肖方初，黃斌

（1.合肥市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，安徽　合肥　230001；2.安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院，安徽　合肥　230022）

地源熱泵地埋管換熱器傳熱性能分析及經(jīng)濟(jì)計(jì)算

肖方初，黃斌

（1.合肥市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，安徽合肥230001；2.安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院，安徽合肥230022）

為分析地源熱泵不同種地埋管換熱器換熱效果差異，充分利用可再生能源，結(jié)合合肥市濱湖新區(qū)某項(xiàng)目的土壤熱物性參數(shù)，使用Fluent軟件對(duì)單U型管和雙U型管地埋管換熱器建立模型進(jìn)行傳熱性能的模擬分析，得到了隨著時(shí)間變化下不同換熱器型式的土壤溫度分布圖和出口水溫，并分析土壤溫度、出水溫度和換熱量三者的相互關(guān)系。最終結(jié)果表明，該條件下雙U型管地埋管綜合傳熱性能是單U型管的1.33倍，而經(jīng)濟(jì)計(jì)算結(jié)果顯示，在打井?dāng)?shù)量較多時(shí)，雙U型管地埋管換熱器的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于單U型管。

U型管地埋管換熱器；數(shù)值模擬；傳熱分析；經(jīng)濟(jì)分析

0　前言

地源熱泵應(yīng)用的淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏于地表下200m以內(nèi)淺層巖土體、地下水和地表水中，具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的熱能資源，是一種儲(chǔ)量大、分布廣的可再生能源。以土壤作為載體，通過(guò)熱泵機(jī)組與地埋管換熱器，采集淺層地?zé)崮転榻ㄖ┡?、制冷，同時(shí)具有COP值高、能耗低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)?？捎行Ы档突茉聪?，減少污染排放，是促進(jìn)建筑節(jié)能減排的重要措施之一［1］。合肥市屬于夏熱冬冷地區(qū)，冬夏季均有空調(diào)使用需求，是地源熱泵應(yīng)用的適宜區(qū)［2］。作為可再生能源應(yīng)用示范城市，合肥近年來(lái)累計(jì)已建成地源熱泵建筑面積達(dá)102萬(wàn)m2［3］，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善、現(xiàn)場(chǎng)施工規(guī)范，項(xiàng)目運(yùn)行后均取得了良好的效果。

1　地源熱泵

地源熱泵是利用水作為載冷劑與土壤、地下水或地表水進(jìn)行冷、熱交換來(lái)獲取冷、熱量，冬季通過(guò)低溫水把地能中的熱量提取出來(lái)供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”；夏季通過(guò)高溫水將室內(nèi)熱量釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地能為“冷源”［4］。

圖1　地源熱泵系統(tǒng)原理圖

這3種冷熱源中，地下水源對(duì)于合肥地區(qū)來(lái)說(shuō)是嚴(yán)禁使用的。這是由于使用時(shí)，熱泵機(jī)組管路與設(shè)備中的雜質(zhì)和空氣會(huì)被回灌至地下水，造成水質(zhì)惡化，嚴(yán)重破壞了地下水系的結(jié)構(gòu)，帶來(lái)不可逆的后果和影響。因此，為了保護(hù)地下水資源，合肥地區(qū)發(fā)布了禁止使用地下水的相關(guān)規(guī)定，故本文主要圍繞土壤源熱泵展開(kāi)分析［5］。

目前，土壤源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種形式，即水平埋管和垂直埋管。水平埋管主要有單溝單管、單溝多管、扁平曲線管和螺旋狀管等形式。由于水平管埋深較淺，其埋管換熱器性能不如垂直埋管，而且水平地埋管系統(tǒng)占用場(chǎng)地大，在實(shí)際使用中受地面溫度影響大，因此適用于單季使用的情況（如歐洲只用于冬季供暖和生活熱水供應(yīng)）。而垂直埋管根據(jù)埋管形式的不同，一般分為單U形管、雙U形管、螺旋盤管、套管式和熱井式換熱器。按埋設(shè)深度不同又分為淺埋（≤30）、中埋（31～80m）和深埋（＞80m）［6］。

圖2　水平埋管換熱器布置圖

圖3　垂直埋管換熱器布置圖

圖4　螺旋盤管地埋管換熱器示意圖

2　傳熱模型

2.1管內(nèi)流體的對(duì)流傳熱及與管內(nèi)壁的傳熱方程

2.2管壁的導(dǎo)熱方程

2.3回填材料的導(dǎo)熱方程

2.4土壤的傳熱過(guò)程

式中：v——管道內(nèi)流速（m/s）

Tfj——進(jìn)口與出口流體溫度（℃）

r——管道半徑（m）

ρf——流體密度（kg/m3）

Cpf——流體比熱容（J/kg·℃）

α——不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)

3　CFD模型的建立及參數(shù)設(shè)定

本次分析采用GAMBIT對(duì)單U形管和雙U型管兩種地埋管換熱器進(jìn)行建模，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后采用FLUENT進(jìn)行求解，選擇非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，管內(nèi)傳熱介質(zhì)流動(dòng)選擇 K-ε模型、MOMENTUM方程與ENERGY方程耦合求解。建立模型如下：

圖5　單U型管地埋管換熱器模型

豎直地埋管換熱器鉆孔深度設(shè)定為100m，鉆孔間距為5m，采用de32的PE換熱管，進(jìn)口流速單U型管為0.6m/s，雙U型管為0.4m/s，灌漿回填料采用5%膨潤(rùn)土與原漿的混合漿［7］，土壤熱物性參數(shù)取自合肥地區(qū)濱湖新區(qū)某項(xiàng)目土壤熱響應(yīng)報(bào)告，具體數(shù)據(jù)如表1。

合肥地區(qū)濱湖新區(qū)某項(xiàng)目土壤熱物性參數(shù)　表1

4　數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖6、7、8、9為分別為 0.6m/s（單U型管）和0.4m/s（雙U型管）的初速度下，初始土壤溫度17.1℃，初始供水溫度32℃下運(yùn)行初始和運(yùn)行后土壤熱度達(dá)到飽和時(shí)的土壤溫度分布圖。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在初始階段，雙U型管的向土壤傳熱的速度快于單U型管，相同時(shí)間內(nèi)雙U管向土壤釋放出的熱量較多，熱擴(kuò)散半徑和土壤溫度均高于單U型管，最終比單U型管提前到達(dá)土壤溫度飽和狀態(tài)（約為28.3℃左右）。但土壤溫度升高達(dá)到飽和狀態(tài)以后兩者土壤狀態(tài)基本一致（）。

圖6　單U管運(yùn)行500h土壤溫度分布情況

圖7　單U管運(yùn)行3500h后土壤溫度分布情況

圖8　雙U管運(yùn)行500h土壤溫度分布情況

圖9　雙U管運(yùn)行3500h后土壤溫度分布情況

圖10　單U型管與雙U型管土壤溫度隨時(shí)間變化情況

圖11　單U型管與雙U型管進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化情況

由圖10、11中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行至一段時(shí)間后，地埋管附近的土壤溫度顯著升高，但整個(gè)埋管區(qū)域平均溫升幅度仍較慢（）；隨著系統(tǒng)運(yùn)行，地埋管的熱量逐漸向土壤傳遞，由于進(jìn)水溫度（32℃）與土壤溫度（17.1℃）相差較大，因此熱傳遞速率達(dá)到最大；當(dāng)土壤溫度進(jìn)一步升高至25℃以上時(shí)，隨著進(jìn)水和土壤溫差降低，換熱能力減弱，熱傳遞速率變緩，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率開(kāi)始下降；在系統(tǒng)運(yùn)行的終段，由于熱量積聚，導(dǎo)致土壤溫度升高至28℃以上，系統(tǒng)中的熱量無(wú)法通過(guò)地埋管換熱器傳遞到土壤中，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率達(dá)到最低。

圖12　單U型管與雙U型管單井換熱量隨時(shí)間變化情況

根據(jù)系統(tǒng)模擬運(yùn)行3500h的供回水溫度，計(jì)算得單U型和雙U型地埋管換熱器的單井換熱量，如圖12所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨著系統(tǒng)運(yùn)行土壤溫度升高，單U型管的單井換熱量由初始階段4.34kW逐漸降低至0.508kW，雙U型管的單井換熱量由初始階段5.92kW逐漸降低至0.61kW。可以認(rèn)為在此條件下初始階段雙U型地埋管換熱器換熱能力是單U型地埋管換熱能力的1.33倍，而土壤溫度升高時(shí)，地埋管換熱能力急劇下降，最終兩者數(shù)值相接近。

5　經(jīng)濟(jì)分析

以100kW負(fù)荷為例，參照合肥市地源熱泵項(xiàng)目的相關(guān)人工費(fèi)、材料費(fèi)和機(jī)械費(fèi)分別計(jì)算單U型、雙U型地埋管換熱器的投資額。打井?dāng)?shù)量N按照模擬結(jié)果中的單U型、雙U型地埋管的單井換熱量計(jì)算。

單U型管與雙U型管地埋管換熱器經(jīng)濟(jì)性對(duì)比　表2

可以看出，由于鉆孔和下管費(fèi)用占地埋管換熱器初投資的大多數(shù)，因此，系統(tǒng)負(fù)荷越大，打井?dāng)?shù)量越多，采用雙U型管的經(jīng)濟(jì)性較好。

6　結(jié)論

①土壤溫度對(duì)地埋管換熱器傳熱速率影響較大，土壤溫度升高導(dǎo)致地埋管供回水溫度升高，使地源熱泵機(jī)組冷凝壓力增大，極大的降低系統(tǒng)運(yùn)行能效。因此在進(jìn)行地源熱泵設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮土壤熱平衡，滿足系統(tǒng)向土壤的取熱、放熱相等，避免出現(xiàn)土壤熱平衡失調(diào)，導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。

②系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，地埋管周邊5m范圍內(nèi)溫度均有提高，當(dāng)場(chǎng)地條件充足的情況下，建議采用較大的布管間距，以保障良好的換熱效果。

③在模擬條件下，雙U型管地埋管換熱能力近似為單U型管的1.33倍，且投資增加不多，但容易導(dǎo)致土壤溫度升高過(guò)快。因此，在場(chǎng)地、經(jīng)濟(jì)條件充足的情況下，建議采用單U型管地埋管換熱器。通過(guò)增加地埋管井?dāng)?shù)量，提升了土壤與地埋管的換熱面積，有利于土壤恢復(fù)初始狀態(tài)。在場(chǎng)地、經(jīng)濟(jì)條件受限采用雙U型管地埋管換熱器時(shí)，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行土壤熱平衡計(jì)算，建議采取配備冷卻塔輔助散熱、制定合理的運(yùn)行策略、平時(shí)制備生活熱水等方式有效避免短時(shí)間內(nèi)熱量積聚導(dǎo)致土壤溫升過(guò)快，保障系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行。

［1］安徽省住建廳，等.推進(jìn)淺層地?zé)崮茉诮ㄖ幸?guī)?；瘧?yīng)用實(shí)施方案［Z］.

［2］合肥市淺層地能資源評(píng)估報(bào)告［Z］.

［3］合肥市建筑節(jié)能與綠色建筑重點(diǎn)工作報(bào)告［R］.

［4］丁勇，李百戰(zhàn)，盧軍，等.地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器設(shè)計(jì)［J］.暖通空調(diào)，2005，35（3）：86-89.

［5］合肥市水務(wù)局.合肥市人民政府關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)［Z］.

［6］徐偉.地源熱泵技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［7］GB50366-2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］.

TU833+.3

A

1007-7359（2016）04-0222-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.088

肖方初（1982-），男，安徽潛山人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，助理工程師。