套管換熱器的特點和優缺點（套管式地埋管換熱器換熱能力影響因素分析）

2023-09-18 18:13:55 1

1、概述

地埋管地源熱泵以大地為熱源和熱匯，通過地埋管換熱器與大地進行熱交換，為建築物供冷和供熱，具有技術經濟性好和環保的特點［1-2］。

豎直地埋管換熱器一般包括單U形、雙U形和套管式。套管式地埋管換熱器由同軸的內外管組成。循環介質流動方式分為兩種：外進內出：循環介質從外管流入、內管流出；內進外出：循環介質從內管流入、外管流出。與U形地埋管換熱器相比，套管式地埋管換熱器工作過程更複雜。胡映寧等人［3］搭建套管式地埋管換熱系統，研究流量、內外管管材及循環介質流動方式對套管式地埋管換熱器換熱能力的影響。庫美亮等人［4］通過實驗，測試分析了一種大直徑寬通道套管式地埋管換熱器的換熱性能，結果表明套管式地埋管換熱器在換熱效率上優於雙U形地埋管換熱器。Gordon等人［5］提出套管式地埋管換熱器的半解析模型，研究套管尺寸和管材對換熱的影響。本文採用模擬方法，對套管式地埋管換熱器換熱能力的影響因素進行研究。

2、數值模型

①模型

採用商業軟體TRNSYS建立套管式地埋管換熱器模型，模型每部分均為圓柱體，俯視圖（模型的50%）見圖1。參考一般地埋管換熱器的熱影響區域，熱影響半逕取3 m。套管式地埋管換熱器的外管外直徑為90 mm，壁厚為8.2 mm。內管外直徑為50 mm，壁厚為4.6 mm。內外管均為PE管。鑽孔深度100 m，鑽孔直徑為160 mm。巖土熱導率為2.1 W/（m·K），巖土單位體積熱容為1 800 kJ/（m3·K）。回填材料熱導率為2.25 W/（m·K），回填材料單位體積熱容為1 700 kJ/（m3·K），套管管壁熱導率為0.45 W/（m·K）。土壤初始溫度為19 ℃。循環介質（水）流動方式為內進外出。套管式地埋管換熱器的工作起始時間從1 h開始，結束時間為8 760 h。供暖期為1~1 536 h、7 896~8 760 h，供冷期為3 192 h~6 552 h。供暖期、供冷期以外時間，土壤溫度自然恢復。

圖1 套管式地埋管換熱器模型（50%）俯視圖

②設定與邊界條件

套管式地埋管換熱器及其周邊回填材料、巖土、循環介質等物性參數和成分保持不變，各層土壤具有同等的物性參數。外管與回填材料、回填材料與巖土間的接觸熱阻不計。地下水對套管式地埋管換熱器換熱影響不計［6-8］。除地面外，熱影響邊界及鑽孔底部均設定為土壤初始溫度。地面存在散熱損失（由軟體自行計算），地面空氣溫度為武漢地區典型年的室外空氣溫度。

③仿真模型

採用TRNSYS軟體建立套管式地埋管換熱器仿真模型，主要由套管式地埋管換熱器模塊（Type557d）、PID控制模塊（Type23）和供暖期、供冷期函數模塊（Type14k、Type14l）組成。PID控制模塊充當外部冷熱源的角色，用於控制套管式地埋管換熱器的進出口水溫。

3、換熱能力的影響因素

3.1 定進出水平均溫度

供暖期進出水平均溫度控制目標為9.5 ℃，供冷期進出水平均溫度控制目標為32.5 ℃，循環介質流體流速為0.4 m/s，地埋管初始進水溫度為20 ℃。

地埋管進出口水溫、土壤平均溫度、進出水平均溫度、取排熱流量隨時間的變化見圖2。取熱流量為正值，排熱流量為負值。供暖期進出水平均溫度首次達到9.5 ℃時，取熱流量為11.89 kW，為第14 h。隨後，取熱流量減小，土壤平均溫度下降，第1 536 h的取熱流量降至3.85 kW。供冷期進出水平均溫度首次達到32.5 ℃時，排熱流量為13.32 kW，為第3 210 h。隨後，排熱流量減小，土壤平均溫度升高，供冷期結束時（第6 552 h）的排熱流量降至4.18 kW。下1個供暖期開始後（第7 896 h），供暖期進出水平均溫度首次達到9.5 ℃時，取熱流量為13.87 kW。隨後，取熱流量減小，土壤平均溫度下降。

圖2 地埋管進出口水溫、土壤平均溫度、進出水平均溫度、取排熱流量隨時間的變化

3.2 定進水溫度

供暖期地埋管進水溫度設定為7 ℃，供冷期地埋管進水溫度設定為35 ℃。

①流速

鑽孔深度為100 m時，不同流速的最大最小取熱流量、最大最小排熱流量見表1。由表1可知，鑽孔深度一定時，循環介質流速越大，套管式地埋管換熱器的換熱能力越強。循環介質流速由0.2 m/s增至0.7 m/s，最大取排熱流量增幅達到45%，而最小取排熱流量增幅僅為12%~15%。由模擬結果可知，在取熱、排熱末期，土壤內冷熱聚集達到最大，即使增大循環介質流速，對提高取排熱流量的幫助也不明顯。

表1 鑽孔深度為100 m時不同流速的最大最小取熱流量、最大最小排熱流量

②鑽孔深度

循環介質流速為0.4 m/s時，不同鑽孔深度的最大最小取熱流量、最大最小排熱流量見表2。由表2可知，循環介質流速一定時，鑽孔深度越大套管式地埋管換熱器的換熱能力越強，這與參與換熱的套管面積有關。鑽孔深度由90 m增至120 m，最大、最小取熱量分別增加25.0%、27.5%，最大、最小排熱量分別增加20.6%、19.9%。

表2 流速為0.4 m/s時不同鑽孔深度的最大最小取熱流量、最大最小排熱流量

4、結論

①定進出水平均溫度條件下：供暖期進出水平均溫度首次達到9.5 ℃時，取熱流量為11.89 kW，為第14 h。隨後，取熱流量減小，土壤平均溫度下降，第1 536 h的取熱流量降至3.85 kW。供冷期進出水平均溫度首次達到32.5 ℃時，排熱流量為13.32 kW，為第3 210 h。隨後，排熱流量減小，土壤平均溫度升高，供冷期結束時（第6 552 h）的排熱流量降至4.18 kW。下1個供暖期開始後（第7 896 h），供暖期進出水平均溫度首次達到9.5 ℃時，取熱流量為13.87 kW。隨後，取熱量減小，土壤平均溫度下降。

②定進水溫度條件下：鑽孔深度一定時，循環介質流速越大，套管式地埋管換熱器的換熱能力越強。循環介質流速由0.2 m/s增至0.7 m/s，最大取排熱流量增幅達到45%，而最小取排熱流量增幅僅為12%~15%。在取熱、排熱末期，土壤內冷熱聚集達到最大，即使增大循環介質流速，對提高取排熱流量的幫助也不明顯。循環介質流速一定時，鑽孔深度越大套管式地埋管換熱器的換熱能力越強。鑽孔深度由90 m增至120 m，最大、最小取熱量分別增加25.0%、27.5%，最大、最小排熱量分別增加20.6%、19.9%。

參考文獻：

［1］盧予北. 可再生能源的新成員——淺層地溫能［J］. 探礦工程（巖土鑽掘工程），2008（4）：1-4.

［2］ROSIEK S，BATLLES F J. Shallow geothermal energy applied to a solar-assisted air-conditioning system in southern Spain： Two-year experience［J］. Applied Energy，2012，100：267-276.

［3］胡映寧，李常春，王小純. 套管式地埋管換熱器換熱性能實驗研究［J］. 暖通空調，2011（9）：100-105.

［4］庫美亮，桂樹強，顏俊，等. 大直徑寬通道套管式地埋管換熱器熱響應測試分析［J］. 世界地質，2020（1）：226-233.

［5］GORDON D，BOLISETTI T，TING D S，et al. A physical and semi-analytical comparison between coaxial BHE designs considering various piping materials［J］. Energy，2017，141：1610-1621.

［6］NOOROLLAHI Y，SAEIDI R，MOHAMMADI M，et al. The effects of ground heat exchanger parameters changes on geothermal heat pump performance-A review［J］. Applied Thermal Engineering，2018，129：1645-1658.

［7］FAN R，JIANG Y，YAO Y，et al. Astudy on the performance of a geothermal heat exchanger under coupled heat conduction and groundwater advection［J］. Energy，2007（11）：2199-2209.

［8］EROL S U，FRAN O B. Multilayer analytical model for vertical ground heat exchanger with groundwater flow［J］. Geothermics，2018，71：294-305.

作者：胡志高，王彥芳，謝毅偉，寧軼，胡平放，雷飛，朱娜

第一作者單位：湖北風神淨化空調設備工程有限公司

摘自《煤氣與熱力》2021年5月刊