肖方初，黄斌

（1.合肥市城乡建设委员会，安徽　合肥　230001；2.安徽建筑大学节能研究院，安徽　合肥　230022）

地源热泵地埋管换热器传热性能分析及经济计算

肖方初，黄斌

（1.合肥市城乡建设委员会，安徽合肥230001；2.安徽建筑大学节能研究院，安徽合肥230022）

为分析地源热泵不同种地埋管换热器换热效果差异，充分利用可再生能源，结合合肥市滨湖新区某项目的土壤热物性参数，使用Fluent软件对单U型管和双U型管地埋管换热器建立模型进行传热性能的模拟分析，得到了随着时间变化下不同换热器型式的土壤温度分布图和出口水温，并分析土壤温度、出水温度和换热量三者的相互关系。最终结果表明，该条件下双U型管地埋管综合传热性能是单U型管的1.33倍，而经济计算结果显示，在打井数量较多时，双U型管地埋管换热器的经济性优于单U型管。

U型管地埋管换热器；数值模拟；传热分析；经济分析

0　前言

地源热泵应用的浅层地热能是指蕴藏于地表下200m以内浅层岩土体、地下水和地表水中，具有开发利用价值的热能资源，是一种储量大、分布广的可再生能源。以土壤作为载体，通过热泵机组与地埋管换热器，采集浅层地热能为建筑供暖、制冷，同时具有COP值高、能耗低、环保等优点。可有效降低化石能源消耗，减少污染排放，是促进建筑节能减排的重要措施之一［1］。合肥市属于夏热冬冷地区，冬夏季均有空调使用需求，是地源热泵应用的适宜区［2］。作为可再生能源应用示范城市，合肥近年来累计已建成地源热泵建筑面积达102万m2［3］，由于系统设计完善、现场施工规范，项目运行后均取得了良好的效果。

1　地源热泵

地源热泵是利用水作为载冷剂与土壤、地下水或地表水进行冷、热交换来获取冷、热量，冬季通过低温水把地能中的热量提取出来供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季通过高温水将室内热量释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”［4］。

图1　地源热泵系统原理图

这3种冷热源中，地下水源对于合肥地区来说是严禁使用的。这是由于使用时，热泵机组管路与设备中的杂质和空气会被回灌至地下水，造成水质恶化，严重破坏了地下水系的结构，带来不可逆的后果和影响。因此，为了保护地下水资源，合肥地区发布了禁止使用地下水的相关规定，故本文主要围绕土壤源热泵展开分析［5］。

目前，土壤源热泵地下埋管换热器主要有两种形式，即水平埋管和垂直埋管。水平埋管主要有单沟单管、单沟多管、扁平曲线管和螺旋状管等形式。由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且水平地埋管系统占用场地大，在实际使用中受地面温度影响大，因此适用于单季使用的情况（如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应）。而垂直埋管根据埋管形式的不同，一般分为单U形管、双U形管、螺旋盘管、套管式和热井式换热器。按埋设深度不同又分为浅埋（≤30）、中埋（31～80m）和深埋（＞80m）［6］。

图2　水平埋管换热器布置图

图3　垂直埋管换热器布置图

图4　螺旋盘管地埋管换热器示意图

2　传热模型

2.1管内流体的对流传热及与管内壁的传热方程

2.2管壁的导热方程

2.3回填材料的导热方程

2.4土壤的传热过程

式中：v——管道内流速（m/s）

Tfj——进口与出口流体温度（℃）

r——管道半径（m）

ρf——流体密度（kg/m3）

Cpf——流体比热容（J/kg·℃）

α——不同材料的导热系数

3　CFD模型的建立及参数设定

本次分析采用GAMBIT对单U形管和双U型管两种地埋管换热器进行建模，对模型进行适当简化后采用FLUENT进行求解，选择非稳态计算，管内传热介质流动选择 K-ε模型、MOMENTUM方程与ENERGY方程耦合求解。建立模型如下：

图5　单U型管地埋管换热器模型

竖直地埋管换热器钻孔深度设定为100m，钻孔间距为5m，采用de32的PE换热管，进口流速单U型管为0.6m/s，双U型管为0.4m/s，灌浆回填料采用5%膨润土与原浆的混合浆［7］，土壤热物性参数取自合肥地区滨湖新区某项目土壤热响应报告，具体数据如表1。

合肥地区滨湖新区某项目土壤热物性参数　表1

4　数值计算结果

图6、7、8、9为分别为 0.6m/s（单U型管）和0.4m/s（双U型管）的初速度下，初始土壤温度17.1℃，初始供水温度32℃下运行初始和运行后土壤热度达到饱和时的土壤温度分布图。

由计算结果可以看出，在初始阶段，双U型管的向土壤传热的速度快于单U型管，相同时间内双U管向土壤释放出的热量较多，热扩散半径和土壤温度均高于单U型管，最终比单U型管提前到达土壤温度饱和状态（约为28.3℃左右）。但土壤温度升高达到饱和状态以后两者土壤状态基本一致（）。

图6　单U管运行500h土壤温度分布情况

图7　单U管运行3500h后土壤温度分布情况

图8　双U管运行500h土壤温度分布情况

图9　双U管运行3500h后土壤温度分布情况

图10　单U型管与双U型管土壤温度随时间变化情况

图11　单U型管与双U型管进出口温度随时间变化情况

由图10、11中可以看出，在系统运行至一段时间后，地埋管附近的土壤温度显著升高，但整个埋管区域平均温升幅度仍较慢（）；随着系统运行，地埋管的热量逐渐向土壤传递，由于进水温度（32℃）与土壤温度（17.1℃）相差较大，因此热传递速率达到最大；当土壤温度进一步升高至25℃以上时，随着进水和土壤温差降低，换热能力减弱，热传递速率变缓，地源热泵系统运行效率开始下降；在系统运行的终段，由于热量积聚，导致土壤温度升高至28℃以上，系统中的热量无法通过地埋管换热器传递到土壤中，地源热泵系统运行效率达到最低。

图12　单U型管与双U型管单井换热量随时间变化情况

根据系统模拟运行3500h的供回水温度，计算得单U型和双U型地埋管换热器的单井换热量，如图12所示。计算结果表明，随着系统运行土壤温度升高，单U型管的单井换热量由初始阶段4.34kW逐渐降低至0.508kW，双U型管的单井换热量由初始阶段5.92kW逐渐降低至0.61kW。可以认为在此条件下初始阶段双U型地埋管换热器换热能力是单U型地埋管换热能力的1.33倍，而土壤温度升高时，地埋管换热能力急剧下降，最终两者数值相接近。

5　经济分析

以100kW负荷为例，参照合肥市地源热泵项目的相关人工费、材料费和机械费分别计算单U型、双U型地埋管换热器的投资额。打井数量N按照模拟结果中的单U型、双U型地埋管的单井换热量计算。

单U型管与双U型管地埋管换热器经济性对比　表2

可以看出，由于钻孔和下管费用占地埋管换热器初投资的大多数，因此，系统负荷越大，打井数量越多，采用双U型管的经济性较好。

6　结论

①土壤温度对地埋管换热器传热速率影响较大，土壤温度升高导致地埋管供回水温度升高，使地源热泵机组冷凝压力增大，极大的降低系统运行能效。因此在进行地源热泵设计时，应充分考虑土壤热平衡，满足系统向土壤的取热、放热相等，避免出现土壤热平衡失调，导致项目失败。

②系统运行一段时间后，地埋管周边5m范围内温度均有提高，当场地条件充足的情况下，建议采用较大的布管间距，以保障良好的换热效果。

③在模拟条件下，双U型管地埋管换热能力近似为单U型管的1.33倍，且投资增加不多，但容易导致土壤温度升高过快。因此，在场地、经济条件充足的情况下，建议采用单U型管地埋管换热器。通过增加地埋管井数量，提升了土壤与地埋管的换热面积，有利于土壤恢复初始状态。在场地、经济条件受限采用双U型管地埋管换热器时，应优先进行土壤热平衡计算，建议采取配备冷却塔辅助散热、制定合理的运行策略、平时制备生活热水等方式有效避免短时间内热量积聚导致土壤温升过快，保障系统安全可靠、经济有效运行。

［1］安徽省住建厅，等.推进浅层地热能在建筑中规模化应用实施方案［Z］.

［2］合肥市浅层地能资源评估报告［Z］.

［3］合肥市建筑节能与绿色建筑重点工作报告［R］.

［4］丁勇，李百战，卢军，等.地源热泵系统地下埋管换热器设计［J］.暖通空调，2005，35（3）：86-89.

［5］合肥市水务局.合肥市人民政府关于实行最严格水资源管理制度的意见［Z］.

［6］徐伟.地源热泵技术手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［7］GB50366-2005，地源热泵系统工程技术规范［S］.

TU833+.3

A

1007-7359（2016）04-0222-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.088

肖方初（1982-），男，安徽潜山人，毕业于合肥工业大学，助理工程师。