　地埋管换热器钻孔布置形式Fig.1 Arranged form of boreholes for ground heat exchanger

值得注意的是，从上述计算过程可以发现，热干扰对地埋管换热器钻孔长度计算有较大影响，不考虑热干扰获得的钻孔长度偏小，比最终钻孔长度小10.6%。

2.3地埋管换热器长度校核计算

根据文献[6]建立的地埋管换热器地下传热模拟方法，模拟地埋管换热器长期运行10年温度变化情况。图2给出了其出口温度和入口温度变化情况：由于地下热堆积的影响，地埋管换热器出口温度逐年上升的趋势，例如夏季最高出口温度（7月）第1年为26.3 ℃，第10年为28.89 ℃，上升了2.59 ℃；冬季最低进口温度（12月）第1年为16.32 ℃，第10年为18.73 ℃，上升了 2.41 ℃。夏季最高出口温度和冬季最低进口温度均满足《规范》[5]的要求，地埋管换热器钻孔长度计算结果合理。

图2　地埋管换热器运行10年模拟出口和进口温度变化情况Fig. 2 Simulation temperature changes of outlet and inlet fluid for the gound heat exchanger during the 10 years

3　结论

（1）基于《规范》要求进行了地埋管换热器钻孔长度计算。计算发现钻孔之间的热干扰对地埋管换热器钻孔长度有较大影响，不考虑热干扰获得的钻孔长度要比最终计算钻孔长度小约10.6%，计算过程中应考虑热干扰的影响；

（2）由于热堆积的影响，地埋管换热器流体平均出口温度呈现逐年上升趋势。地埋管换热器钻孔长度计算应进行校核计算，模拟地埋管换热器长期运行进口和出口温度变化情况，保证地埋管换热器进口和出口温度均在《规范》要求之内。

[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.2005.

[2]官煜，黄多成，陈学锋，等. 安徽省浅层地热能条件[J]. 安徽地质，2013，23（2）：137～141.

[3]李 清，李益湘，浅层地热能在合肥地区的应用[J]. 安徽地质，2010，20 （4）：283～286.

[4]Cane R L D, Forgas D A. Modeling of ground source heat pump performance [J]. ASHRAE Trans, 1991, 97 (1): 909-925.

[5]中华人民共和国建设部. GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.

[6]汤昌福，张文永，朱文伟，等.地下换热器变热流传热模拟研究[J].中国科学技术大学学报，2015, 45(6): 485～489.

A Study on the method of SizinG the borehole lenGth for the Ground heAt exChAnGerS

Wei xin-hua1, 2, tAnG Chang-fu1, 2, yu xian-zhong1, 2
(1. Institute of Exploration Research of Bureau of Coal Geology of Anhui Provinc, Hefei, Anhui 230088;2. Hefei Research Center of Shallow Geothermal Engineering and Technology, Hefei, Anhui 230088,China)

Sizing the borehole length of ground heat exchangers (GHEs) is the key of designing for the ground source heat pump system. To regulate the method of sizing the borehole length for GHEs from the "Technical code for ground-source heat pump system” requirement, borehole length calculation and checking calculation and simulation are presented through a case study of a ground source heat pump project in Hefei. Results indicate that the thermal interference has a great influence on the borehole length of GHEs. Without considering the thermal interference the borehole length will be smaller. Due to the effect of the heat accumulation underground, the average fluid outlet temperature of ground heat exchanger will increase gradually year by year. Simulation verification results show that the borehole length of GHE can meet the requirement of the technical code.

ground heat exchangers; borehole length; simulation

TK523

A

1005－6157（2016）01－057－4

2015-07-01

住房城乡建设部软科学项目（2015-R1-012）和安徽省住房城乡建设科学技术计划项目（2015YF-06，2015YF-07）资助

魏新华（1966 - ），女，山东莱芜人，工程师，主要从事煤田地质、浅层地热能开发利用研究工作。