地源熱泵地埋管換熱器傳熱強(qiáng)化研究

摘要：根據(jù)地源熱泵的技術(shù)特點以及地埋管換熱器的傳熱特點，表明地埋管換熱器與周圍土壤間的傳熱強(qiáng)化是地源熱泵系統(tǒng)研究的主要問題之一。本文將詳細(xì)介紹了加強(qiáng)地埋管換熱器傳熱的國內(nèi)外研究成果及研究進(jìn)展，并在此背景下表明加強(qiáng)地埋管換熱器傳熱有待解決的關(guān)鍵性問題。關(guān)鍵詞：地源熱泵、地埋管換熱器、傳熱強(qiáng)化1前言建筑節(jié)能已然成為國家能源戰(zhàn)略的一個關(guān)鍵組成部分。淺層地?zé)崮茏鳛榻ㄖ照{(diào)的冷熱源提供者之一，為實現(xiàn)建筑節(jié)能提供的新的途徑。地源熱泵作為利用淺層地?zé)崮艿募夹g(shù)手段，具有高效節(jié)能、運營成本低、環(huán)境效益優(yōu)異、技術(shù)手段多樣化等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用，其前景非常廣闊。地埋管換熱器作為地源熱泵系統(tǒng)的核心部件，是與土壤間進(jìn)行換熱的唯一設(shè)備。衡量地源熱泵系統(tǒng)的運行效率關(guān)鍵在于地埋管換熱器的換熱性能。所以，加強(qiáng)地埋管換熱器的傳熱是提高地源熱泵系統(tǒng)運行效率的關(guān)鍵方法。2影響地埋管換熱的因素地埋管換熱器的傳熱是一個十分復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程[1]。地埋管敷設(shè)方式、土壤特性、地下水文參數(shù)、鉆孔相關(guān)參數(shù)、鉆孔回填材料以及地面氣象參數(shù)都影響著換熱器的傳熱過程。埋管方式主要有水平埋管和垂直埋管兩類，由于水平埋管所占場地面積很大，并且其傳熱過程受地表溫度及大氣溫度影響較大，所以，實際中往往應(yīng)用垂直埋管方式。土壤特性即巖土綜合熱物性參數(shù)及巖土初始平均溫度，是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計和研究過程中的初始參數(shù)，直接決定了地埋管換熱器的深度、所占場地面積及運行參數(shù)。巖土綜合熱物性參數(shù)主要包括土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)、綜合比熱容等。對于某一特定區(qū)域而言，巖土的熱物性參數(shù)和初始平均溫度是一定的。地下水文參數(shù)一般指有無地下水滲流。由于地埋管與土壤的換熱過程涉及飽和與非飽和土壤的傳熱，地下水滲流會及時帶走地下土壤中累積的冷熱量，影響了地埋管換熱器的換熱能力，從而影響到整個換熱器的長期性能[2]。鉆孔相關(guān)參數(shù)主要包含鉆孔孔徑、鉆孔間距、鉆孔布置形式等，其直接影響地埋管換熱器的換熱性能。鉆孔數(shù)量多及鉆孔間距過大，勢必占用過多的土地面積，造成浪費。相反，鉆孔間距過小，同樣影響地源熱泵系統(tǒng)的換熱性能及施工和運行安全。所以，鉆孔間距和鉆孔群的合理優(yōu)化布置，不僅可以節(jié)約土地還能夠提高換熱器的換熱效率?；靥畈牧献鳛榈芈窆軅鳠徇^程的中間介質(zhì)，其導(dǎo)熱性能及溫度場直接影響地埋管換熱器的換熱效率[3]。導(dǎo)熱性能優(yōu)異的回填材料能夠降低地埋管的設(shè)計深度及數(shù)量，但鉆孔回填料的導(dǎo)熱系數(shù)并不是越高越好，過高導(dǎo)熱系數(shù)的回填材料，將造成U型管兩支管之間出現(xiàn)熱量回路現(xiàn)象，又稱熱短路。此外，回填材料還起著密封鉆孔、隔絕不同含水層間相互污染的作用。3地埋管換熱器傳熱強(qiáng)化研究現(xiàn)狀3.1鉆孔間距及布置形式強(qiáng)化傳熱GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定鉆孔間距宜為3.0～6.0m；美國ASHRAE《地源熱泵工程技術(shù)指南》推薦的最小間距為15ft（4.572m）[4]。實際工程多采用經(jīng)驗值，國內(nèi)以不超過5.0m居多。余斌等對不同鉆孔間距的管群進(jìn)行分析研究[5]，結(jié)果如圖1.圖1順排6×6布置時管群的區(qū)域熱效率變化模擬結(jié)果表明，鉆孔間距的增大，能明顯減緩管群區(qū)域熱效率的衰減，對提高管群區(qū)域的熱效率非常明顯，其管群區(qū)域熱效率的變化也越接近于單井的熱效率。但是鉆孔間距增大帶來的管群熱效率增大的幅度也逐漸減小，實際工程中因為地表面積有限，不會無限增大鉆孔間距。GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定鉆孔布置形式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件確定；美國ASHRAE《地源熱泵工程技術(shù)指南》給出的設(shè)計原則是大面積管群布置要減少熱積聚。目前實際工程中管群的布置多采用順排形式(正方形)，并未對布置形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。余斌等人分析研究了管群在順排和叉排布置條件下的熱效率[5]。設(shè)置了3種形式的布置方案，順排形式為正方形布置，叉排形式為正三角形布置。管群區(qū)域內(nèi)鉆孔采用12×12布置，鉆孔數(shù)量相同，方案一，順排布置，鉆孔間距4.572m;方案二，叉排布置，鉆孔間距4.572m;方案三，叉排布置，鉆孔間距4.913m。研究結(jié)果如圖2。圖2管群順排和叉排布置時區(qū)域熱效率變化趨勢研究結(jié)果表明，對于鉆孔數(shù)量和鉆孔間距相同的管群區(qū)域，在可接受的熱效率下降范圍內(nèi)，叉排布置更能節(jié)省地表面積。如果管群布置區(qū)域內(nèi)鉆孔數(shù)量和占地表面積均相同，叉排布置時熱效率優(yōu)于順排布置。3.2回填材料強(qiáng)化傳熱BurkhardSanne等人[6]通過對70米深的鉆井進(jìn)行熱響應(yīng)實驗，測試強(qiáng)化換熱回填材料對鉆井熱阻的影響。試驗表明：采用傳統(tǒng)回填材料鉆井的熱阻為0.11K/(W·M)，采用強(qiáng)化換熱型回填材料鉆井熱阻僅為0.08K/(W·M)，鉆井熱阻降低了27%，埋管換熱能力有了很大提高。ChulhoLEE等人[7]分別將石墨和二氧化硅添加到膨潤土含量為20%的砂漿進(jìn)行試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種回填料的導(dǎo)熱系數(shù)都分別有所增加，而將兩種物質(zhì)添加到膨潤土含量為30%的砂漿中時，導(dǎo)熱系數(shù)相比膨潤土含量20%的砂漿都有所增加，但添加石墨回填料的導(dǎo)熱系數(shù)增加更明顯一些。楊衛(wèi)波等人[8]的研究表明，增強(qiáng)回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)有益于加強(qiáng)地埋管的換熱能力，單位深度埋管的吸熱量會增加，但當(dāng)回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)值達(dá)到一定值后，單位深度埋管吸熱量幾乎不再增加。雷海燕等人[9]針對相變回填材料作為地埋管回填材料課題進(jìn)行了理論分析與實驗研究，采用不同相變回填材料與流體流量和入口溫度的組合，進(jìn)行了對比實驗并分析。結(jié)果表明相變回填材料的應(yīng)用可削弱熱積聚現(xiàn)象，從而能夠提高換熱性能并可以縮小鉆孔間距。王瑾等人[3]對回填材料的研究表明，采用導(dǎo)熱系數(shù)比周圍土壤稍大的回填材料（如土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.6W/(m·℃），回填材料導(dǎo)熱系數(shù)取2.0W/(m·℃）)，地埋管換熱器的換熱性能較佳。若采用導(dǎo)熱系數(shù)更小的回填材料，不能充分提高換熱能力；若采用導(dǎo)熱系數(shù)更大的回填材料，熱短路造成的熱量損失較嚴(yán)重，換熱能力幾乎得不到提高。3.3地下水強(qiáng)化傳熱土壤含水程度對地埋管換熱器換熱的影響，一方面是濕度本身的靜態(tài)影響，另一方面是含濕量梯度造成的滲流影響。土壤分干土壤、非飽和土壤、飽和濕土壤以及過飽和濕土壤，地下土壤濕度使傳熱問題從簡單的導(dǎo)熱問題變成既有對流又有熱濕擴(kuò)散的復(fù)雜傳熱問題[10]。Leonga等人[1]利用HGHEADS程序?qū)?種不同飽和度土壤中的3種地埋管換熱器一年的運行特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，飽和度小于12.5%時，土壤含水量的變化會引起地源熱泵性能的大幅度變化；而在25%之上，地源熱泵的性能較好；在50%之上時，含水量的變化對地源熱泵性能的影響不大。馮琛琛等人[11]建立了地源熱泵砂箱試驗臺，研究地下水滲流對地源熱泵地埋管換熱性能的影響。研究結(jié)果表明，地下水滲流可以強(qiáng)化地埋管的換熱，且隨著滲流速度的增大，強(qiáng)化換熱作用越明顯。并且，由于U型地埋管周圍溫度峰值的位置會沿著滲流方向向下游偏移，所以，地埋管布置時應(yīng)避開該位置，以達(dá)到強(qiáng)化換熱。王灃浩等人[12]建立了又地下水滲流是地源熱泵地埋管管群熱滲耦合傳熱模型進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，地下水的滲流削弱了管群在垂直于滲流方向上的熱影響，但增強(qiáng)了沿滲流方向的熱影響。地埋管無論順派還是叉排布置，都存在最優(yōu)滲流方向角，使地埋管管群的換熱效果最優(yōu)。4強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展由于地源熱泵的快速發(fā)展，在地埋管換熱器強(qiáng)化傳熱方向上的研究也在不斷前進(jìn)。尤其在以下幾個方面進(jìn)展頗多。（1）地埋管的研發(fā)。充分利用建筑物面積的樁基螺旋埋管、雙螺旋埋管、梅花螺旋埋管等螺旋埋管的研發(fā)；多孔管的研發(fā)；翅片管的研發(fā)；鋼結(jié)構(gòu)樁埋管、混凝土樁埋管的研發(fā)；即使道路、結(jié)構(gòu)等已經(jīng)在路面上建好后，不需大面積挖掘地面，仍可埋設(shè)地埋管的非鉆孔旋轉(zhuǎn)地埋管的研發(fā)。（2）回填材料的研發(fā)。相變回填材料（PCM）的研發(fā)，其相變過程中的吸熱放熱可緩解短時間內(nèi)地源熱泵對土壤的影響，具有較大的供熱潛力，可以縮小鉆孔間距；回填材料添加物不斷研究和開發(fā)：石墨和二氧化硅、石英沙骨料等等；不同地區(qū)回填材料適用性研究：沿海地區(qū)高膨脹指數(shù)的膨潤土泥漿作為回填材料的適用性等。5尚待研究解決的問題近年來，地源熱泵地埋管傳熱強(qiáng)雖已取得眾多成果，但仍然有很多方面需要深入分析解決。主要有以下幾個方面。（1）如何對地埋管進(jìn)行優(yōu)化布置以及運行調(diào)控，達(dá)到快速恢復(fù)土壤溫度，以提高地埋管的可利用傳熱溫差，減少熱積聚，保證地源熱泵長期高效穩(wěn)定運行。（2）如何在提高回填材料導(dǎo)熱性能、降低地埋管與鉆孔壁的熱阻、增強(qiáng)地埋管與周圍土壤換熱的同時，盡量減小U型管兩支管間的熱干擾。（3）目前地源熱泵的模型多針對單個地埋管換熱器建立一維、二維、三維模型，實驗也多是單工況下針對單一地埋管的換熱實驗。而對鉆孔管群的模擬和實驗較少。建立針對地埋管管群的換熱器模型，進(jìn)行針對管群的雙季運行工況實驗，將對實際工程有重要指導(dǎo)意義。且當(dāng)前對于地埋管換熱器的實驗研究多重復(fù)于單U與雙U垂直埋管的比較研究，可增加對比研究的埋管形式種類。6結(jié)束語在當(dāng)前能源危機(jī)以及環(huán)境保護(hù)問題日趨嚴(yán)峻的背景下，地源熱泵作為即節(jié)能又環(huán)保的技術(shù)，其研究與發(fā)展相當(dāng)迅速。地埋管強(qiáng)化傳熱技術(shù)作為地源熱泵系統(tǒng)中核心研究的問題之一，近年來國內(nèi)外研究成果豐碩。然而，地埋管地下?lián)Q熱過程受多方面因素影響，其過程相當(dāng)復(fù)雜并且是非穩(wěn)態(tài)的。目前，還未能掌握多種方式的地下?lián)Q熱技術(shù)，因此，對其進(jìn)行更進(jìn)一步的分析研究，對地源熱泵長期高效穩(wěn)定安全的運行具有非常重大的意思，同時對節(jié)能環(huán)保也有重大的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)[1]袁艷平，雷波等.地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究(1):綜述.暖通空調(diào).2008，38(4).[2]朱潔蓮，楊衛(wèi)波等.土壤源熱泵地埋管傳熱強(qiáng)化研究現(xiàn)狀及其發(fā)展.制冷與空調(diào).2013，27(5).[3]王瑾，李為等.豎直U形地埋管換熱器熱短路現(xiàn)象及換熱性能研究.暖通空調(diào).2014，44(2).[4]美國制冷工空調(diào)工程師協(xié)會.地源熱泵工程技術(shù)指南.徐偉，譯.中國建筑工業(yè)出版社，2001.[5]余斌，王灃浩等.鉆孔間距和布置形式對地埋管管群傳熱影響的研究.制冷與空調(diào).2010，10(5).[6]BurkhardSanner，ErichMands，MarcKSauer.LargergeothermalheatpumpplantsinthecentralregionofGermany[J].Geothermics，2003，32(4-6):589-602.[7]LeeChulho，LeeKangja.Characteristicsofthermallyenhancedbent-onitegroutsforgeothermalheatexchangerinSouthKorea[J].Technologi-calSciences，2010，53(1):123-128.[8]楊衛(wèi)