簡介： 本文通過對某住宅小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)地?zé)釗Q熱器的方案設(shè)計的工程實(shí)例，介紹了采用《地?zé)嶂�星》軟件設(shè)計地?zé)釗Q熱器的方法；討論分析了回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、巖土導(dǎo)熱系數(shù)、鉆孔間距以及循環(huán)液的類型四種主要因素對地?zé)釗Q熱器設(shè)計尺寸的影響，并指出提高回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、適當(dāng)增大鉆孔間距以及選擇凝固點(diǎn)較低的循環(huán)液有利于減小鉆孔長度，從而節(jié)省地?zé)釗Q熱器的初投資。
關(guān)鍵字：地源熱泵 地?zé)釗Q熱器 設(shè)計 軟件

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們對節(jié)能、環(huán)保意識的提高，具ss量的值可以產(chǎn)生數(shù)倍的變化。國內(nèi)有些關(guān)于地?zé)釗Q熱器設(shè)計的文獻(xiàn)中推薦的每米鉆孔傳熱量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于實(shí)際工程設(shè)計可能產(chǎn)生誤導(dǎo)，因而不利于該項(xiàng)新技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。

影響地?zé)釗Q熱器設(shè)計的最重要影響因素有：1.巖土的導(dǎo)熱系數(shù)；2.全年的冷熱負(fù)荷及其相對的比值^[5]；3.回灌材料的導(dǎo)熱系數(shù)與U型管各支管的間距；4.地?zé)釗Q熱器排列方式與鉆孔間距；5.設(shè)定的循環(huán)液所允許的最高和最低溫度，在以供熱為主的應(yīng)用場合，這一參數(shù)常常取決于選用循環(huán)液的類型。

山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所開發(fā)的地?zé)釗Q熱器設(shè)計及模擬專用軟件《地?zé)嶂�星�?sup>[2]采用了在國際上領(lǐng)先的二維和準(zhǔn)三維模型^[3-6]，考慮了全年吸熱和放熱不平衡等復(fù)雜的情況，以保證地?zé)釗Q熱器在整個服務(wù)周期（20年或更長的時間）中的性能為設(shè)計目標(biāo)，使地?zé)釗Q熱器的設(shè)計計算脫離了按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算的狀況。該軟件還能同時對單U型埋管與雙U型埋管這兩種分別在美國和歐洲流行的不同埋管形式^[3]進(jìn)行計算和比較�！兜�?zé)嶂�星》又是對用戶友好的，普通的暖通空調(diào)工程師都能很快掌握軟件的使用，輸入設(shè)計條件就可以直接得到要求的埋管長度，因而可以方便地進(jìn)行多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。本文結(jié)合一個工程實(shí)例就其中的回灌材料的導(dǎo)熱系數(shù)、巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、鉆孔間距及循環(huán)液的類型四個方面對地?zé)釗Q熱器的設(shè)計方案進(jìn)行分析和比較。

2 工程概況

該工程為位于湖北省的一個住宅小區(qū)，總建筑面積約7萬平方米，擬采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其冬季的供熱、夏季的制冷以及供應(yīng)生活用熱水。該地區(qū)冬季空調(diào)室外計算溫度為℃；夏季空調(diào)室外計算溫度為℃；未受干擾的地下溫度為16℃。本設(shè)計主要通過《地?zé)嶂�星》設(shè)計軟件按1萬平方米建筑面積來進(jìn)行方案比較和設(shè)計計算。

3 方案比較和設(shè)計

3.1 確定鉆孔參數(shù)

鉆孔的幾何分布形式要根據(jù)可提供的場地確定，本研究選取矩陣排列為4×25。鉆孔間距取3*3、4*4、4*5、5*5、6*6、7*7、8*8、9*9（行間距*列間距）八種情況進(jìn)行比較計算。鉆孔半徑設(shè)為0.055m。回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)取0.6，1.2，1.8，2.4，3.0 W/(m℃)進(jìn)行比較和研究。

3.2 U型管的確定

本工程采用單U型豎直埋管的形式。單個鉆孔的截面示意圖如圖1所示。管材采用目前國際上廣泛使用的高密度聚乙烯管（PE3408），其導(dǎo)熱系數(shù)為0.42 W/(m℃)；標(biāo)準(zhǔn)尺寸比為SDR11，管外徑為32mm，內(nèi)徑為26mm。兩支管間距選為C型，即兩根管子中心距為鉆孔半徑。

3.3 巖土參數(shù)的確定

當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)端巖土溫度為16℃。當(dāng)?shù)貛r土的類型可參考當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)勘探局提供的有關(guān)數(shù)據(jù)，但對于其熱物性擬應(yīng)用熱物性測定儀進(jìn)行現(xiàn)場測試^[7]。在設(shè)計階段巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)先按 0.8，1.2，1.6，2.0W/(m℃)試算，同時可模擬不同巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)對要求的地?zé)釗Q熱器埋管尺度的影響。巖土體積比熱取為2000 kJ/(m³℃)。

3.4 確定該小區(qū)的系統(tǒng)負(fù)荷

系統(tǒng)負(fù)荷包括建筑物每月累計的總冷、熱負(fù)荷及月累計生活熱水負(fù)荷。取冬夏季的室內(nèi)計算溫度分別為=18℃,=25℃，則由以下公式計算可得建筑物每月累計的總冷負(fù)荷或總熱負(fù)荷，單位KWhr。

冬季每月總熱負(fù)荷計算公式

夏季每月總冷負(fù)荷計算公式

式中，C為同時使用系數(shù)，對住宅樓這里取作50%；A為總建筑面積，單位；q_h為熱負(fù)荷面積指標(biāo)，本方案取50；q_c為冷負(fù)荷面積指標(biāo)，本方案取100；為月平均溫度，由氣象資料得到，i =1,2……12。又由手冊查得該地區(qū)采暖期為11月20日——3月14日，所以11月至3月需計算熱負(fù)荷；過度季節(jié)4月、5月及10月由于月平均溫度與室內(nèi)設(shè)計溫度較接近，冷熱負(fù)荷均為零；6至9月由于月平均溫度較高，需計算冷負(fù)荷。其中月平均溫度由供熱空調(diào)能耗分析用逐時氣象數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)(Medpha)軟件計算得到。生活用熱水負(fù)荷按每人80L/day確定，同時使用系數(shù)取30%。最后計算結(jié)果匯總在表1中。

3.5 循環(huán)液參數(shù)的確定

可根據(jù)當(dāng)?shù)貛r土的溫度和實(shí)際需要從軟件的數(shù)據(jù)庫中選擇循環(huán)液的類型進(jìn)行方案比較。本研究選擇了下列表2中的三種循環(huán)液進(jìn)行比較。循環(huán)液的總流量應(yīng)參考所選的熱泵設(shè)備提供的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的設(shè)計循環(huán)液的總流量為：21.3m³/hr。

表2 各種循環(huán)液的熱物性

循環(huán)液類型	比熱	密度	凝 固 點(diǎn)℃	導(dǎo)熱系數(shù)10-2	動 力 粘 度
純水	4.187	998.95	0	58.65	1155
乙二醇16%	3.92	1020	-7	52.5	1765.2
氯化鈉11%	3.69	1080	-7.5	58.1	1333.705

3.6 設(shè)計要求

在計算地?zé)釗Q熱器的長度之前，還需輸入設(shè)定的夏季工況時進(jìn)入熱泵的循環(huán)液的最高溫度和冬季工況時進(jìn)入熱泵的最低溫度值。由于熱泵進(jìn)出口的循環(huán)液溫差一般要保持在5℃左右，因此設(shè)計設(shè)定的值通常要求進(jìn)入熱泵循環(huán)液最低溫度至少高出其凝固點(diǎn)7℃。根據(jù)各種循環(huán)液凝固點(diǎn)的不同，當(dāng)循環(huán)液為純水時，設(shè)計進(jìn)入熱泵循環(huán)液最低溫度為7℃，當(dāng)循環(huán)液為乙二醇16%或氯化鈉11%時，設(shè)計進(jìn)入熱泵循環(huán)液最低溫度分別至少應(yīng)為0℃、-0.5℃。進(jìn)入熱泵的循環(huán)液的最高溫度取為30、33、36、39℃來做計算比較。此外，軟件還需確定峰值負(fù)荷持續(xù)的時間，該設(shè)定值與循環(huán)液可能達(dá)到的最高或最低溫度有關(guān)。該設(shè)計中額定冷、熱負(fù)荷滿負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行時間均設(shè)定為4小時。要求滿足以上運(yùn)行條件的運(yùn)行時間定為20年。

4 方案比較

綜合以上所述，在該工程地?zé)釗Q熱器設(shè)計的方案比較中主要考慮以下幾項(xiàng)因素的影響：①回填材料導(dǎo)熱系數(shù)；②巖土導(dǎo)熱系數(shù)；③鉆孔間距；④循環(huán)液的類型。

4.1 回填材料導(dǎo)熱系數(shù)和巖土導(dǎo)熱系數(shù)對地?zé)釗Q熱器設(shè)計尺寸的影響

當(dāng)循環(huán)液為乙二醇16%，鉆孔幾何分布為矩形陣列4×25，鉆孔間距為4*5（行間距*列間距）時，采用不同的回填材料導(dǎo)熱系數(shù)以及巖土導(dǎo)熱系數(shù)計算出了一系列地?zé)釗Q熱器的尺寸，據(jù)此畫出了1萬平米空調(diào)面積總鉆孔長度隨巖土導(dǎo)熱系數(shù)和回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線圖。圖2中的曲線從上到下分別代表巖土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K)。從圖中可以看出，隨著回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)的增大，鉆孔長度逐漸減��；隨著巖土導(dǎo)熱系數(shù)的增大，鉆孔長度明顯減小。另外，從圖中還可以看到對于導(dǎo)熱系數(shù)在0.8-2.0 W/(m.K)范圍內(nèi)的巖土，當(dāng)鉆孔回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)由0.6 W/(m.K)增大到1.2 W/(m.K)時，僅增大了1倍，鉆孔總長度就減少了500m左右。這說明：當(dāng)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，尤其當(dāng)其小于1.2 W/(m.K)時，提高鉆孔回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可以減少相當(dāng)可觀的埋管長度。

4.2 鉆孔間距對地?zé)釗Q熱器設(shè)計尺寸的影響

當(dāng)循環(huán)液為乙二醇16%，鉆孔幾何分布為矩形陣列4×25時，取回填材料導(dǎo)熱系數(shù)為：1.2 W/(m.K) ，畫出了1萬平方米建筑面積所需鉆孔總長度隨著鉆孔間距的變化關(guān)系圖，見圖3。

圖3中的曲線從上到下分別代表巖土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K)，由圖3可以看出，隨著鉆孔間距的增大，鉆孔總長度逐漸減�。磺毅@孔間距越小，這種影響越明顯。當(dāng)鉆孔間距較大，即行間距、列間距均為7m時，鉆孔長度基本不再變化。另外，隨著巖土導(dǎo)熱系數(shù)的減小，鉆孔間距對鉆孔長度的影響將逐漸減弱。

4.3 循環(huán)液類型對地?zé)釗Q熱器設(shè)計尺寸的影響

在地?zé)釗Q熱器的設(shè)計中，設(shè)定的進(jìn)入熱泵循環(huán)液最高、最低溫度，對設(shè)計結(jié)果有著顯著影響。在供熱負(fù)荷為主導(dǎo)的地?zé)釗Q熱器的設(shè)計當(dāng)中，選擇添加防凍劑的循環(huán)液可以使冬季工況下進(jìn)入熱泵的最低溫度降低，常�？梢允沟�?zé)釗Q熱器的設(shè)計尺寸減小。圖4、圖5就是當(dāng)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W/(m.K)，巖土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.6W/(m.K)時，改變循環(huán)液的類型，相應(yīng)改變熱泵入口處循環(huán)液最高、最低溫度，所得出的1萬平方米建筑面積所需地?zé)釗Q熱器尺寸。

圖4畫出了采用不同循環(huán)液最低溫度時的地?zé)釗Q熱器尺寸，圖中三種循環(huán)液的熱泵入口處最高溫度均為36℃。從圖中可以看出一個這樣的總趨勢：對于乙二醇16%、氯化鈉11%和純水這三種循環(huán)液，隨著熱泵入口循環(huán)液最低設(shè)計溫度的升高，鉆孔總長度逐漸增加。從圖4中我們還可以看到當(dāng)循環(huán)液最低設(shè)計溫度相同時，采用乙二醇16%循環(huán)液所需要的地?zé)釗Q熱器尺寸比采用氯化鈉11%循環(huán)液時稍大。但是隨著循環(huán)液最低設(shè)計溫度的增大，這種趨勢越來越小，且當(dāng)循環(huán)液最低設(shè)計溫度達(dá)到7℃時，采用三種循環(huán)液時的地?zé)釗Q熱器尺寸基本相同，說明此時地?zé)釗Q熱器的尺寸基本不再受循環(huán)液的類型的影響。

圖5中的曲線從上到下分別代表純水、乙二醇16%和氯化鈉11%循環(huán)液設(shè)定不同夏季最高溫度時的情況，它們對應(yīng)的熱泵入口最低設(shè)計溫度分別為：7℃、0℃、-0.5℃。每根曲線都有一段平行于橫軸，也就是說循環(huán)液最低溫度一定時，當(dāng)其最高溫度升高到某個值，它將不再影響鉆孔的長度。這表明該工程是以供熱負(fù)荷為主導(dǎo)的，供熱負(fù)荷決定了埋管的長度。反之，在以制冷負(fù)荷為主的場合，設(shè)定的夏季最高溫度將決定地?zé)釗Q熱器的大小。

5 結(jié)論

地?zé)釗Q熱器的合理設(shè)計是保證地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，對推廣該項(xiàng)新技術(shù)有重大的影響，已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。地?zé)釗Q熱器中的傳熱涉及的空間尺度大，時間跨度長，影響因素錯綜復(fù)雜；個別參數(shù)的改變可能導(dǎo)致地?zé)釗Q熱器實(shí)際換熱能力成倍的變化。無論是從實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)得到的“每米鉆孔換熱量”的經(jīng)驗(yàn)性的指標(biāo)通常不具備普遍的指導(dǎo)意義，這給地?zé)釗Q熱器的設(shè)計帶來較大的困難。根據(jù)地?zé)釗Q熱器傳熱模型開發(fā)的設(shè)計計算和模擬軟件可以在很大程度上幫助工程技術(shù)人員解決這一難題。

本文針對特定的工程實(shí)例討論了四種影響地?zé)釗Q熱器設(shè)計尺寸的主要因素。巖土導(dǎo)熱系數(shù)對鉆孔長度的影響很明顯，但對于給定的工程巖土導(dǎo)熱系數(shù)是確定的值，難以加以改變，因此重要的是要通過現(xiàn)場的測定得到比較可靠的數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)的正常出力。回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)對鉆孔長度也有重要的影響，應(yīng)注意采用高性能的回填材料來保證傳熱性能，減少鉆孔總長度，節(jié)省初投資及運(yùn)行費(fèi)。從所作的方案比較可以看出，在一定范圍內(nèi)鉆孔間距顯然越大越有利于提高地?zé)釗Q熱器的換熱能力，但是在實(shí)際工程中還要考慮可用空地的面積及形狀而定，建議行和列的間距都不宜小于4m。對于以供熱負(fù)荷為主的應(yīng)用場合，可考慮采用防凍劑溶液作循環(huán)液。在考慮其安全性、腐蝕性及對環(huán)境影響的前提下，為了減小鉆孔長度、降低初投資，可以選擇凝固點(diǎn)較低的防凍劑溶液，這樣熱泵入口循環(huán)液設(shè)計最低溫度能較低一些；但這同時也會降低熱泵機(jī)組的COP值。因此，選擇循環(huán)液時需要綜合考慮循環(huán)液對埋管造價和熱泵機(jī)組性能值的影響，選取經(jīng)濟(jì)高效的循環(huán)液。

參考文獻(xiàn)

1. 徐偉等譯. 地源熱泵工程技術(shù)指南.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

2. 崔萍. 地?zé)釗Q熱器的傳熱模型及設(shè)計計算[碩士學(xué)位論文]. 濟(jì)南：山東建筑工程學(xué)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?zé)釗Q熱器的傳熱分析.建筑熱能通風(fēng)空調(diào).23（1）：11－20，2004.

7. 于明志，方肇洪.現(xiàn)場測試地下巖土平均熱物性參數(shù)方法.熱能動力工程.17（5）：489-492，2002.

8. 曲云霞，張林華，方肇洪，李安桂.地源熱泵系統(tǒng)防凍液的選擇.節(jié)能與環(huán)保.No.8：20-23，2002.

作者簡介：

陳衛(wèi)翠（1983.3-），女，

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