竖直埋管地热换热器设计分析

1 引言

随着经济的发展以及人们对节能、环保意识的提高，具ss量的值可以产生数倍的变化。国内有些关于地热换热器设计的文献中推荐的每米钻孔传热量的经验数据，对于实际工程设计可能产生误导，因而不利于该项新技术在我国的推广应用。

影响地热换热器设计的最重要影响因素有：1.岩土的导热系数;2.全年的冷热负荷及其相对的比值[5];3.回灌材料的导热系数与U型管各支管的间距;4.地热换热器排列方式与钻孔间距;5.设定的循环液所允许的最高和最低温度，在以供热为主的应用场合，这一参数常常取决于选用循环液的类型。

山东建筑工程学院地源热泵研究所开发的地热换热器设计及模拟专用软件《地热之星》[2]采用了在国际上领先的二维和准三维模型[3-6]，考虑了全年吸热和放热不平衡等复杂的情况，以保证地热换热器在整个服务周期(20年或更长的时间)中的性能为设计目标，使地热换热器的设计计算脱离了按经验数据估算的状况。该软件还能同时对单U型埋管与双U型埋管这两种分别在美国和欧洲流行的不同埋管形式[3]进行计算和比较。《地热之星》又是对用户友好的，普通的暖通空调工程师都能很快掌握软件的使用，输入设计条件就可以直接得到要求的埋管长度，因而可以方便地进行多方案的技术经济比较。本文结合一个工程实例就其中的回灌材料的导热系数、岩土的导热系数、钻孔间距及循环液的类型四个方面对地热换热器的设计方案进行分析和比较。

2 工程概况

该工程为位于湖北省的一个住宅小区，总建筑面积约7万平方米，拟采用地源热泵空调系统来实现其冬季的供热、夏季的制冷以及供应生活用热水。该地区冬季空调室外计算温度为

℃;夏季空调室外计算温度为 ℃;未受干扰的地下温度为16℃。本设计主要通过《地热之星》设计软件按1万平方米建筑面积来进行方案比较和设计计算。

3 方案比较和设计

3.1 确定钻孔参数

钻孔的几何分布形式要根据可提供的场地确定，本研究选取矩阵排列为4×25。钻孔间距取3*3、4*4、4*5、5*5、6*6、7*7、8*8、9*9(行间距*列间距)八种情况进行比较计算。钻孔半径设为0.055m。回填材料的导热系数取0.6，1.2，1.8，2.4，3.0 W/(m℃)进行比较和研究。

3.2 U型管的确定

本工程采用单U型竖直埋管的形式。单个钻孔的截面示意图如图1所示。管材采用目前国际上广泛使用的高密度聚乙烯管(PE3408)，其导热系数为0.42 W/(m℃);标准尺寸比为SDR11，管外径为32mm，内径为26mm。两支管间距选为C型，即两根管子中心距为钻孔半径。

3.3 岩土参数的确定

当地远端岩土温度为16℃。当地岩土的类型可参考当地地质勘探局提供的有关数据，但对于其热物性拟应用热物性测定仪进行现场测试[7]。在设计阶段岩土平均导热系数先按 0.8，1.2，1.6，2.0W/(m℃)试算，同时可模拟不同岩土平均导热系数对要求的地热换热器埋管尺度的影响。岩土体积比热取为2000 kJ/(m3℃)。

3.4 确定该小区的系统负荷

系统负荷包括建筑物每月累计的总冷、热负荷及月累计生活热水负荷。取冬夏季的室内计算温度分别为 =18℃, =25℃，则由以下公式计算可得建筑物每月累计的总冷负荷或总热负荷，单位KWhr。

冬季每月总热负荷计算公式

夏季每月总冷负荷计算公式

式中，C为同时使用系数，对住宅楼这里取作50%；A为总建筑面积，单位 ；qh为热负荷面积指标，本方案取50 ；qc为冷负荷面积指标，本方案取100 ； 为月平均温度，由气象资料得到，i =1,2……12。又由手册查得该地区采暖期为11月20日——3月14日，所以11月至3月需计算热负荷；过度季节4月、5月及10月由于月平均温度与室内设计温度较接近，冷热负荷均为零；6至9月由于月平均温度较高，需计算冷负荷。其中月平均温度由供热空调能耗分析用逐时气象数据生成系统(Medpha)软件计算得到。生活用热水负荷按每人80L/day确定，同时使用系数取30%。最后计算结果汇总在表1中。

表1 各月累计总冷、热负荷及热水负荷

3.5 循环液参数的确定

可根据当地岩土的温度和实际需要从软件的数据库中选择循环液的类型进行方案比较。本研究选择了下列表2中的三种循环液进行比较。循环液的总流量应参考所选的热泵设备提供的数据。该系统的设计循环液的总流量为：21.3m3/hr。

表2 各种循环液的热物性

3.6 设计要求

在计算地热换热器的长度之前，还需输入设定的夏季工况时进入热泵的循环液的最高温度和冬季工况时进入热泵的最低温度值。由于热泵进出口的循环液温差一般要保持在5℃左右，因此设计设定的值通常要求进入热泵循环液最低温度至少高出其凝固点7℃。根据各种循环液凝固点的不同，当循环液为纯水时，设计进入热泵循环液最低温度为7℃，当循环液为乙二醇16%或氯化钠11%时，设计进入热泵循环液最低温度分别至少应为0℃、-0.5℃。进入热泵的循环液的最高温度取为30、33、36、39℃来做计算比较。此外，软件还需确定峰值负荷持续的时间，该设定值与循环液可能达到的最高或最低温度有关。该设计中额定冷、热负荷满负荷持续运行时间均设定为4小时。要求满足以上运行条件的运行时间定为20年。

4 方案比较

综合以上所述，在该工程地热换热器设计的方案比较中主要考虑以下几项因素的影响：①回填材料导热系数;②岩土导热系数;③钻孔间距;④循环液的类型。

4.1 回填材料导热系数和岩土导热系数对地热换热器设计尺寸的影响

当循环液为乙二醇16%，钻孔几何分布为矩形阵列4×25，钻孔间距为4*5(行间距*列间距)时，采用不同的回填材料导热系数以及岩土导热系数计算出了一系列地热换热器的尺寸，据此画出了1万平米空调面积总钻孔长度随岩土导热系数和回填材料导热系数的变化曲线图。图2中的曲线从上到下分别代表岩土的导热系数为0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K)。从图中可以看出，随着回填材料的导热系数的增大，钻孔长度逐渐减小;随着岩土导热系数的增大，钻孔长度明显减小。另外，从图中还可以看到对于导热系数在0.8-2.0 W/(m.K)范围内的岩土，当钻孔回填材料的导热系数由0.6 W/(m.K)增大到1.2 W/(m.K)时，仅增大了1倍，钻孔总长度就减少了500m左右。这说明：当回填材料导热系数较小，尤其当其小于1.2 W/(m.K)时，提高钻孔回填材料的导热系数，可以减少相当可观的埋管长度。

4.2 钻孔间距对地热换热器设计尺寸的影响

当循环液为乙二醇16%，钻孔几何分布为矩形阵列4×25时，取回填材料导热系数为：1.2 W/(m.K) ，画出了1万平方米建筑面积所需钻孔总长度随着钻孔间距的变化关系图，见图3。

图3中的曲线从上到下分别代表岩土的导热系数为0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K)，由图3可以看出，随着钻孔间距的增大，钻孔总长度逐渐减小;且钻孔间距越小，这种影响越明显。当钻孔间距较大，即行间距、列间距均为7m时，钻孔长度基本不再变化。另外，随着岩土导热系数的减小，钻孔间距对钻孔长度的影响将逐渐减弱。

4.3 循环液类型对地热换热器设计尺寸的影响

在地热换热器的设计中，设定的进入热泵循环液最高、最低温度，对设计结果有着显著影响。在供热负荷为主导的地热换热器的设计当中，选择添加防冻剂的循环液可以使冬季工况下进入热泵的最低温度降低，常常可以使地热换热器的设计尺寸减小。图4、图5就是当回填材料导热系数为1.2W/(m.K)，岩土的导热系数为1.6W/(m.K)时，改变循环液的类型，相应改变热泵入口处循环液最高、最低温度，所得出的1万平方米建筑面积所需地热换热器尺寸。

图4画出了采用不同循环液最低温度时的地热换热器尺寸，图中三种循环液的热泵入口处最高温度均为36℃。从图中可以看出一个这样的总趋势：对于乙二醇16%、氯化钠11%和纯水这三种循环液，随着热泵入口循环液最低设计温度的升高，钻孔总长度逐渐增加。从图4中我们还可以看到当循环液最低设计温度相同时，采用乙二醇16%循环液所需要的地热换热器尺寸比采用氯化钠11%循环液时稍大。但是随着循环液最低设计温度的增大，这种趋势越来越小，且当循环液最低设计温度达到7℃时，采用三种循环液时的地热换热器尺寸基本相同，说明此时地热换热器的尺寸基本不再受循环液的类型的影响。

图5中的曲线从上到下分别代表纯水、乙二醇16%和氯化钠11%循环液设定不同夏季最高温度时的情况，它们对应的热泵入口最低设计温度分别为：7℃、0℃、-0.5℃。每根曲线都有一段平行于横轴，也就是说循环液最低温度一定时，当其最高温度升高到某个值，它将不再影响钻孔的长度。这表明该工程是以供热负荷为主导的，供热负荷决定了埋管的长度。反之，在以制冷负荷为主的场合，设定的夏季最高温度将决定地热换热器的大小。

5 结论

地热换热器的合理设计是保证地源热泵供热空调系统的技术性能和经济性的关键，对推广该项新技术有重大的影响，已经受到广泛的关注。地热换热器中的传热涉及的空间尺度大，时间跨度长，影响因素错综复杂;个别参数的改变可能导致地热换热器实际换热能力成倍的变化。无论是从实验或实际经验得到的“每米钻孔换热量”的经验性的指标通常不具备普遍的指导意义，这给地热换热器的设计带来较大的困难。根据地热换热器传热模型开发的设计计算和模拟软件可以在很大程度上帮助工程技术人员解决这一难题。

本文针对特定的工程实例讨论了四种影响地热换热器设计尺寸的主要因素。岩土导热系数对钻孔长度的影响很明显，但对于给定的工程岩土导热系数是确定的值，难以加以改变，因此重要的是要通过现场的测定得到比较可靠的数据，以保证系统的正常出力。回填材料的导热系数对钻孔长度也有重要的影响，应注意采用高性能的回填材料来保证传热性能，减少钻孔总长度，节省初投资及运行费。从所作的方案比较可以看出，在一定范围内钻孔间距显然越大越有利于提高地热换热器的换热能力，但是在实际工程中还要考虑可用空地的面积及形状而定，建议行和列的间距都不宜小于4m。对于以供热负荷为主的应用场合，可考虑采用防冻剂溶液作循环液。在考虑其安全性、腐蚀性及对环境影响的前提下，为了减小钻孔长度、降低初投资，可以选择凝固点较低的防冻剂溶液，这样热泵入口循环液设计最低温度能较低一些;但这同时也会降低热泵机组的COP值。因此，选择循环液时需要综合考虑循环液对埋管造价和热泵机组性能值的影响，选取经济高效的循环液。

参考文献

1. 徐伟等译. 地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社，2001.

2. 崔萍. 地热换热器的传热模型及设计计算[硕士学位论文 ]. 济南：山东建筑工程学院，2002.

3. Zeng Heyi, Diao Nairen and Fang Zhaohong. Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, 46 (23): 4467-4481, 2003.

4. Diao Nairen, Zeng Heyi and Fang Zhaohong. Heat transfer in ground heat exchangers with groundwater advection, International Journal of Thermal Sciences, 43 (12): 1203-1211, 2004.

5. Diao Nairen, Zeng Heyi and Fang Zhaohong. Improvement on modeling of heat transfer in vertical ground heat exchangers, International Journal of HVAC&R Research, 10 (4), 2004.

6. 方肇洪，刁乃仁.地热换热器的传热分析.建筑热能通风空调.23(1)：11-20，2004.

7. 于明志，方肇洪.现场测试地下岩土平均热物性参数方法.热能动力工程.17(5)：489-492，2002.

8. 曲云霞，张林华，方肇洪，李安桂.地源热泵系统防冻液的选择.节能与环保.No.8：20-23，2002.