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单、双U形管地埋管换热性能对比分析

2012年01月17 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：本文利用目前较为常用的地埋管换热器传热计算公式，通过对某种负荷特征下单、双U形管地埋管换热器换热性能进行计算，分析了这2种地埋管换热器在同一负荷特征下的换热性能差异;通过对不同负荷特征下单、双U形管地埋管换热器换热性能进行计算，指出了这2种地埋管换热器在不同负荷特征下的换热性能差异。

1·地源热泵系统

地源热泵是一种从土壤、地下水等浅层资源中提取热量的高效、节能、环保的供热(冷)系统，是目前可以利用的对环境最友好的和最有效的供冷、供热方式。在冬季为用户供热时，系统从土壤中提取低品位热能，通过电能驱动的地源中央空调主机(热泵)“泵”送至供热循环水，以满足用户供热需求;在夏季为用户供冷时，系统将用户室内的余热通过地源中央空调主机(制冷)转移到地下土壤中，以满足用户制冷需求。

本文以地埋管地源热泵系统作为研究对象。影响地源热泵系统性能的因素有很多，其中地埋管换热器的设计合理与否将直接影响到地热利用效率和投资成本，是当前地源热泵技术推广的难点。地埋管换热器有水平和垂直2种埋管方式。当可利用地表面积较大，浅层岩土体的温度及热物性受气候、雨水、埋设深度影响较小时，宜采用水平地埋管换热器;否则，宜采用竖直地埋管换热器。目前在项目中应用较多的是竖直地埋管换热器，尤其是单U形管和双U形管［1］。在项目设计时，经常需要对单、双U形管进行比选，如何合理确定地埋管的形式是决定地源热泵系统设计成功与否的关键。本文在一定假设条件的基础上，就单U、双U形管在不同工况下的换热性能进行了理论计算。

2·计算条件

2．1理论基础

本文计算以单个钻孔为对象进行传热分析(多个钻孔情况下，可在单孔计算的基础上运用叠加原理加以扩展):首先以各个传热过程中热阻的累加计算方式来计算热阻，然后计算换热器换热量［2］。

管内流体与U形管壁的对流换热热阻Rf的计算为:

Rf=1/(πdik)(1)

式中，Rf为对流换热热阻，(m·K)/W;di为管道内径，m;k为流体与U形管内壁的对流换热系数，W/(m2·K)。

U形管管壁热阻Rpe的计算为:

式中，Rpe为管壁热阻，(m·K)/W;λp为U形管导热系数，W/(m·K);do为U形管的外径，m;de为U形管当量直径，m;n为U形管的个数，单U取值为2，双U取值为4。钻孔内回填材料热阻Rb的计算如下:

式中，Rb为回填材料的热阻，(m·K)/W;λb为回填材料导热系数，W/(m·K);db为钻孔的直径，m;其余参数含义同前。钻孔地层热阻Rs(即从孔壁到无穷远处的热阻)的计算如下:

式中，Rs为钻孔地层热阻，(m·K)/W;I为指数积分公式;λs为岩土体的平均导热系数，W/(m·K);a为岩土体的热扩散率，m2/s;rb为钻孔的半径，m;t为运行时间，s;xi为第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离，m。短期连续脉冲负荷引起的附加热阻Rsp的计算如下:

式中，Rsp为附加热阻，(m·K)/W;tp为短期脉冲负荷连续运行的时间，s;其余参数含义同前。式(1)～(7)中的指数积分形式不易求解，需进行数值计算。把上述各项热阻按文献［2］中的计算方法累加即可求出传热总热阻，从而可以计算出一定条件下的地埋孔长度和孔数等参数。

& nbsp; 2．2假设条件

假设冬、夏季地下排热、取热平衡，全年地下土壤温度比较恒定，不考虑地下径流存在;连续负荷的特征是在制冷制热时，负荷为全天负荷，主要受室外环境影响，参照建筑物为宾馆;间歇负荷的特征是在制冷制热时，负荷不是全天负荷，负荷时段受到人员作息时间的影响，全天中有负荷时段运行15 h，其余时段无负荷，参照建筑为办公楼;单U形管管材为PE管，管径为De32×3，管内流速为0.52 m/s;双U形管管材为PE管，为保证管内流速，管径为De25×2.3，管内流速为0.445 m/s;钻孔间距为5 m，梅花状布置，孔深为100 m;管内流体温度排热时为32/37℃，取热时为4/8℃;土壤原始温度为16℃;岩土导热系数为1.98 W/(m·K);岩土体的比热为2.0 kJ/(kg·℃)、密度为1 900 kg/m3;钻孔的半径为0.06 m;回填料导热系数为2.2 W/(m·K)，钻孔回填良好;地埋孔为群孔布置，所计算数据为群孔中居中地埋孔换热数据，多个钻孔干扰距离计算至周围15 m范围内的钻孔;计算时段为开始运行后90 d。

3·模拟结果分析

3.1连续负荷单、双U形管换热性能对比

在连续负荷作用下，随着时间的推移，90 d内单、双U形管地埋管换热器单位长度的排热能力和取热能力对比分别见图1和图2。可以看出，随着时间的推移，单、双U形管的排热、取热能力是逐渐降低的，在工作初期，地埋管换热器的换热能力较强，经过一段时间后，换热性能趋于相对稳定;无论单U还是双U形管地埋管，在本文的假设条件下，换热器的排热能力大于取热能力;双U形管换热能力高于单U形管，在工作初期，双U形管换热能力高于单U形管的程度较大，随着时间的推移，前者换热能力高于后者的程度日趋减小，即双U形管的换热能力比单U形管提高的程度有限。

3.2间歇负荷单、双U形管换热性能对比

在间歇负荷作用下，随着时间的推移，90 d内单、双U形管地埋管换热器单位长度的排热能力和取热能力对比分别见图3和图4。由图可知，间歇负荷与连续负荷工况下的单、双U形管地埋管的排热能力和取热能力的变化趋势基本一致。另外，2种换热器在不同的负荷特征下，无论是单U形管还是双U形管，间歇负荷下的换热性能要高于连续负荷时的相应值，具体高出程度与负荷运行特性有关。

3.3单U形管地埋管换热器在连续负荷、间歇负荷下的换热性能对比

单U形管地埋管换热器在连续负荷、间歇负荷作用下，90 d内其单位长度的排热能力和取热能力对比分别见图5和图6。由图可知，间歇负荷下换热器的换热能力高于连续负荷下的换热性能，在工作初期，两者差别较小，随着时间的推移，差别逐渐加大，间歇负荷下换热器的换热能力提高较大，提高的程度与负荷特性有关。

3.4双U形管地埋管换热器在连续负荷、间歇负荷下的换热性能对比

双U形管地埋管换热器在连续负荷、间歇负荷作用下，90 d内其单位长度的排热能力和取热能力对比分别见图7和图8。由图可知，双U形管在不同负荷特征下的换热性能变化趋势与单U形管一致。

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4·结论

1)无论是单U形管还是双U形管，其换热性能不是固定不变的。随着时间的推移，地埋管换热器的换热性能逐渐下降，换热初期下降速度较快，经过一段时间后趋于相对稳定。

2)在条件相同的前提下，双U形管地埋管换热器的换热性能要高于单U形管，在换热初期较为明显，但在换热后期，高出的程度有所减小。

3)地埋管换热器在进行换热性能测试时，前期的换热数据不能代表换热器的换热性能，不应以此作为设计的依据，应以换热中后期的换热性能作为设计计算依据。

4)对于具体项目，在选择单、双U形管时，应根据项目的负荷特点、地质条件、系统配置等情况，在经济合理的前提下选择合适的换热器形式。

5)不同的负荷特征对地埋管换热器的换热性能有很大影响，即虽然设计负荷相同，但负荷运行特征不一样时，地埋管换热器的计算结果仍有很大差异，在进行地埋管设计时应充分考虑项目的负荷特性。

［参考文献］