地埋管换热器冬、夏季换热量的探讨

东北及华北地区地埋管换热器冬、夏季换热量的探讨

雷艳杰  北京汇合新能源科技有限公司

摘  要：随着地源热泵系统在我国东北及华北地区的推广，地埋管换热器在这一地区冬、夏季的换热取值问题成为暖通设计人员遇到的难点之一。本文论述了这些地区的垂直式土壤热交换器系统在夏季和冬季换热能力的差异及设计参考值，希望为今后地源热泵系统设计提供参考。
关键词：地源热泵，放热能力，吸热能力，土壤热交换器，换热量

Study on the Heat-transfer rate of ground heat exchanger in Northern region of China in Summer and Winter
Lei Yan Jie
BEIJING HUIHE NEW ENERGY TECHNOLOGICAL CO.,LTD

Abstract: With the widely usage of the Geothermal-Source Heat Pump in Northern region of China, the Value of difference between heat release capacity in summer and the heat absorption capacity in winter is the key problem within the designer of the heating system. This paper studied the design differences and reference design parameters in the region of ground heat exchanger and heat transfer capacity, in the hope of providing valuable design references for the future design of Geothermal-Source Heat Pump.
Key words: Geothermal-Source Heat Pump, heat release, heat absorption capacity,  ground heat exchanger, heat transfer rate

一、 地源热泵系统简介

    地源热泵技术通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位的转移。地下浅层岩土分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地下浅层岩土中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到岩土中去。
    地源热泵系统在国外已有近百年的发展历史。自1997年11月《中美能源效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作议定书》签署之日起，地源热泵技术走进了中国。由于采用了特殊的换热方式，使它具有高效、节能，环保、无污染，运行维护费用低，控制简单，运行灵活，系统可靠性强，使用寿命长，一机多用，应用范围广等优点。在近10年中，这种绿色能源技术在中国迅速发展起来1。尤其在东北及华北地区，地源热泵系统在极端气候条件下仍能保持较高的性能系数，不存在冬季除霜问题；在这些地区大力发展地源热泵空调系统，将改善当地人民的居住热环境、为国家减少大量的建筑能耗。

二、结合某培训中心工程实例，分析东北及华北地区冬、夏季地埋管的换热特点：

1、工程概况
    某培训中心位于沈阳市，占地面积为92733 m2，学校由宿舍区、教学区、运动场三大块组成。电教楼、图书馆，建筑面积为2870 ㎡，空调冷负荷为：280KW，空调热负荷为：343.48KW。考虑到换热能力和占用土地面积的因素，空调系统冷热源选择采用垂直式土壤热交换器系统。

图1 工程图片

2、地埋管换热试验
    因为埋管换热器中的循环介质与大地之间的换热情况相当复杂，地源热泵系统的设计难点主要集中在地下埋管换热器方面。埋管形式、埋管间距、埋深、管径、循环介质流量等既是影响埋管换热器与大地之间换热的重要因素，又是构成埋管换热器具体形式的主要参数。此外，埋管地点的地质状况、气候特征、建筑物的负荷变化状况也都影响着换热器的换热。
    在沈阳地区，地表浅层土壤温度呈三层分布，地表冻土层附近土壤温度受室外大气影响，温度全年波动大；冻土层以下有一恒温层，温度全年基本不变；恒温层以下到地壳深处有一定的正温度梯度，土壤温度随深度缓慢上升。
    地下岩土的温度场有如下两个主要特点：第一，达到一定深度后温度基本上常年保持一个定值，这个值接近该地区的年平均气温；第二是在地表以下一定范围内温度呈周期性变化，但波动幅度小于气温的波幅，而且存在时间上的延迟，随着深度的增加波幅减小，延迟度增大。沈阳地区，在地下10m处温度波动已经小于1℃，且温度的最高值出现在1月份，最低值出现在7月份。这两点都有利于热泵系统工作能效比的提高2。
    换热能力指的是单位管长或单位竖埋管深度的换热量，是地埋管换热器设计中最重要的设计参数，根据它才能确定所需的埋管长度和竖孔总深度。一般可参照已有的类似工程所取得的经验数据，根据经验值竖埋管的单位深度换热量70~110W/m之间。当时国内在东北地区地源热泵系统并没有类似项目可以参考，我们缺乏沈阳地区的地质资料，为更准确的做好该项目垂直式土壤热交换器的计算工作，确保示范工程的效果，我们与天津大学开展了技术交流与合作，针对沈阳的地质情况，采用专门制作的一套测试设备，在室外换热器的具体地点做实际地埋孔的勘探测试，以获取计算的必要数据。

测试设备系统原理图：

 1）测试前
现场条件：（测试设备到场前提供到位）：
（1）交流电源：AC 220v，需承受功率 5kW，故电源线径要求为4～6mm2。
（2）万用表：为了确保设备正常、稳定运行，设备仪器连接前必须用万用表进行检测。
（3）热熔器：管件连接器具。
（4）DN32连接管：用于连接地埋管与仪器软管。
（5）管材：PE80系列De32管材；单U头和双U头各一个。
（6）根据测试地点环境、天气情况，做好防雨、防晒等工作。
（7）记录及操作人员到位。
施工准备：
（1） 按照设计钻孔。（表一）

（2） 按要求把双U和单U型换热管（PE80系列管材）放入钻好的孔中。
（3） 在放好换热管的孔中回填填料，并将换热管中充满水。
（4） 保证换热管内充满水，封闭管口，按规范做好试压、保压，钻孔完成后需晾孔3天再进行测试。
（5） 测试设备提供到位后，将整个系统按照规范调试运行。
（6） 测试前让换热管中水循环流动60分钟以上。
2）测试过程：
按照夏季放热、冬季取热两种情况分别试验，根据单U形管、双U形管和水流量变化的不同工况进行了测试，根据热力学公式（吸、放热量-KW=水的比热-4.1868kj/kg.℃*水流量-kg/s*U型管进出水温差-℃）进行必要计算。
（1）夏季放热工况：将水箱中的水（10℃）加满，将水泵1打开，风冷热泵机组产生热水，把水箱中的水加热到35℃（30℃）时，水泵2打开，将35℃（30℃）的水充注到地埋管换热器中，使系统运行。在运行期间分别测量单U和双U系统进水管温度、出水管温度、水流量的大小，根据测量数据计算出单米孔深放热量，列于表二中。
（2）冬季吸热工况：将水箱中的水（10℃）加满，将水泵1打开，风冷热泵机组产生冷水，把水箱中的水降到3℃（5℃）时，水泵2打开，将3℃（5℃）的水充注到地埋管换热器中，使系统运行。在运行期间分别测量单U和双U系统进水管温度、出水管温度、水流量的大小，根据测量数据计算出单米孔深吸热量，列于表三中。
3）测试结果：
（1） 土壤初始状态下远端岩土温度：14℃
（2） 岩土层取样分析报告：0~10m为砂质粘土，10m以下为卵石层，含有丰富的流动地下水。
（3） 建筑物负荷全年（12 个月）动态负荷：充分考虑动态负荷对换热效果的影响，由土层取样分析报告可知，10m以下含有丰富的流动地下水，所以不考虑热平衡的问题。
（4） 放热量和吸热量的表格：

冬天吸热试验W/m 

 用图如下表示：

4）根据测试结果对中央空调系统进行优化设计：
（1）夏天放热能力明显优于冬季取热，所以在地源热泵空调系统设计时，换热量计算只以冬季取热为计算条件，即可满足全年运行要求。因为10m以下为流动地下水，所以放出的热量将被带走，无需考虑热积累对系统长期运行的影响。
（2）双U型垂直地埋管换热器的放热量是单U型放热量的1.2倍，可减少打孔16.7％。双U是单U吸热量的1.26倍，可减少打孔20％。
（3）根据PE管材的耐压范围，最大限度的利用场地资源，孔深为84米，实际埋管深度80米。
（4）最后，在测试的基础上，建设方确定电教楼和图书馆采用垂直式双U形管土壤热交换器系统。空调冷负荷为：280KW，空调热负荷为：343.48KW。地埋管系统的吸热功率大约为257.61KW（空调热量*0.75），每米孔吸热量为53.2W/m，每孔吸热量4.256KW，共需60个孔。

                    上图为某培训中心的室外地埋孔平面布置图

3、工程项目的施工情况：

施工现场图片：

    施工工序：放线、打孔→下管→水平埋管施工放线、钻孔：将设计图纸上垂直地埋管换热器的钻孔位置逐一落实到施工现场。孔径（以能够较容易的插入所设计的U型管及灌浆管为准）为120mm。钻孔分为四排，每排25个孔。本工程设计选用PE80系列管材，双U型管外径为32mm，横联管外径为40~200mm3、4。
钻孔是垂直地埋管换热器施工中最重要的工序。钻孔机械采用中浅孔岩芯钻机，以电动机作为动力。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔位置冒出地面，顺地势挖出排水沟，并在沟的末端挖一个泥浆池，沉淀后将其清运出场地。注意在放置钻机的位置不能开挖排水沟或连接各个竖埋管的水平管管沟。须由有经验的施工队完成钻孔工作。
    下管：钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难，而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙积沉会减小孔洞的有效深度，所以，每钻完一个孔，应接着下管。下管前应对U型管进行试压、冲洗，然后将U型管两端密封，以防杂物进入。将灌浆管与U型管捆绑在一起，捆绑要疏密适中，下管是将三根管一起插入孔中，直至孔底。U型管的长度应比孔深略长，使其能够露出地面。下管完成后，做第二次水压试验。确认U型管无渗漏后，方可封孔。封孔材料对地热换热器的传热效能有较大影响3、4。
    水平埋管施工：在施工前对场地进行清理、放线。管沟采用局部沟槽开挖方法，用人工进行。在土壤结构松散、易垮塌的地方，如果场地允许，经比较后可整体开挖。预先将每个管沟的换热器单元制作好，沟槽挖好经尺寸检查合格后，按顺序一次性进行换热器水平埋管的安装。并且用管卡固定每个管道的安装位置，使之与设计相符。
    经试压合格后进行回填。在回填过程中，在每根盘管的周围铺设50-100mm厚的沙层，使管道与大地之间结合紧密，提高传热效果。灌水之前进行清洗和排污。在水平埋管与机房管路连接完毕后进行第四次水压试验。本工程的室外地埋换热器安装于2003年7月工程开工，2003年9月完成地埋换热器施工，10月完成空调系统的调试。

4、运行后的数据分析
    设备投入使用后，运行良好，客户非常满意。我公司技术服务人员记录了一年内的设备运行时地埋管进出水温度、流量数据，从中截取了部分典型数据进行分析并计算吸、放热量，数据如下表五、表六：

    由以上换热实验和运行数据可以得出以下结论：在沈阳地区，以供暖为主，制冷为辅。其夏季的放热能力大于冬季的吸热能力，与常规的经验数值有一定出入，主要在于经验数值未分季节，采用同一标准，导致经验数值在沈阳地区会和实际工况有偏离。其供水、回水的温度对换热能力也有一定影响。根据表五、表六算出系统运行过程中每米孔深换热量的平均值如表七所示：
根据表五、表六算出系统运行过程中每米孔深换热量的平均值如表七所示：

三、东北及华北地区的部分项目数据列举（表八）

四、结论

    由列举项目的数据可以看出，东北及华北地区吸、放热能力基本与本文所得数据相近，属于正常波动范围内，据此可以得出结论：
1、从表七中数据可以看出换热能力和地埋管的进水温度、水流量关系很密切，进水温度和大地温度相差大时，换热能力就大；相同进水温度下，水流量越大，流速越大，水流越紊乱，换热能力越强。这点应引起设计人员的注意，选择合适的进水温度和水流量。表七中的数据可以作为以后设计东北及华北地区地源热泵垂直式土壤热交换器系统每米孔深放热量和吸热量的参考依据。在此地区进行设计时，一些经验数据的应用要慎重，主要考虑其地域特点。
2、从表中数据可以看出，东北及华北地区夏天地埋管系统的放热量大约是冬天吸热量的一倍，所以需要对此地区的垂直式土壤热交换器空调系统做全年的土壤热平衡性分析，保证系统运行的稳定性和平衡性。

    换热能力是设计工作的关键参数，设计工作关系到系统的性能及经济性。本文主要介绍了东北及华北地区地埋管系统的换热量特点及冬、夏季换热量的参考数值，供这些地区的设计人员参考，以期推动环保节能的地源热泵系统在东北及华北地区的发展。

注：《地源热泵》杂志专稿，转载，请注明“中国地源热泵网”。