传热计算大讲堂（连载四）竖直地埋管换热器常见设计问题分析

竖直地埋管换热器常见设计问题分析

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：针对地埋管换热器设计计算中存在的认识误区以及常见问题，分析导致问题出现的原因，对地埋管间距与埋管容量关系、每延米换热量及其作用、复合系统的优化设计及运行策略、设定循环液的最高与最低温度以及如何合理选择循环液流量及流速等设计问题进行了系统地分析，给出应对措施及优化设计方法。

   关键词：地埋管换热器，设计计算，复合式地源热泵系统

   0.前言

    地埋管热泵发尤其是竖直埋管的地埋管热泵技术已经在我国得到了快速发展，地源热泵市场也在日益扩张，然而随着越来越多的地源热泵系统的建成，不少系统在运行中也暴露出这样或那样的问题，例如有的地埋管热泵工程运行效率低下，经测试能效比甚至低于传统的水冷或风冷热泵机组；有的新建地埋管热泵系统无法正常运转。这些问题的出现主要原因有三个：一是地埋管换热器的设计存在问题；其次是施工与管理过程不到位；再次系统运行管理不够专业。据实际工程的不完全调查，许多项目的地埋管设计直接以经验估算，如以每米钻孔换热量指标为施工图设计依据，由此导致地埋管换热器设计尺寸偏大，初投资增高或者设计尺寸偏小系统运行不可靠等问题。

    实际上，地埋管换热器的设计应综合考虑地域气候、建筑物类型、以及冷热负荷平衡等各种因素。任何一种空调技术包括地源热泵技术都有其使用条件与应用范围，不可能也不应该包打天下，地埋管地源热泵技术具有更强的区域性与建筑条件的适宜性。地埋管地源热泵系统的合理应用在很大程度上依赖于地埋管换热器的优化设计。因此分析地埋管换热器常见的设计问题并给出应对措施，十分必要。

    1、竖直地埋管间距与地埋管量

    设计中常常会遇到地埋管空间有限，常见做法是减少地埋管间距或竖直地埋管由单U改为双U，以增加竖直地埋管量和地下热交换能力。毋庸置疑，这种做法，对加大地埋管群的换热强度（功率）有利。但对岩土蓄热体大小和地下冷热负荷不平衡度几乎不产生影响，反而将减少单位地埋管孔深所拥有的蓄热体。如地埋管间距由5m改为3.5m，则单位孔深的体积由25m3减少为12.25m3，缩小了1倍多。这对首个运行季节非常不利。有可能造成地埋管地源热泵系统首个运行季节的中、后期低效甚至无法正常运行。靠减少地埋管间距，增加地埋管量以满足换热量需要的方法常常不可取。对中、大型地埋管地源热泵系统，靠单纯的增加地埋管量减弱冷热负荷不平衡度，效果也并不明显。

    可行的设计方案：一是调整地埋管换热器的运行参数，使其提取与释放热量能力与建筑冷热负荷基本匹配；二是设置调峰冷热源，降低峰值负荷对地埋管换热器的过度要求。这些都应进行经济技术比较。

    2、地埋管每延米换热量与作用

    工程上地埋管换热器的设计计算多以每延米换热量为依据进行钻孔数量的设计。通常是利用热响应测试方法，对地埋管换热器进行吸放热实验，按设定的运行工况，系统运行数十小时后，计算得到的地埋管换热器的平均取热量和散热量即作为该工程地埋管换热器的设计取热量和散热量。实际上，地埋管换热器的设计埋管容量应综合考虑地域气候、建筑物类型、冷热负荷均衡性、钻孔几何参数、布置形式等多种因素的影响。同时系统的短期或长期运行，间歇或持续运行等不同工况也对地埋管换热器的设计有很大的影响。竖直埋管在岩土体内的吸/放热过程是一个长期的持续的非稳态传热过程，通常在数年或数十年之后才能达到一个近似的稳态传热过程。同时换热器的负荷也是逐时变化的，因此地埋管换热器的每延米换热量是一个随时间变化的变量。仅仅根据数十小时的吸放热实验来确定地埋管换热器的实际换热能力是不科学的。

    以某一住宅建筑为例，空调总冷负荷约为338kW，总热负荷约为262kW；其中年累计采暖热负荷约为227.9MWh，年累计空调冷负荷为85.6MWh。过渡季节地源热泵系统停止运行，该系统属于全年间歇性运行，热负荷占优的系统。

图1 地埋管换热器运行第一年的温度场模拟曲线

                  图2 地埋管换热器运行10年的温度场模拟曲线

    图1模拟了系统运行第一年内全年逐时循环液的进出地埋管换热器的温度以及钻孔壁温度和周边岩土体（距离钻孔群5m远处）温度的变化曲线。由图可以看出虽然建筑的全年累积冷负荷要小于热负荷，但是岩土体的温度在经过一年的运行之后变化不大，平均温度仅仅降低了0.1℃。按照第一年设计的埋管容量来模拟系统运行10年的循环液温度及岩土体温度的变化，可以看出，经过10年的运行，地埋管周围岩土体的温度降低了2℃。这说明该系统在长期运行工况下，地埋管的吸热量大于放热量，地下逐年堆积的冷效应会显著降低冬季的换热效率。但在系统运行第五年时，进入地下的循环液温度已接近0度，已无法满足设计要求。

    实际上，地埋管换热器的设计计算应根据全年建筑冷热负荷，在保证系统运行年限内热泵进出口水温维持在设计允许范围之内的前提下，计算所需要的地埋管换热器的埋管长度及钻孔布置形式，及参数。由上图分析可知，要保证系统在设计年限内（如20年）能满足建筑负荷要求及热泵进出口温度要求，则必须进行数十年的运行模拟设计计算。

    3、复合与单纯地源热泵系统

    地埋管换热器在全年冷热负荷均衡的建筑物中可以充分发挥大地储能的作用，具有较高的运行效率。因此，地埋管换热器容量的设计应综合考虑全年冷热负荷的影响。对于地下埋管年累积吸热量与年累积释热量相差不大的工程，应通过专用软件计算冬季与夏季所需的换热器的长度，取其不利工况下的钻孔长度为地埋管换热器的设计容量。对于地埋管全年冷热负荷相差较大的建筑，至少应进行详细的至少两个方案以上的对比论证，以及经济技术分析，决定采用何种冷热源辅助的复合式地源热泵系统。

    对于冷负荷占优的建筑，可以利用的辅助冷却源有：冷却塔散热系统、地表水、空气源、以及其他各种形式可利用的废水源；其中，冷却塔辅助的地源热泵复合系统是目前工程上应用最多，技术上可靠，经济较合理的复合式系统。

    采用冷却塔水冷却系统所需的单位冷却负荷初投资，远低于地下埋管换热器冷却。因此采用冷却塔辅助冷却的地源热泵系统，可有效降低系统初投资，且冷却塔承担的冷负荷越多，系统的初投资越小。但辅助冷却塔辅助散热的地源热泵复合系统，其运行与维修费用要略高于地源热泵空调系统，且冷却塔占的负荷比例越大，年经营成本越高。因此在确定冷却塔的冷却容量时，应兼顾投资与运行费用两要素，同时应掌握两个原则：一是以能够满足地埋管换热器全年的冷热负荷基本平衡为前提。用冷却塔负担多余的冷却负荷，即冷却塔的散热容量（能力）应能满足多余冷却负荷的需要；二是将冷却负荷分为两部分，一部分为变化缓慢的空调房间围护结构的基本负荷，另一部分为空调房间人体、照明及辐射等变化较大的内外热源引起的峰值负荷。由地埋管换热器承担前者，辅助冷却塔承担后者。因为变化缓慢、基本恒定的冷、热负荷更适合地埋管换热器的热交换特点。

    当考虑采用冷却塔与地埋管换热器交替冷却的运行模式时，冷却塔的容量应按空调建筑的设计冷负荷确定。实际上，仅从费用上考虑，冷却塔容量的大小对地源热泵空调系统的总投资影响很小。因此，在条件许可的情况下，按空调建筑的设计冷负荷确定冷却塔的容量，将为地源热泵复合系统运行模式的选择及合理安排冷却塔的运行时段，提供便利条件。这不失为一种安全可靠的可选方案。

    当冷却塔仅作为辅助冷却源来承担建筑物多余的冷负荷时，冷却塔的容量应经过详细的计算与分析后确定^[1，2] 。美国的ASHRAE与Kavanaugh分别对复合地源热泵系统的设计提出了适用于工程的简化计算方法，即首先按夏季与冬季的负荷（设计峰值负荷或年累积负荷）分别计算出所需的埋管长度，然后根据埋管长度的差值，利用热平衡估算冷却塔的设计容量，最后根据冷却塔的冷却能力与全年冷热负荷的差值来近似估算冷却塔的运行时间。实际上，冷却塔容量的精确计算是一个极其复杂的过程，它不仅与建筑的负荷特性、地埋管的尺寸有关,而且还与冷却塔的控制策略与开启时间紧密相连。理想的设计计算方法，应采用专业的地源热泵设计模拟软件首先对地埋管换热器进行全年动态模拟，根据模拟的结果分析地埋管的不平衡率，然后引入优化算法，采用最优的控制策略，来确定地埋管与冷却塔最佳的匹配尺寸，使复合系统的寿命周期费用最低。

    冷却塔辅助的地源热泵复合系统的经济性在很大程度上取决于系统采用何种控制策略，如冷却塔的启停控制，运行时间，以及冷却塔与地埋管的运行模式。控制策略的确定应综合考虑复合系统中的各个影响因素，如负荷特性，地埋管热平衡问题，机组的运行效率，以及室外气象条件等。许多研究结果表明，在综合考虑土壤温度场恢复，系统运行效率等各因素之后，采用湿球温差控制冷却塔开启的控制方式为最经济的一种控制策略，该结论还有待于进一步的实验验证^[3,4,5] 。

    为了解决北方建筑热负荷大冷负荷小造成的地埋管换热能力不足的问题，也可以采用燃气锅炉辅助的地源热泵复合系统，夏季制冷全部由地埋管承担，冬季制热则由地源热泵承担大部分的热负荷，锅炉承担额外的热负荷。燃气锅炉的效率较高，自动控制比较灵活，初投资也较低，因此在有燃气管网的地方，可以考虑将燃气锅炉作为地源热泵的辅助加热设备。但需要注意燃气锅炉提供相同的供热量所需的运行费用比地源热泵系统高很多。因此通常只在供暖期的极端气候条件下启动燃气锅炉作为调峰用。增设的燃气锅炉只是用于补充地埋管换热器能力的不足，可以通过燃气锅炉将循环水加热到10-15℃，作为热泵的低温热源，这样不仅减少了燃气锅炉的容量与使用时间，降低了消耗的燃料，同时也最大程度地利用了热泵这一节能环保技术在供热中的应用。增设的辅助热源的容量及运行模式的确定，应经过详细的计算与分析后确定。

    北京某一住宅小区采用了地埋管换热器和辅助冷热源组成的地源热泵复合系统^[6] 。设计方案以地埋管换热器作为全年冷热源主体，夏季采用湖水辅助散热，冬季采用燃气锅炉辅助加热，见图3。该项目充分利用建筑物周边空地设置埋管，同时通过优化设计设置辅助散热和加热系统满足供热和制冷的峰值负荷，达到了节约土地、降低初投资、提高系统性能与可靠性的目的。这种复合系统非常适合于用地紧张的项目中推广应用。

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