地源热泵地埋管换热器传热强化研究分析

地源热泵地埋管换热器传热强化研究综述摘要：根据地源热泵的技术特点以及地埋管换热器的传热特点，表明地埋管换热器与周围土壤间的传热强化是地源热泵系统研究的主要问题之一。本文将详细介绍了加强地埋管换热器传热的国内外研究成果及研究进展，并在此背景下表明加强地埋管换热器传热有待解决的关键性问题。关键词：地源热泵、地埋管换热器、传热强化1前言建筑节能已然成为国家能源战略的一个关键组成部分。浅层地热能作为建筑空调的冷热源提供者之一，为实现建筑节能提供的新的途径。地源热泵作为利用浅层地热能的技术手段，具有高效节能、运营成本低、环境效益优异、技术手段多样化等优点，得到广泛应用，其前景非常广阔。地埋管换热器作为地源热泵系统的核心部件，是与土壤间进行换热的唯一设备。衡量地源热泵系统的运行效率关键在于地埋管换热器的换热性能。所以，加强地埋管换热器的传热是提高地源热泵系统运行效率的关键方法。2影响地埋管换热的因素地埋管换热器的传热是一个十分复杂的非稳态过程[1]。地埋管敷设方式、土壤特性、地下水文参数、钻孔相关参数、钻孔回填材料以及地面气象参数都影响着换热器的传热过程。埋管方式主要有水平埋管和垂直埋管两类，由于水平埋管所占场地面积很大，并且其传热过程受地表温度及大气温度影响较大，所以，实际中往往应用垂直埋管方式。土壤特性即岩土综合热物性参数及岩土初始平均温度，是地源热泵系统设计和研究过程中的初始参数，直接决定了地埋管换热器的深度、所占场地面积及运行参数。岩土综合热物性参数主要包括土壤综合导热系数、综合比热容等。对于某一特定区域而言，岩土的热物性参数和初始平均温度是一定的。地下水文参数一般指有无地下水渗流。由于地埋管与土壤的换热过程涉及饱和与非饱和土壤的传热，地下水渗流会及时带走地下土壤中累积的冷热量，影响了地埋管换热器的换热能力，从而影响到整个换热器的长期性能[2]。钻孔相关参数主要包含钻孔孔径、钻孔间距、钻孔布置形式等，其直接影响地埋管换热器的换热性能。钻孔数量多及钻孔间距过大，势必占用过多的土地面积，造成浪费。相反，钻孔间距过小，同样影响地源热泵系统的换热性能及施工和运行安全。所以，钻孔间距和钻孔群的合理优化布置，不仅可以节约土地还能够提高换热器的换热效率。回填材料作为地埋管传热过程的中间介质，其导热性能及温度场直接影响地埋管换热器的换热效率[3]。导热性能优异的回填材料能够降低地埋管的设计深度及数量，但钻孔回填料的导热系数并不是越高越好，过高导热系数的回填材料，将造成U型管两支管之间出现热量回路现象，又称热短路。此外，回填材料还起着密封钻孔、隔绝不同含水层间相互污染的作用。3地埋管换热器传热强化研究现状3.1钻孔间距及布置形式强化传热GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》规定钻孔间距宜为3.0～6.0m；美国ASHRAE《地源热泵工程技术指南》推荐的最小间距为15ft（4.572m）[4]。实际工程多采用经验值，国内以不超过5.0m居多。余斌等对不同钻孔间距的管群进行分析研究[5]，结果如图1.图1顺排6×6布置时管群的区域热效率变化模拟结果表明，钻孔间距的增大，能明显减缓管群区域热效率的衰减，对提高管群区域的热效率非常明显，其管群区域热效率的变化也越接近于单井的热效率。但是钻孔间距增大带来的管群热效率增大的幅度也逐渐减小，实际工程中因为地表面积有限，不会无限增大钻孔间距。GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》规定钻孔布置形式应根据现场条件确定；美国ASHRAE《地源热泵工程技术指南》给出的设计原则是大面积管群布置要减少热积聚。目前实际工程中管群的布置多采用顺排形式(正方形)，并未对布置形式进行优化设计。余斌等人分析研究了管群在顺排和叉排布置条件下的热效率[5]。设置了3种形式的布置方案，顺排形式为正方形布置，叉排形式为正三角形布置。管群区域内钻孔采用12×12布置，钻孔数量相同，方案一，顺排布置，钻孔间距4.572m;方案二，叉排布置，钻孔间距4.572m;方案三，叉排布置，钻孔间距4.913m。研究结果如图2。图2管群顺排和叉排布置时区域热效率变化趋势研究结果表明，对于钻孔数量和钻孔间距相同的管群区域，在可接受的热效率下降范围内，叉排布置更能节省地表面积。如果管群布置区域内钻孔数量和占地表面积均相同，叉排布置时热效率优于顺排布置。3.2回填材料强化传热BurkhardSanne等人[6]通过对70米深的钻井进行热响应实验，测试强化换热回填材料对钻井热阻的影响。试验表明：采用传统回填材料钻井的热阻为0.11K/(W·M)，采用强化换热型回填材料钻井热阻仅为0.08K/(W·M)，钻井热阻降低了27%，埋管换热能力有了很大提高。ChulhoLEE等人[7]分别将石墨和二氧化硅添加到膨润土含量为20%的砂浆进行试验研究，结果发现两种回填料的导热系数都分别有所增加，而将两种物质添加到膨润土含量为30%的砂浆中时，导热系数相比膨润土含量20%的砂浆都有所增加，但添加石墨回填料的导热系数增加更明显一些。杨卫波等人[8]的研究表明，增强回填材料的导热系数有益于加强地埋管的换热能力，单位深度埋管的吸热量会增加，但当回填材料的导热系数值达到一定值后，单位深度埋管吸热量几乎不再增加。雷海燕等人[9]针对相变回填材料作为地埋管回填材料课题进行了理论分析与实验研究，采用不同相变回填材料与流体流量和入口温度的组合，进行了对比实验并分析。结果表明相变回填材料的应用可削弱热积聚现象，从而能够提高换热性能并可以缩小钻孔间距。王瑾等人[3]对回填材料的研究表明，采用导热系数比周围土壤稍大的回填材料（如土壤导热系数为1.6W/(m·℃），回填材料导热系数取2.0W/(m·℃）)，地埋管换热器的换热性能较佳。若采用导热系数更小的回填材料，不能充分提高换热能力；若采用导热系数更大的回填材料，热短路造成的热量损失较严重，换热能力几乎得不到提高。3.3地下水强化传热土壤含水程度对地埋管换热器换热的影响，一方面是湿度本身的静态影响，另一方面是含湿量梯度造成的渗流影响。土壤分干土壤、非饱和土壤、饱和湿土壤以及过饱和湿土壤，地下土壤湿度使传热问题从简单的导热问题变成既有对流又有热湿扩散的复杂传热问题[10]。Leonga等人[1]利用HGHEADS程序对5种不同饱和度土壤中的3种地埋管换热器一年的运行特性进行了数值模拟，结果表明，饱和度小于12.5%时，土壤含水量的变化会引起地源热泵性能的大幅度变化；而在25%之上，地源热泵的性能较好；在50%之上时，含水量的变化对地源热泵性能的影响不大。冯琛琛等人[11]建立了地源热泵砂箱试验台，研究地下水渗流对地源热泵地埋管换热性能的影响。研究结果表明，地下水渗流可以强化地埋管的换热，且随着渗流速度的增大，强化换热作用越明显。并且，由于U型地埋管周围温度峰值的位置会沿着渗流方向向下游偏移，所以，地埋管布置时应避开该位置，以达到强化换热。王沣浩等人[12]建立了又地下水渗流是地源热泵地埋管管群热渗耦合传热模型进行分析研究，结果表明，地下水的渗流削弱了管群在垂直于渗流方向上的热影响，但增强了沿渗流方向的热影响。地埋管无论顺派还是叉排布置，都存在最优渗流方向角，使地埋管管群的换热效果最优。4强化传热研究进展由于地源热泵的快速发展，在地埋管换热器强化传热方向上的研究也在不断前进。尤其在以下几个方面进展颇多。（1）地埋管的研发。充分利用建筑物面积的桩基螺旋埋管、双螺旋埋管、梅花螺旋埋管等螺旋埋管的研发；多孔管的研发；翅片管的研发；钢结构桩埋管、混凝土桩埋管的研发；即使道路、结构等已经在路面上建好后，不需大面积挖掘地面，仍可埋设地埋管的非钻孔旋转地埋管的研发。（2）回填材料的研发。相变回填材料（PCM）的研发，其相变过程中的吸热放热可缓解短时间内地源热泵对土壤的影响，具有较大的供热潜力，可以缩小钻孔间距；回填材料添加物不断研究和开发：石墨和二氧化硅、石英沙骨料等等；不同地区回填材料适用性研究：沿海地区高膨胀指数的膨润土泥浆作为回填材料的适用性等。5尚待研究解决的问题近年来，地源热泵地埋管传热强虽已取得众多成果，但仍然有很多方面需要深入分析解决。主要有以下几个方面。（1）如何对地埋管进行优化布置以及运行调控，达到快速恢复土壤温度，以提高地埋管的可利用传热温差，减少热积聚，保证地源热泵长期高效稳定运行。（2）如何在提高回填材料导热性能、降低地埋管与钻孔壁的热阻、增强地埋管与周围土壤换热的同时，尽量减小U型管两支管间的热干扰。（3）目前地源热泵的模型多针对单个地埋管换热器建立一维、二维、三维模型，实验也多是单工况下针对单一地埋管的换热实验。而对钻孔管群的模拟和实验较少。建立针对地埋管管群的换热器模型，进行针对管群的双季运行工况实验，将对实际工程有重要指导意义。且当前对于地埋管换热器的实验研究多重复于单U与双U垂直埋管的比较研究，可增加对比研究的埋管形式种类。6结束语在当前能源危机以及环境保护问题日趋严峻的背景下，地源热泵作为即节能又环保的技术，其研究与发展相当迅速。地埋管强化传热技术作为地源热泵系统中核心研究的问题之一，近年来国内外研究成果丰硕。然而，地埋管地下换热过程受多方面因素影响，其过程相当复杂并且是非稳态的。目前，还未能掌握多种方式的地下换热技术，因此，对其进行更进一步的分析研究，对地源热泵长期高效稳定安全的运行具有非常重大的意思，同时对节能环保也有重大的贡献。参考文献[1]袁艳平，雷波等.地源热泵地埋管换热器传热研究(1):综述.暖通空调.2008，38(4).[2]朱洁莲，杨卫波等.土壤源热泵地埋管传热强化研究现状及其发展.制冷与空调.2013，27(5).[3]王瑾，李为等.竖直U形地埋管换热器热短路现象及换热性能研究.暖通空调.2014，44(2).[4]美国制冷工空调工程师协会.地源热泵工程技术指南.徐伟，译.中国建筑工业出版社，2001.[5]余斌，王沣浩等.钻孔间距和布置形式对地埋管管群传热影响的研究.制冷与空调.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]杨卫波，施明恒.基于元体能量平衡法的垂直U型埋管换热特性的研究.热能动力工程，2007，22(1).[9]雷海燕.地埋管相变回填材料的理论分析和实验研究.天津:天津大学，2012.[10]高青，李明等.湿土坡含湿特性对传热影响研究.热科学与技术.2005，4(2).[11]冯琛琛，王沣浩等.地下水渗流对垂直埋管换热器换热性能影响的实验研究.制冷与空调.2011，25(4).[12]王沣浩，余斌等.地下水渗流对地埋管管群传热的影响.化工学报.2010，61(S2).