豎直地埋管換熱器設計及系統(tǒng)優(yōu)化
刁乃仁1,2,3 崔萍1，2方肇洪1,2,3
1. 山東建筑大學省部共建教育部可再生能源建筑利用技術重點實驗室；
2. 山東建筑大學山東省建筑節(jié)能技術重點實驗室；
3.山東中瑞新能源科技有限公司 濟南
摘要：針對地源熱泵地埋管換熱器設計現(xiàn)狀與問題，提出了豎直地埋管換熱器設計及系統(tǒng)優(yōu)化方法，從地埋管換熱器結構、地埋管換熱器運行參數(shù)、地埋管換熱器水系統(tǒng)及地源熱泵系統(tǒng)等方面，進行了系統(tǒng)分析，給出了地埋管換熱器設計及系統(tǒng)優(yōu)化的具體實施方案。
關鍵詞：地埋管換熱器，設計優(yōu)化，可利用溫差。
前言
與傳統(tǒng)的換熱器一樣，地埋管換熱器的傳熱計算也有兩種類型，即設計計算和校核計算。設計計算的目的是根據(jù)熱交換的負荷和循環(huán)液進出口溫度的要求，確定所需要的地埋管換熱器的型式，求出換熱器的面積（或埋管長度）及換熱器的結構（布置形式）參數(shù)。校核計算的目的則是根據(jù)現(xiàn)有的換熱器結構參數(shù)和面積，校核它是否能滿足預定的換熱要求，一般是校核循環(huán)液的出口溫度和換熱量。另一方面，地源熱泵系統(tǒng)中采用的地埋管換熱器，與工程中通常遇到的換熱器不同，它不是兩種流體之間的換熱，而是埋管中的流體與固體（地層）的換熱。這種換熱過程涉及的物理模型很復雜，涉及的因素也很多。如豎直埋管與土壤在短期和長期工況下的非穩(wěn)態(tài)換熱、地埋管群之間的相互影響及地下水滲流的影響等；換熱器形式多種多樣；地層結構及其熱物性千差萬別；換熱器的負荷隨時間變化等。因此地埋管換熱器的傳熱計算與傳統(tǒng)換熱器相比，也有著顯著的不同。
首先地埋管換熱器的傳熱系數(shù)和傳熱溫差（循環(huán)液的平均溫度與其周圍巖土溫度的差）是隨時間和空間而變化的；其次換熱器的結構布置和換熱負荷對熱交換能力有明顯影響；再次在換熱量一定時，循環(huán)液進出口溫度的設定，對地埋管換熱器面積、熱泵機組的性能系數(shù)及換熱能力有很大影響。還有熱泵機組的性能也影響著地埋管換熱器的計算。因此，地埋管換熱器的設計與系統(tǒng)優(yōu)化比傳統(tǒng)的換熱器要復雜得多。
1. 地埋管換熱器結構
單U與雙U ：工程上常用的豎直U型埋管換熱器按管子結構可分為單U和雙U兩種。如圖1所示。單U或雙U埋管，僅改變了鉆孔內傳熱熱阻的大小，對鉆孔外巖土層熱阻大小或絕對值沒有影響。但能夠影響二者的相對大小。在管內流量相同時，雙U型埋管換熱器鉆孔內熱阻比單U型埋管換熱器鉆孔內熱阻小約30%左右，但雙U型埋管與單U型埋管相比單位孔深換熱量大約提高7%~20%，該數(shù)值也取決于鉆孔外巖土的導熱熱阻與鉆孔內熱阻的相對比值。因此在相同的冷熱負荷需求的情況下，雙U型管換熱器需要的鉆孔長度較少，但同時系統(tǒng)所需的管材將增大。一般來說，工程所處的地質條件，即鉆孔費用，在很大程度上決定了二者的經濟性。實際工程中鉆孔難度較大，地埋管空間較小時，宜采用雙U型埋管，以減少地埋管鉆孔數(shù)量；反之鉆孔成本較低，地埋管空間較充足時，宜采用單U型埋管。
U型支管間距：在豎直U型埋管換熱器中，鉆孔孔徑通常為110mm～150mm，在這樣一個狹小的空間內，支管間必然發(fā)生熱回流現(xiàn)象，對實際的換熱效果將產生一定的影響。影響U型埋管支管間熱量回流的主要因素是兩支管間的間距和回填材料的導熱系數(shù)。顯然，支管間距越小或回填材料導熱系數(shù)越大，熱量回流越大。但二者對地埋管換熱器設計容量的影響并不一致。相同負荷下，支管間距小，所需的地埋管換熱器容量大。回填材料導熱系數(shù)大，一方面增加了兩支管間的熱量回流，另一方面，也強化了U型管與土壤間的傳熱。而后者是影響地埋管換熱器設計容量的主要因素。
注：本文為《地源熱泵》“本期專題”連載內容，謝絕轉載。如果您對地埋管換熱器方面有任何問題，歡迎來電或給我們發(fā)送電子郵件，我們將選擇部分典型問題擇期在《地源熱泵》雜志上統(tǒng)一刊登和解答。
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