竖直地埋管换热器设计及系统优化
刁乃仁1,2,3 崔萍1，2方肇洪1,2,3
1. 山东建筑大学省部共建教育部可再生能源建筑利用技术重点实验室；
2. 山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室；
3.山东中瑞新能源科技有限公司 济南
摘要：针对地源热泵地埋管换热器设计现状与问题，提出了竖直地埋管换热器设计及系统优化方法，从地埋管换热器结构、地埋管换热器运行参数、地埋管换热器水系统及地源热泵系统等方面，进行了系统分析，给出了地埋管换热器设计及系统优化的具体实施方案。
关键词：地埋管换热器，设计优化，可利用温差。
前言
与传统的换热器一样，地埋管换热器的传热计算也有两种类型，即设计计算和校核计算。设计计算的目的是根据热交换的负荷和循环液进出口温度的要求，确定所需要的地埋管换热器的型式，求出换热器的面积（或埋管长度）及换热器的结构（布置形式）参数。校核计算的目的则是根据现有的换热器结构参数和面积，校核它是否能满足预定的换热要求，一般是校核循环液的出口温度和换热量。另一方面，地源热泵系统中采用的地埋管换热器，与工程中通常遇到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体（地层）的换热。这种换热过程涉及的物理模型很复杂，涉及的因素也很多。如竖直埋管与土壤在短期和长期工况下的非稳态换热、地埋管群之间的相互影响及地下水渗流的影响等；换热器形式多种多样；地层结构及其热物性千差万别；换热器的负荷随时间变化等。因此地埋管换热器的传热计算与传统换热器相比，也有着显著的不同。
首先地埋管换热器的传热系数和传热温差（循环液的平均温度与其周围岩土温度的差）是随时间和空间而变化的；其次换热器的结构布置和换热负荷对热交换能力有明显影响；再次在换热量一定时，循环液进出口温度的设定，对地埋管换热器面积、热泵机组的性能系数及换热能力有很大影响。还有热泵机组的性能也影响着地埋管换热器的计算。因此，地埋管换热器的设计与系统优化比传统的换热器要复杂得多。
1. 地埋管换热器结构
单U与双U ：工程上常用的竖直U型埋管换热器按管子结构可分为单U和双U两种。如图1所示。单U或双U埋管，仅改变了钻孔内传热热阻的大小，对钻孔外岩土层热阻大小或绝对值没有影响。但能够影响二者的相对大小。在管内流量相同时，双U型埋管换热器钻孔内热阻比单U型埋管换热器钻孔内热阻小约30%左右，但双U型埋管与单U型埋管相比单位孔深换热量大约提高7%~20%，该数值也取决于钻孔外岩土的导热热阻与钻孔内热阻的相对比值。因此在相同的冷热负荷需求的情况下，双U型管换热器需要的钻孔长度较少，但同时系统所需的管材将增大。一般来说，工程所处的地质条件，即钻孔费用，在很大程度上决定了二者的经济性。实际工程中钻孔难度较大，地埋管空间较小时，宜采用双U型埋管，以减少地埋管钻孔数量；反之钻孔成本较低，地埋管空间较充足时，宜采用单U型埋管。
U型支管间距：在竖直U型埋管换热器中，钻孔孔径通常为110mm～150mm，在这样一个狭小的空间内，支管间必然发生热回流现象，对实际的换热效果将产生一定的影响。影响U型埋管支管间热量回流的主要因素是两支管间的间距和回填材料的导热系数。显然，支管间距越小或回填材料导热系数越大，热量回流越大。但二者对地埋管换热器设计容量的影响并不一致。相同负荷下，支管间距小，所需的地埋管换热器容量大。回填材料导热系数大，一方面增加了两支管间的热量回流，另一方面，也强化了U型管与土壤间的传热。而后者是影响地埋管换热器设计容量的主要因素。
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