摘 要：根據(jù)循環(huán)方式的不同，地埋管地源熱泵系統(tǒng)又分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和單循環(huán)系統(tǒng)。本文綜述了以土壤為低位熱源的地埋管地源熱泵系統(tǒng)中U型埋管換熱性能的影響因素。
關(guān)鍵詞：地源熱泵；U型地埋管換熱器；換熱性能；影響因素
如何加強(qiáng)地源熱泵系統(tǒng)換熱器的換熱性能已成為地源熱泵系統(tǒng)大面積推廣的瓶頸。本文主要對前人關(guān)于垂直U型地埋管閉式地源熱泵系統(tǒng)的埋管換熱器的換熱性能的研究進(jìn)行整理和總結(jié)。
一、系統(tǒng)運行模式對U型管換熱性能的影響
地源熱泵系統(tǒng)在適應(yīng)不同場合的供冷、采暖需求時有全天連續(xù)運行、晝開夜停間歇運行、全天不連續(xù)運行等模式，不同的運行模式下其埋管的換熱效率是不盡相同的。Stevens以有限差分模型為基礎(chǔ)分析了不同運行條件下地埋管內(nèi)流體和周圍土壤的換熱性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間歇運行時流體和周圍土壤的換熱性能高于連續(xù)運行時。于紅海在建立了鉆孔內(nèi)二維、準(zhǔn)三維傳熱模型的同時，又引入了脈沖熱流對連續(xù)運行和間歇運行時的溫度響應(yīng)，建立了埋管換熱器的較為完善的模型，對60m深U型埋管換熱器地源熱泵進(jìn)行了夏季運行的實驗測試。結(jié)果表明，在最佳流速0.42m/s時，由于連續(xù)運行時管內(nèi)介質(zhì)與周圍土壤交換的熱量來不及向周圍擴(kuò)散而影響了進(jìn)一步的傳熱而使得全天連續(xù)運行時單位孔深換熱量與系統(tǒng)制冷系數(shù)隨運行時間的延長而減少，且晝開夜停運行模式易于保證地溫的恢復(fù)，使對提高單位孔深換熱量更加有利。
二、熱短路現(xiàn)象對埋管換熱性能的影響
由于埋管空間的限制和進(jìn)出水間存在溫差，相距較近的管群之間直接或通過土壤間接發(fā)生熱量傳遞，造成埋管換熱器制冷工況下出水溫度升高，或制熱工況下出水溫度降低，進(jìn)而使得系統(tǒng)的制冷量或制熱量減少，效率下降。
潘彥凱通過在GAMBIT中建立地埋管換熱器模型并對模型中的線、面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分，以細(xì)長圓柱體為模型對不同井深垂直埋管的換熱性能進(jìn)行檢測并與模型進(jìn)行比對后發(fā)現(xiàn)，井深越深，流速越小，U型埋管支管間的熱短路現(xiàn)象越嚴(yán)重，而與進(jìn)口水溫和管徑大小無關(guān)；且雙U型管的熱短路現(xiàn)象比單U型管更為嚴(yán)重。同時，在出水管處鋪設(shè)聚氨酯泡沫塑料等保溫材料對減弱熱短路的影響也是有利的。
三、埋管深度對埋管換熱性能的影響
由于地下深層土壤溫度受地面環(huán)境影響較小，當(dāng)深度增加到一定程度時，土壤溫度便不再增加，而此時埋管與土壤間的溫差也逐漸減小，進(jìn)而使得埋管和土壤的換熱性能下降。
吳玉庭以經(jīng)典的圓柱源理論為基礎(chǔ)，采用GAMBIT軟件建立了地源熱泵垂直U型管地埋管的三維全尺寸數(shù)值模型，對U型管在冬夏不同工況下運行時的傳熱性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在冬季工況2℃進(jìn)口水溫的工況下，低流速時，隨著埋管深度的增加，管內(nèi)水和周圍土壤進(jìn)行更加充分的換熱，單位井深換熱量也隨之增加；但隨著水溫的上升，水和土壤的溫差逐漸減小，致使單位井深換熱量也減小。因此，埋管深度對單位井深換熱量的影響隨著流速的降低而逐漸加大。
四、進(jìn)口水溫對埋管換熱性能的影響
制冷工況下，水與土壤的傳熱溫差隨進(jìn)口水溫的升高而增大，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱量的增大，但出口水溫隨之增加，機(jī)組制冷效率下降。
陳旭等基于地下埋管換熱器的熱滲耦合傳熱模型，對地源熱泵在制冷工況下的運行特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對模擬計算結(jié)果進(jìn)行單因素敏感性分析及回歸分析，并用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到了單U型地埋管換熱器夏季工況單位井深換熱量與巖土熱物性、地下水滲流速度、埋管深度、管內(nèi)流體流量、進(jìn)口溫度、運行模式等的關(guān)系。結(jié)果表示，各參數(shù)中，對單位井深換熱量影響最大的是進(jìn)口水溫，其次是地下水流速、巖土導(dǎo)熱系數(shù)、埋管深度、日運行時間、管內(nèi)流量。就地埋管的進(jìn)水溫度而言，在每天運行8小時，總共運行10天的試驗中，進(jìn)口水溫每升高1℃，單位井深換熱量便增加2.358W/m。而在冬季采暖工況下，降低進(jìn)口水溫，將有助于增加水與土壤的有效傳熱溫差，使水獲得更大的吸熱量，進(jìn)而增加單位管長換熱量。如何合理地控制進(jìn)水溫度對于提高地埋管熱泵系統(tǒng)的效率至關(guān)重要。
五、土壤導(dǎo)熱系數(shù)對埋管換熱性能的影響
目前，土壤導(dǎo)熱系數(shù)主要由現(xiàn)場熱響應(yīng)實驗測試法【12】來測試。於仲義【13】通過測定致密黏土、致密砂土、砂巖這三種土壤結(jié)構(gòu)在相同條件下與地埋管換熱器換熱的能效系數(shù)得出結(jié)論，土壤的導(dǎo)熱能力高時有助于強(qiáng)化地埋管內(nèi)流體與周圍土壤間的熱量傳遞。
高青等人利用有限元熱分析平臺，建立了二維瞬態(tài)有限元模型，對地下非穩(wěn)態(tài)傳熱過程進(jìn)行分析，對比了采用現(xiàn)場熱響應(yīng)實驗測試法測試土壤導(dǎo)熱系數(shù)時的各影響因子。實驗表明，當(dāng)試驗時間足夠長時，土壤的傳熱系數(shù)將不再波動而趨于穩(wěn)定；當(dāng)土壤初溫增加時，其導(dǎo)熱系數(shù)幾乎呈直線上升；作為對測試結(jié)果影響較大的因素，管間距每增加0.002m，土壤導(dǎo)熱系數(shù)便降低0.115W/（m*℃）。
目前國內(nèi)外關(guān)于地源熱泵埋管換熱器的研究通常都是基于圓柱源模型的理論，并未綜合考慮各因素的影響，存在一定的局限性，且大多的研究都是以單井為單位，未考慮井群間各井換熱對整個系統(tǒng)換熱的干擾和影響。同時，冬夏季工況下運行時熱量的不平衡、初投入過大、地理位置等的限制、研究與實際應(yīng)用脫節(jié)等現(xiàn)實問題使得我國的地源熱泵技術(shù)尚未大面積地推廣和應(yīng)用。在能源日益短缺的今天，加強(qiáng)地源熱泵系統(tǒng)的研究是建設(shè)節(jié)約型社會的必要途徑。
參考文獻(xiàn)：
[1]王景剛，馬一太，張子平，等.地源熱泵的運行特性模擬研究[J].工程熱物理學(xué)報，2003，
[2]于紅海.地源熱泵垂直U型埋管換熱器不同運行模式的性能模擬及實驗研究[D].上海：東華大學(xué)碩士論文，2008.
