豎直地埋管換熱器常見設(shè)計(jì)問題分析

刁乃仁1,2,3  崔萍1，2方肇洪1,2,3

1. 山東建筑大學(xué)省部共建教育部可再生能源建筑利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；
2. 山東建筑大學(xué)山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；
3.山東中瑞新能源科技有限公司  濟(jì)南

   摘要：針對地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算中存在的認(rèn)識誤區(qū)以及常見問題，分析導(dǎo)致問題出現(xiàn)的原因，對地埋管間距與埋管容量關(guān)系、每延米換熱量及其作用、復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行策略、設(shè)定循環(huán)液的最高與最低溫度以及如何合理選擇循環(huán)液流量及流速等設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，給出應(yīng)對措施及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

   關(guān)鍵詞：地埋管換熱器，設(shè)計(jì)計(jì)算，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)

   0.前言

    地埋管熱泵發(fā)尤其是豎直埋管的地埋管熱泵技術(shù)已經(jīng)在我國得到了快速發(fā)展，地源熱泵市場也在日益擴(kuò)張，然而隨著越來越多的地源熱泵系統(tǒng)的建成，不少系統(tǒng)在運(yùn)行中也暴露出這樣或那樣的問題，例如有的地埋管熱泵工程運(yùn)行效率低下，經(jīng)測試能效比甚至低于傳統(tǒng)的水冷或風(fēng)冷熱泵機(jī)組；有的新建地埋管熱泵系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這些問題的出現(xiàn)主要原因有三個(gè)：一是地埋管換熱器的設(shè)計(jì)存在問題；其次是施工與管理過程不到位；再次系統(tǒng)運(yùn)行管理不夠?qū)I(yè)。據(jù)實(shí)際工程的不完全調(diào)查，許多項(xiàng)目的地埋管設(shè)計(jì)直接以經(jīng)驗(yàn)估算，如以每米鉆孔換熱量指標(biāo)為施工圖設(shè)計(jì)依據(jù)，由此導(dǎo)致地埋管換熱器設(shè)計(jì)尺寸偏大，初投資增高或者設(shè)計(jì)尺寸偏小系統(tǒng)運(yùn)行不可靠等問題。

    實(shí)際上，地埋管換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮地域氣候、建筑物類型、以及冷熱負(fù)荷平衡等各種因素。任何一種空調(diào)技術(shù)包括地源熱泵技術(shù)都有其使用條件與應(yīng)用范圍，不可能也不應(yīng)該包打天下，地埋管地源熱泵技術(shù)具有更強(qiáng)的區(qū)域性與建筑條件的適宜性。地埋管地源熱泵系統(tǒng)的合理應(yīng)用在很大程度上依賴于地埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此分析地埋管換熱器常見的設(shè)計(jì)問題并給出應(yīng)對措施，十分必要。

    1、豎直地埋管間距與地埋管量

    設(shè)計(jì)中常常會遇到地埋管空間有限，常見做法是減少地埋管間距或豎直地埋管由單U改為雙U，以增加豎直地埋管量和地下熱交換能力。毋庸置疑，這種做法，對加大地埋管群的換熱強(qiáng)度（功率）有利。但對巖土蓄熱體大小和地下冷熱負(fù)荷不平衡度幾乎不產(chǎn)生影響，反而將減少單位地埋管孔深所擁有的蓄熱體。如地埋管間距由5m改為3.5m，則單位孔深的體積由25m3減少為12.25m3，縮小了1倍多。這對首個(gè)運(yùn)行季節(jié)非常不利。有可能造成地埋管地源熱泵系統(tǒng)首個(gè)運(yùn)行季節(jié)的中、后期低效甚至無法正常運(yùn)行?？繙p少地埋管間距，增加地埋管量以滿足換熱量需要的方法常常不可取。對中、大型地埋管地源熱泵系統(tǒng)，靠單純的增加地埋管量減弱冷熱負(fù)荷不平衡度，效果也并不明顯。

    可行的設(shè)計(jì)方案：一是調(diào)整地埋管換熱器的運(yùn)行參數(shù)，使其提取與釋放熱量能力與建筑冷熱負(fù)荷基本匹配；二是設(shè)置調(diào)峰冷熱源，降低峰值負(fù)荷對地埋管換熱器的過度要求。這些都應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。

    2、地埋管每延米換熱量與作用

    工程上地埋管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算多以每延米換熱量為依據(jù)進(jìn)行鉆孔數(shù)量的設(shè)計(jì)。通常是利用熱響應(yīng)測試方法，對地埋管換熱器進(jìn)行吸放熱實(shí)驗(yàn)，按設(shè)定的運(yùn)行工況，系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)十小時(shí)后，計(jì)算得到的地埋管換熱器的平均取熱量和散熱量即作為該工程地埋管換熱器的設(shè)計(jì)取熱量和散熱量。實(shí)際上，地埋管換熱器的設(shè)計(jì)埋管容量應(yīng)綜合考慮地域氣候、建筑物類型、冷熱負(fù)荷均衡性、鉆孔幾何參數(shù)、布置形式等多種因素的影響。同時(shí)系統(tǒng)的短期或長期運(yùn)行，間歇或持續(xù)運(yùn)行等不同工況也對地埋管換熱器的設(shè)計(jì)有很大的影響。豎直埋管在巖土體內(nèi)的吸/放熱過程是一個(gè)長期的持續(xù)的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，通常在數(shù)年或數(shù)十年之后才能達(dá)到一個(gè)近似的穩(wěn)態(tài)傳熱過程。同時(shí)換熱器的負(fù)荷也是逐時(shí)變化的，因此地埋管換熱器的每延米換熱量是一個(gè)隨時(shí)間變化的變量。僅僅根據(jù)數(shù)十小時(shí)的吸放熱實(shí)驗(yàn)來確定地埋管換熱器的實(shí)際換熱能力是不科學(xué)的。

    以某一住宅建筑為例，空調(diào)總冷負(fù)荷約為338kW，總熱負(fù)荷約為262kW；其中年累計(jì)采暖熱負(fù)荷約為227.9MWh，年累計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷為85.6MWh。過渡季節(jié)地源熱泵系統(tǒng)停止運(yùn)行，該系統(tǒng)屬于全年間歇性運(yùn)行，熱負(fù)荷占優(yōu)的系統(tǒng)。

圖1 地埋管換熱器運(yùn)行第一年的溫度場模擬曲線

                  圖2 地埋管換熱器運(yùn)行10年的溫度場模擬曲線

    圖1模擬了系統(tǒng)運(yùn)行第一年內(nèi)全年逐時(shí)循環(huán)液的進(jìn)出地埋管換熱器的溫度以及鉆孔壁溫度和周邊巖土體（距離鉆孔群5m遠(yuǎn)處）溫度的變化曲線。由圖可以看出雖然建筑的全年累積冷負(fù)荷要小于熱負(fù)荷，但是巖土體的溫度在經(jīng)過一年的運(yùn)行之后變化不大，平均溫度僅僅降低了0.1℃。按照第一年設(shè)計(jì)的埋管容量來模擬系統(tǒng)運(yùn)行10年的循環(huán)液溫度及巖土體溫度的變化，可以看出，經(jīng)過10年的運(yùn)行，地埋管周圍巖土體的溫度降低了2℃。這說明該系統(tǒng)在長期運(yùn)行工況下，地埋管的吸熱量大于放熱量，地下逐年堆積的冷效應(yīng)會顯著降低冬季的換熱效率。但在系統(tǒng)運(yùn)行第五年時(shí)，進(jìn)入地下的循環(huán)液溫度已接近0度，已無法滿足設(shè)計(jì)要求。

    實(shí)際上，地埋管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)根據(jù)全年建筑冷熱負(fù)荷，在保證系統(tǒng)運(yùn)行年限內(nèi)熱泵進(jìn)出口水溫維持在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)的前提下，計(jì)算所需要的地埋管換熱器的埋管長度及鉆孔布置形式，及參數(shù)。由上圖分析可知，要保證系統(tǒng)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)（如20年）能滿足建筑負(fù)荷要求及熱泵進(jìn)出口溫度要求，則必須進(jìn)行數(shù)十年的運(yùn)行模擬設(shè)計(jì)計(jì)算。

    3、復(fù)合與單純地源熱泵系統(tǒng)

    地埋管換熱器在全年冷熱負(fù)荷均衡的建筑物中可以充分發(fā)揮大地儲能的作用，具有較高的運(yùn)行效率。因此，地埋管換熱器容量的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮全年冷熱負(fù)荷的影響。對于地下埋管年累積吸熱量與年累積釋熱量相差不大的工程，應(yīng)通過專用軟件計(jì)算冬季與夏季所需的換熱器的長度，取其不利工況下的鉆孔長度為地埋管換熱器的設(shè)計(jì)容量。對于地埋管全年冷熱負(fù)荷相差較大的建筑，至少應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的至少兩個(gè)方案以上的對比論證，以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，決定采用何種冷熱源輔助的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)。

    對于冷負(fù)荷占優(yōu)的建筑，可以利用的輔助冷卻源有：冷卻塔散熱系統(tǒng)、地表水、空氣源、以及其他各種形式可利用的廢水源；其中，冷卻塔輔助的地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)是目前工程上應(yīng)用最多，技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)較合理的復(fù)合式系統(tǒng)。

    采用冷卻塔水冷卻系統(tǒng)所需的單位冷卻負(fù)荷初投資，遠(yuǎn)低于地下埋管換熱器冷卻。因此采用冷卻塔輔助冷卻的地源熱泵系統(tǒng)，可有效降低系統(tǒng)初投資，且冷卻塔承擔(dān)的冷負(fù)荷越多，系統(tǒng)的初投資越小。但輔助冷卻塔輔助散熱的地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)，其運(yùn)行與維修費(fèi)用要略高于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，且冷卻塔占的負(fù)荷比例越大，年經(jīng)營成本越高。因此在確定冷卻塔的冷卻容量時(shí)，應(yīng)兼顧投資與運(yùn)行費(fèi)用兩要素，同時(shí)應(yīng)掌握兩個(gè)原則：一是以能夠滿足地埋管換熱器全年的冷熱負(fù)荷基本平衡為前提。用冷卻塔負(fù)擔(dān)多余的冷卻負(fù)荷，即冷卻塔的散熱容量（能力）應(yīng)能滿足多余冷卻負(fù)荷的需要；二是將冷卻負(fù)荷分為兩部分，一部分為變化緩慢的空調(diào)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本負(fù)荷，另一部分為空調(diào)房間人體、照明及輻射等變化較大的內(nèi)外熱源引起的峰值負(fù)荷。由地埋管換熱器承擔(dān)前者，輔助冷卻塔承擔(dān)后者。因?yàn)樽兓徛?、基本恒定的冷、熱?fù)荷更適合地埋管換熱器的熱交換特點(diǎn)。

    當(dāng)考慮采用冷卻塔與地埋管換熱器交替冷卻的運(yùn)行模式時(shí)，冷卻塔的容量應(yīng)按空調(diào)建筑的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷確定。實(shí)際上，僅從費(fèi)用上考慮，冷卻塔容量的大小對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的總投資影響很小。因此，在條件許可的情況下，按空調(diào)建筑的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷確定冷卻塔的容量，將為地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行模式的選擇及合理安排冷卻塔的運(yùn)行時(shí)段，提供便利條件。這不失為一種安全可靠的可選方案。

    當(dāng)冷卻塔僅作為輔助冷卻源來承擔(dān)建筑物多余的冷負(fù)荷時(shí)，冷卻塔的容量應(yīng)經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算與分析后確定^[1，2] 。美國的ASHRAE與Kavanaugh分別對復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了適用于工程的簡化計(jì)算方法，即首先按夏季與冬季的負(fù)荷（設(shè)計(jì)峰值負(fù)荷或年累積負(fù)荷）分別計(jì)算出所需的埋管長度，然后根據(jù)埋管長度的差值，利用熱平衡估算冷卻塔的設(shè)計(jì)容量，最后根據(jù)冷卻塔的冷卻能力與全年冷熱負(fù)荷的差值來近似估算冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間。實(shí)際上，冷卻塔容量的精確計(jì)算是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，它不僅與建筑的負(fù)荷特性、地埋管的尺寸有關(guān),而且還與冷卻塔的控制策略與開啟時(shí)間緊密相連。理想的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，應(yīng)采用專業(yè)的地源熱泵設(shè)計(jì)模擬軟件首先對地埋管換熱器進(jìn)行全年動態(tài)模擬，根據(jù)模擬的結(jié)果分析地埋管的不平衡率，然后引入優(yōu)化算法，采用最優(yōu)的控制策略，來確定地埋管與冷卻塔最佳的匹配尺寸，使復(fù)合系統(tǒng)的壽命周期費(fèi)用最低。

    冷卻塔輔助的地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性在很大程度上取決于系統(tǒng)采用何種控制策略，如冷卻塔的啟?？刂疲\(yùn)行時(shí)間，以及冷卻塔與地埋管的運(yùn)行模式?？刂撇呗缘拇_定應(yīng)綜合考慮復(fù)合系統(tǒng)中的各個(gè)影響因素，如負(fù)荷特性，地埋管熱平衡問題，機(jī)組的運(yùn)行效率，以及室外氣象條件等。許多研究結(jié)果表明，在綜合考慮土壤溫度場恢復(fù)，系統(tǒng)運(yùn)行效率等各因素之后，采用濕球溫差控制冷卻塔開啟的控制方式為最經(jīng)濟(jì)的一種控制策略，該結(jié)論還有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證^[3,4,5] 。

    為了解決北方建筑熱負(fù)荷大冷負(fù)荷小造成的地埋管換熱能力不足的問題，也可以采用燃?xì)忮仩t輔助的地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)，夏季制冷全部由地埋管承擔(dān)，冬季制熱則由地源熱泵承擔(dān)大部分的熱負(fù)荷，鍋爐承擔(dān)額外的熱負(fù)荷。燃?xì)忮仩t的效率較高，自動控制比較靈活，初投資也較低，因此在有燃?xì)夤芫W(wǎng)的地方，可以考慮將燃?xì)忮仩t作為地源熱泵的輔助加熱設(shè)備。但需要注意燃?xì)忮仩t提供相同的供熱量所需的運(yùn)行費(fèi)用比地源熱泵系統(tǒng)高很多。因此通常只在供暖期的極端氣候條件下啟動燃?xì)忮仩t作為調(diào)峰用。增設(shè)的燃?xì)忮仩t只是用于補(bǔ)充地埋管換熱器能力的不足，可以通過燃?xì)忮仩t將循環(huán)水加熱到10-15℃，作為熱泵的低溫?zé)嵩?，這樣不僅減少了燃?xì)忮仩t的容量與使用時(shí)間，降低了消耗的燃料，同時(shí)也最大程度地利用了熱泵這一節(jié)能環(huán)保技術(shù)在供熱中的應(yīng)用。增設(shè)的輔助熱源的容量及運(yùn)行模式的確定，應(yīng)經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算與分析后確定。

    北京某一住宅小區(qū)采用了地埋管換熱器和輔助冷熱源組成的地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)^[6] 。設(shè)計(jì)方案以地埋管換熱器作為全年冷熱源主體，夏季采用湖水輔助散熱，冬季采用燃?xì)忮仩t輔助加熱，見圖3。該項(xiàng)目充分利用建筑物周邊空地設(shè)置埋管，同時(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)置輔助散熱和加熱系統(tǒng)滿足供熱和制冷的峰值負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)約土地、降低初投資、提高系統(tǒng)性能與可靠性的目的。這種復(fù)合系統(tǒng)非常適合于用地緊張的項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

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