東北及華北地區(qū)地埋管換熱器冬、夏季換熱量的探討

雷艷杰  北京匯合新能源科技有限公司

摘  要：隨著地源熱泵系統(tǒng)在我國東北及華北地區(qū)的推廣，地埋管換熱器在這一地區(qū)冬、夏季的換熱取值問題成為暖通設(shè)計人員遇到的難點之一。本文論述了這些地區(qū)的垂直式土壤熱交換器系統(tǒng)在夏季和冬季換熱能力的差異及設(shè)計參考值，希望為今后地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：地源熱泵，放熱能力，吸熱能力，土壤熱交換器，換熱量

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、 地源熱泵系統(tǒng)簡介

    地源熱泵技術(shù)通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位的轉(zhuǎn)移。地下淺層巖土分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在冬季，把地下淺層巖土中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到巖土中去。
    地源熱泵系統(tǒng)在國外已有近百年的發(fā)展歷史。自1997年11月《中美能源效率和可再生能源技術(shù)的發(fā)展與利用領(lǐng)域合作議定書》簽署之日起，地源熱泵技術(shù)走進了中國。由于采用了特殊的換熱方式，使它具有高效、節(jié)能，環(huán)保、無污染，運行維護費用低，控制簡單，運行靈活，系統(tǒng)可靠性強，使用壽命長，一機多用，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。在近10年中，這種綠色能源技術(shù)在中國迅速發(fā)展起來1。尤其在東北及華北地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)在極端氣候條件下仍能保持較高的性能系數(shù)，不存在冬季除霜問題；在這些地區(qū)大力發(fā)展地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，將改善當?shù)厝嗣竦木幼岘h(huán)境、為國家減少大量的建筑能耗。

二、結(jié)合某培訓(xùn)中心工程實例，分析東北及華北地區(qū)冬、夏季地埋管的換熱特點：

1、工程概況
    某培訓(xùn)中心位于沈陽市，占地面積為92733 m2，學校由宿舍區(qū)、教學區(qū)、運動場三大塊組成。電教樓、圖書館，建筑面積為2870 ㎡，空調(diào)冷負荷為：280KW，空調(diào)熱負荷為：343.48KW?？紤]到換熱能力和占用土地面積的因素，空調(diào)系統(tǒng)冷熱源選擇采用垂直式土壤熱交換器系統(tǒng)。

圖1 工程圖片

2、地埋管換熱試驗
    因為埋管換熱器中的循環(huán)介質(zhì)與大地之間的換熱情況相當復(fù)雜，地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計難點主要集中在地下埋管換熱器方面。埋管形式、埋管間距、埋深、管徑、循環(huán)介質(zhì)流量等既是影響埋管換熱器與大地之間換熱的重要因素，又是構(gòu)成埋管換熱器具體形式的主要參數(shù)。此外，埋管地點的地質(zhì)狀況、氣候特征、建筑物的負荷變化狀況也都影響著換熱器的換熱。
    在沈陽地區(qū)，地表淺層土壤溫度呈三層分布，地表凍土層附近土壤溫度受室外大氣影響，溫度全年波動大；凍土層以下有一恒溫層，溫度全年基本不變；恒溫層以下到地殼深處有一定的正溫度梯度，土壤溫度隨深度緩慢上升。
    地下巖土的溫度場有如下兩個主要特點：第一，達到一定深度后溫度基本上常年保持一個定值，這個值接近該地區(qū)的年平均氣溫；第二是在地表以下一定范圍內(nèi)溫度呈周期性變化，但波動幅度小于氣溫的波幅，而且存在時間上的延遲，隨著深度的增加波幅減小，延遲度增大。沈陽地區(qū)，在地下10m處溫度波動已經(jīng)小于1℃，且溫度的最高值出現(xiàn)在1月份，最低值出現(xiàn)在7月份。這兩點都有利于熱泵系統(tǒng)工作能效比的提高2。
    換熱能力指的是單位管長或單位豎埋管深度的換熱量，是地埋管換熱器設(shè)計中最重要的設(shè)計參數(shù)，根據(jù)它才能確定所需的埋管長度和豎孔總深度。一般可參照已有的類似工程所取得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗值豎埋管的單位深度換熱量70~110W/m之間。當時國內(nèi)在東北地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)并沒有類似項目可以參考，我們?nèi)狈ι蜿柕貐^(qū)的地質(zhì)資料，為更準確的做好該項目垂直式土壤熱交換器的計算工作，確保示范工程的效果，我們與天津大學開展了技術(shù)交流與合作，針對沈陽的地質(zhì)情況，采用專門制作的一套測試設(shè)備，在室外換熱器的具體地點做實際地埋孔的勘探測試，以獲取計算的必要數(shù)據(jù)。

測試設(shè)備系統(tǒng)原理圖：

 1）測試前
現(xiàn)場條件：（測試設(shè)備到場前提供到位）：
（1）交流電源：AC 220v，需承受功率 5kW，故電源線徑要求為4～6mm2。
（2）萬用表：為了確保設(shè)備正常、穩(wěn)定運行，設(shè)備儀器連接前必須用萬用表進行檢測。
（3）熱熔器：管件連接器具。
（4）DN32連接管：用于連接地埋管與儀器軟管。
（5）管材：PE80系列De32管材；單U頭和雙U頭各一個。
（6）根據(jù)測試地點環(huán)境、天氣情況，做好防雨、防曬等工作。
（7）記錄及操作人員到位。
施工準備：
（1） 按照設(shè)計鉆孔。（表一）

（2） 按要求把雙U和單U型換熱管（PE80系列管材）放入鉆好的孔中。
（3） 在放好換熱管的孔中回填填料，并將換熱管中充滿水。
（4） 保證換熱管內(nèi)充滿水，封閉管口，按規(guī)范做好試壓、保壓，鉆孔完成后需晾孔3天再進行測試。
（5） 測試設(shè)備提供到位后，將整個系統(tǒng)按照規(guī)范調(diào)試運行。
（6） 測試前讓換熱管中水循環(huán)流動60分鐘以上。
2）測試過程：
按照夏季放熱、冬季取熱兩種情況分別試驗，根據(jù)單U形管、雙U形管和水流量變化的不同工況進行了測試，根據(jù)熱力學公式（吸、放熱量-KW=水的比熱-4.1868kj/kg.℃*水流量-kg/s*U型管進出水溫差-℃）進行必要計算。
（1）夏季放熱工況：將水箱中的水（10℃）加滿，將水泵1打開，風冷熱泵機組產(chǎn)生熱水，把水箱中的水加熱到35℃（30℃）時，水泵2打開，將35℃（30℃）的水充注到地埋管換熱器中，使系統(tǒng)運行。在運行期間分別測量單U和雙U系統(tǒng)進水管溫度、出水管溫度、水流量的大小，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出單米孔深放熱量，列于表二中。
（2）冬季吸熱工況：將水箱中的水（10℃）加滿，將水泵1打開，風冷熱泵機組產(chǎn)生冷水，把水箱中的水降到3℃（5℃）時，水泵2打開，將3℃（5℃）的水充注到地埋管換熱器中，使系統(tǒng)運行。在運行期間分別測量單U和雙U系統(tǒng)進水管溫度、出水管溫度、水流量的大小，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出單米孔深吸熱量，列于表三中。
3）測試結(jié)果：
（1） 土壤初始狀態(tài)下遠端巖土溫度：14℃
（2） 巖土層取樣分析報告：0~10m為砂質(zhì)粘土，10m以下為卵石層，含有豐富的流動地下水。
（3） 建筑物負荷全年（12 個月）動態(tài)負荷：充分考慮動態(tài)負荷對換熱效果的影響，由土層取樣分析報告可知，10m以下含有豐富的流動地下水，所以不考慮熱平衡的問題。
（4） 放熱量和吸熱量的表格：

冬天吸熱試驗W/m 

 用圖如下表示：

4）根據(jù)測試結(jié)果對中央空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計：
（1）夏天放熱能力明顯優(yōu)于冬季取熱，所以在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，換熱量計算只以冬季取熱為計算條件，即可滿足全年運行要求。因為10m以下為流動地下水，所以放出的熱量將被帶走，無需考慮熱積累對系統(tǒng)長期運行的影響。
（2）雙U型垂直地埋管換熱器的放熱量是單U型放熱量的1.2倍，可減少打孔16.7％。雙U是單U吸熱量的1.26倍，可減少打孔20％。
（3）根據(jù)PE管材的耐壓范圍，最大限度的利用場地資源，孔深為84米，實際埋管深度80米。
（4）最后，在測試的基礎(chǔ)上，建設(shè)方確定電教樓和圖書館采用垂直式雙U形管土壤熱交換器系統(tǒng)?？照{(diào)冷負荷為：280KW，空調(diào)熱負荷為：343.48KW。地埋管系統(tǒng)的吸熱功率大約為257.61KW（空調(diào)熱量*0.75），每米孔吸熱量為53.2W/m，每孔吸熱量4.256KW，共需60個孔。

                    上圖為某培訓(xùn)中心的室外地埋孔平面布置圖

3、工程項目的施工情況：

施工現(xiàn)場圖片：

    施工工序：放線、打孔→下管→水平埋管施工放線、鉆孔：將設(shè)計圖紙上垂直地埋管換熱器的鉆孔位置逐一落實到施工現(xiàn)場。孔徑（以能夠較容易的插入所設(shè)計的U型管及灌漿管為準）為120mm。鉆孔分為四排，每排25個孔。本工程設(shè)計選用PE80系列管材，雙U型管外徑為32mm，橫聯(lián)管外徑為40~200mm3、4。
鉆孔是垂直地埋管換熱器施工中最重要的工序。鉆孔機械采用中淺孔巖芯鉆機，以電動機作為動力。鉆孔過程中產(chǎn)生的泥漿水從鉆孔位置冒出地面，順地勢挖出排水溝，并在溝的末端挖一個泥漿池，沉淀后將其清運出場地。注意在放置鉆機的位置不能開挖排水溝或連接各個豎埋管的水平管管溝。須由有經(jīng)驗的施工隊完成鉆孔工作。
    下管：鉆孔完畢后孔洞內(nèi)有大量積水，由于水的浮力影響，將對放管造成一定的困難，而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙積沉會減小孔洞的有效深度，所以，每鉆完一個孔，應(yīng)接著下管。下管前應(yīng)對U型管進行試壓、沖洗，然后將U型管兩端密封，以防雜物進入。將灌漿管與U型管捆綁在一起，捆綁要疏密適中，下管是將三根管一起插入孔中，直至孔底。U型管的長度應(yīng)比孔深略長，使其能夠露出地面。下管完成后，做第二次水壓試驗。確認U型管無滲漏后，方可封孔。封孔材料對地熱換熱器的傳熱效能有較大影響3、4。
    水平埋管施工：在施工前對場地進行清理、放線。管溝采用局部溝槽開挖方法，用人工進行。在土壤結(jié)構(gòu)松散、易垮塌的地方，如果場地允許，經(jīng)比較后可整體開挖。預(yù)先將每個管溝的換熱器單元制作好，溝槽挖好經(jīng)尺寸檢查合格后，按順序一次性進行換熱器水平埋管的安裝。并且用管卡固定每個管道的安裝位置，使之與設(shè)計相符。
    經(jīng)試壓合格后進行回填。在回填過程中，在每根盤管的周圍鋪設(shè)50-100mm厚的沙層，使管道與大地之間結(jié)合緊密，提高傳熱效果。灌水之前進行清洗和排污。在水平埋管與機房管路連接完畢后進行第四次水壓試驗。本工程的室外地埋換熱器安裝于2003年7月工程開工，2003年9月完成地埋換熱器施工，10月完成空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)試。

4、運行后的數(shù)據(jù)分析
    設(shè)備投入使用后，運行良好，客戶非常滿意。我公司技術(shù)服務(wù)人員記錄了一年內(nèi)的設(shè)備運行時地埋管進出水溫度、流量數(shù)據(jù)，從中截取了部分典型數(shù)據(jù)進行分析并計算吸、放熱量，數(shù)據(jù)如下表五、表六：

    由以上換熱實驗和運行數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：在沈陽地區(qū)，以供暖為主，制冷為輔。其夏季的放熱能力大于冬季的吸熱能力，與常規(guī)的經(jīng)驗數(shù)值有一定出入，主要在于經(jīng)驗數(shù)值未分季節(jié)，采用同一標準，導(dǎo)致經(jīng)驗數(shù)值在沈陽地區(qū)會和實際工況有偏離。其供水、回水的溫度對換熱能力也有一定影響。根據(jù)表五、表六算出系統(tǒng)運行過程中每米孔深換熱量的平均值如表七所示：
根據(jù)表五、表六算出系統(tǒng)運行過程中每米孔深換熱量的平均值如表七所示：

三、東北及華北地區(qū)的部分項目數(shù)據(jù)列舉（表八）

四、結(jié)論

    由列舉項目的數(shù)據(jù)可以看出，東北及華北地區(qū)吸、放熱能力基本與本文所得數(shù)據(jù)相近，屬于正常波動范圍內(nèi)，據(jù)此可以得出結(jié)論：
1、從表七中數(shù)據(jù)可以看出換熱能力和地埋管的進水溫度、水流量關(guān)系很密切，進水溫度和大地溫度相差大時，換熱能力就大；相同進水溫度下，水流量越大，流速越大，水流越紊亂，換熱能力越強。這點應(yīng)引起設(shè)計人員的注意，選擇合適的進水溫度和水流量。表七中的數(shù)據(jù)可以作為以后設(shè)計東北及華北地區(qū)地源熱泵垂直式土壤熱交換器系統(tǒng)每米孔深放熱量和吸熱量的參考依據(jù)。在此地區(qū)進行設(shè)計時，一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)的應(yīng)用要慎重，主要考慮其地域特點。
2、從表中數(shù)據(jù)可以看出，東北及華北地區(qū)夏天地埋管系統(tǒng)的放熱量大約是冬天吸熱量的一倍，所以需要對此地區(qū)的垂直式土壤熱交換器空調(diào)系統(tǒng)做全年的土壤熱平衡性分析，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和平衡性。

    換熱能力是設(shè)計工作的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計工作關(guān)系到系統(tǒng)的性能及經(jīng)濟性。本文主要介紹了東北及華北地區(qū)地埋管系統(tǒng)的換熱量特點及冬、夏季換熱量的參考數(shù)值，供這些地區(qū)的設(shè)計人員參考，以期推動環(huán)保節(jié)能的地源熱泵系統(tǒng)在東北及華北地區(qū)的發(fā)展。

注：《地源熱泵》雜志專稿，轉(zhuǎn)載，請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”。