地源热泵系统在软土地区的传热研究①

张计锋, 安 康, 李世超, 包方明, 潘昌青

(绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000)

0 引 言

常规能源的消耗，如煤炭、天然气，产生大量的二氧化碳，对环境有着恶劣的影响，国家“十三五”规划《纲要》提出了万元GDP能耗降低16%的约束性指标，要求推动能源生产和利用方式变革，积极发展地热能等新型能源。地源热泵系统利用了浅层地下土壤冬暖夏凉的特点，冬季将热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季把建筑物内的热量转移到地下，地源热泵系统有效地利用地热能，节能环保，得到了人民的青睐，迅速的发展推广起来[1]。

周华慧[2]通过现场热响应试验得到准确的岩土综合换热能力，X. Li[3]通过对不同类型的地埋管进行热响应试验，得到各类地埋管换热器的单位换热量。 J. Gao[4]利用岩土热响应测试，分析评价W型、单U型、双U型和三U型等埋管型式对热交换能力的影响，以及热交换管内循环介质的流速对热交换能力的影响。通过热响应试验和数值模拟结合的方法，分析地埋管与其周围土体之间的传热。

1 地源热泵型传热系统

土壤源热泵的地埋管和周围土壤组成一个热量相互交换的传热器，传热器作为取热段与热泵机一端相连，热泵机的另一端与供热段相连。在夏季，热泵机出水温度高于地下土壤温度，地埋管中的水与周围土壤发生对流换热，将热量传给土体，等于吸收土体的冷量，然后通过热泵机提取给建筑物供冷。在冬季，热泵机出水温度低于土体的温度，地埋管中的水吸收土体中的热量，经过热泵机提升后给建筑物供暖。因此，要保证地源热泵系统达到制冷的效果，并能够长期稳定的运行，必须求出单位深度换热量，设计满足热负荷要求的埋管数量，同时夏季向土壤的散热量和冬季从土壤中的取热量要保持一致，这样才不会因为长年的累积效应导致低温持续升高或降低，最终影响地源热泵的正常使用。地源热泵系统运行原理如图1所示。

图1 地源热泵系统运行原理示意图

2 现场热响应试验

2.1 工程背景

昆山联排别墅区位于江苏省昆山市湖滨路。该工程主要由65栋联排别墅和一幢四层酒店组成。酒店主要为泳池、健身房、客房、客厅等商业用房，项目前期设计建筑总面积约为21,000。该工程的地源热泵系统用于在别墅区的夏季空调制冷以及冬季制热及泳池、客房区域的热水需求。

由于别墅区占地面积大，选择三个点进行钻孔，进行热响应试验。表1为测试井和埋管的相关参数。

表1 埋管的各项参数

陈云娜指出当隧道埋深超过10m时 ,地层温度可认为是恒温的[5]。在进行测试前，先用温度传感器插入垂直埋管中，每隔10m测量一次温度，三个测试井的平均温度为19.22℃、19.34℃、19.05℃。得到该地区的原始地温为19.2℃。根据地质勘查中关于该地区土层的分布情况，从相关资料中可以得到各层土体的导热系数，如表2所示。

表2 各层土体的导热系数[6]

根据表2中的各土层的相关数据，将各土层的深度进行加权平均，以此作为热响应试验孔的平均导热系数λ的参考值。

(1)

其中：λ为各土层的导热系数，(W/(m·k))；为各土层的深度；m；L为埋管的总长度。

2.2 试验理论

采用SDIDR地源热泵测试仪进行现场热响应试验，仪器测试装置如图2所示：

图2 岩土热物性测试仪结构示意图

其工作原理为：出水温度控制器可根据设定的温度调节加热器/压缩机的工作状态，使加热/冷却水箱内获得测试所需的水温。在循环水泵的驱动下，加热/冷水箱内的水依次流经布设在地埋管入口端的温度传感器、流量计和控制阀后，流入地埋管换热器，与地下岩土体进行热交换，再流经布置在地埋管出口端的温度传感器后流回到加热/冷水箱。

采用温度控制器调节加热器(或制冷机组)的工作状态，使进入地下垂直埋管的入口水温保持恒定。通过数据采集器获得流入地下垂直埋管的进水温度、回水温度和循环水流量以后，利用公式2.4可计算测试井的总换热量。

Q=ρvcp(Tout-Tin)

(2)

式中，Q为测试井的总换热量，W；v为循环水流量，m3/s；Tout为流出地下埋管的出口水温，℃；Tin流入地下埋管的水温，℃；ρ为水的密度，kg/m3；cp为水的比热，J/(kg·℃)。

则单位井深换热量为：

(3)

式中，q为单位井深的换热量，W/m；H为钻孔有效深度，m。

图3 夏季工况垂直埋管进、出水温度变化图

2.3 夏季放热工况换热量测试

准备工作完成以后，为避免测试仪器运行不稳定带来误差而采用恒功率的测试方法，设定电加热系统功率为7kW，将水箱内的温度加热到35.0℃。我国国标GB50366—2005[7]中对热响应试验的测试时间测试不少于48 h，以其中一个测试井为例，根据测得的数据得到其进出水温度的变化情况，如图3所示，在测试的前期，进、出水口的温度呈逐渐升高的趋势，换热量在不停地变化，运行一段时间后温度趋于稳定，系统的换热量也恒定，可以利用稳定段的进、出口温度来求换热量。

通过公式2和公式3计算得到测试井每米换热量如表3所示。

表3 夏季散热工况测试井单位井深换热量

2.4 冬季吸热工况换热量测试

在冬季工况下，要将地源热泵测试仪调整到制冷条件下，开启制冷机组，注意测试仪上方的风机是否在排热，将水箱内的温度降低到7℃，然后开始进行测试。如图4所示，在测试的前期，进、出水口的温度呈逐渐降低的趋势，换热量在不停地变化，运行一段时间后温度趋于稳定，系统的换热量也恒定，可以利用稳定段的进、出口温度来求换热量。

利用公式2和公式3计算得到单位井深换热量如表4所示.

表4 冬季吸热工况测试井单位井深换热量

3 基于comsol的数值模拟

利用comsol 软件模拟地埋管与土体之间的传热，分析地埋管周围土体的温度场的变化。

3.1 几何模型建立

在comsol软件中建立二维模型，取深100m,宽80m的土体，土体内地埋管长100m，管径30mm，每隔4米布置一根地埋管，如图5所示。

图4 冬季工况地埋管出、回水温度变化图

3.2 模型边界条件和热物理参数设定

地铁区间隧道周围的介质是土体， 在模拟的设置中， 将隧道周围土体看作是各向同性，土体的导热系数取综合平均值1.95/W/( m·℃)，土体的温度取原始地温19℃，地埋管管壁的温度夏季工况取35℃，冬季工况取7℃。地源热泵系统的夏季制冷共计90d。冬季工况的取暖时间90d。

图5 二维模型示意图

3.3 计算结果及分析

3.3.1 冬季工况分析

是在冬季工况下，埋管的进水温度设定为7℃，图中给出地源热泵系统运行30d、60d的地埋管周围土体温度变化图，如图6、图7所示，可以看出随着地源热泵系统运行时间的增长，地埋管周围土体的温度逐渐降低。

3.3.2 夏季工况分析

在夏季工况下，地埋管的进水温度设定为35℃，图中给出地源热泵系统运行30d、60d的地埋管周围土体温度变化图，如图8、图9所示，可以看出随着地源热泵系统运行时间的增长，地埋管周围土体的温度逐渐上升。

图6 冬季工况运行30d土体温度场云图

图7 冬季工况运行60d土体温度场云图

图8 夏季工况运行30d土体温度场云图

选取图4中地埋管之间的一个点，记作点a,求该点冬季工况和夏季工况的温度变化。从图10中可以直观的看出,在冬季工况下，地埋管周围土体的温度逐渐降低，从运行开始到结束，温度从19.2℃降到了7.7℃,降低了11.5℃。在夏季工况下，地埋管间土体的温度逐渐上升，从运行开始到结束，温度从19℃上升到34℃，上升15℃，地埋管周围土体温度在夏季工况下上升的温度值大于冬季工况下温度的下降值。分析得出这是因为昆山地区的气候条件决定冬季的需热量小于夏季的需冷量，如果长期运行会产生热堆积现象。然而别墅区不仅仅在冬季供暖，还需要给生活用水及游泳池加热，地源热泵系统在过度季节同样需要进行制热工况，以增加供热量。

图9 夏季工况运行60d土体温度场云图

图10 点a温度随时间变化图

4 结 语

(1)从热响应试验结果分析得出，冬季工况下地埋管的换热量为38.4W/m，夏季工况下地埋管的换热量为49.8W/m，昆山别墅区软土地区具有较好的换热能力，为地埋管换热器的设计提供了重要的依据。

(2)通过地埋管周围土体温度场数值模拟结果可以看出，地源热泵系统冬季工况下土体温度降低值小于夏季工况下土体温度上升值，因此过度季对别墅区的生活用水和游泳池进行加热，以增加供热量，这样才能达到热平衡，避免出现热堆积现象。

(3)在设计地埋管热交换器时，要根据建筑物总热负荷，能够满足建筑物的冷热需求，计算出埋管的总长度，由于地源热泵系统在在运行后期进水温度和周围土体温度差值减小，可能会出现制冷/制热效果下降的情况，因此采取了加大10%的埋管长度的设计以增大土壤换热能力。模型是取埋管间距4m,当加大埋管的间距，埋管周围土体的换热能力稳定性会更好。

[1] 张越,孙洁,孙静. 河南省浅层地热能的开发利用[J]. 河南科技,2011,(05):73-74.

[2] 周华慧,王景刚,佘军. 地源热泵岩土热响应现场测试及分析[J]. 制冷与空调,2012,02:57-60.

[3] LI X， CHEN Y， CHEN Z， et al. Thermal performances of differenttypes of underground heat exchangers[J]. Energy and Building， 2006，38(5)： 543-547.

[4] GAO J， ZHANG X， LIU J， et al. Thermal performance and groundtemperature of vertical pile-foundation heat exchangers： a case study[J].Applied Thermal Engineering， 2008， 28(17/18)： 2 295-2 304.

[5] 陈云娜， 浅谈地铁环控通风[J] . 地下工程与隧道,1995, (3) : 38 -42.

[6] 章熙民， 传热学[M]， 中国建筑工业出版社, 2007.

[7] 中国建筑科学研究院．GB50366-2005 地源热泵系统工程技术规范[S]．2009 年版．北京：中国建筑工业出版社，2009.