浅析影响地源热泵地埋管换热器传热的因素

    近年来，地源热泵空调系统作为一项暖通空调新技术得到了越来越广泛的应用。我们知道，设置在不同场合的竖直埋管换热器将涉及不同的地质结构，包括各地层的材质、含水量、地下水的运动、地埋管换热器负荷的间歇性、全年取、释热量不平衡等，这些都会影响地埋管换热器的换热性能，因此分析影响地埋管换热器传热的主要因素是地埋管换热器传热研究的主要内容。湖北地大热能根据多年来的工程实践经验，分析研究了一系列影响地埋管换热器换热性能的因素，分析结果如下：

 

    1）冷热负荷比。在很多情况下，地热换热器全年的冷、热负荷是不平衡的。例如在北方，建筑物冬季的供暖负荷和供暖时间远大于夏季的空调负荷和空调时间；而在南方情况则相反。在这种情况下，地埋管换热器的排、取热量不平衡。多余的热量(或冷量)就会在地下积累，引起土壤年平均温度的变化。如图2所示：冷热负荷均衡时孔深不随运行时间变化。冷热负荷不均衡时随保证运行时间的延长设计孔深呈对数曲线增加。负荷越不均衡曲线坡度越陡。冷热负荷不平衡致使土壤中热量累积造成大地温度逐年升高。导致换热工况恶化，热泵制冷能力降低，进而需要更大容量的地埋管换热器以满足设计要求。

 

    图 冷热负荷比不同时设计孔深随运行时间的变化

 

    2）钻孔间距。计算结果表明，冷热负荷比不变时设计孔深随钻孔间距(U型管间的间距)的减小而增大。冷热负荷比不太大(如2左右)时，钻孔间距对相对孔深的影响不是很大。当冷热负荷比较大(3附近或以上)时，钻孔间距对设计总孔深的影响程度加大。所以在实际设计中，当冷热负荷不均衡程度较大时，应考虑增加辅助冷却(或加热)的手段，以避免因负荷不均衡而造成初投资的增加及地热换热器换热状况的恶化。

 

    3）岩土导热系数与体积比热。计算结果表明：在钻孔间距不变时随着岩土导热系数的减小，设计孔深逐渐增大．这是地下换热热阻增大的结果。随着岩土导热系数的增大，同一间距情况下孔洞设计无因次深度相应减小。这是由于岩土的导热性能越强，越有利于系统热媒即管内流体与岩土的换热，换热效率越高，因此所要求的换热器面积随之减小。土壤的体积比热对钻孔总深度的影响趋势与土壤导热系数的影响大致相同。但其影响程度弱于后者。

    4）U型管两支管间的热量回流。在竖直U型埋管地热换热器中，钻孔孔径通常为110mm～130mm。在这样一个狭小的空间内，两支流动着冷热不同流体的支管间必然发生热回流(温度交叉)现象，对实际的换热效果将产生一定的影响。如处理不当，将产生较大的影响，这是设计和安装竖直U型埋管地热换热器时应特别注意的问题。

 

    影响U型埋管支管间热量回流的主要因素是两支管间的间距和灌浆材料的导热系数，至于它们对地热换热器设计容量影响如何，取决于二者综合作用的结果。随着灌浆材料(或相对)导热系数的增大，所需相对管长随之减少。灌浆材料导热系数大小对换热器容量影响程度的大小，还与两支管的间距有关，这是在设计时应注意的。即灌浆材料的导热系数较小时．两支管间距的大小．对地热换热器设计容量有较大影响；增大灌浆材料的导热系数，有利于减少地热换热器的容量。

    5）地下渗流。当地热换热器全年的冷热负荷不平衡时，在地下积累的多余的热量(或冷量)会引起地下年平均温度的变化，进而影响地热换热器的出力。这一影响因素将使所需的换热器容量增加。在上述分析中，未考虑地下水流动的影响。如果地下水流动活跃，每年都可以把负荷不平衡导致的那部分多余的热量中的大部分带走，使得大地温度的变化减缓，那么负荷不平衡的影响将大大减弱。

   地大热能由中国地质大学（武汉）控股，依托中国地质大学的学术优势，组建了一批由海内外学者组成的世界一流的交叉人才团队，聚集了十大优势学科领域（地质学、矿产勘查、地球物理、地球化学、水文地质学、工程地质、环境地质、地理信息系统、管理科学与工程、旅游资源管理）三十多位专家学者，定期研讨地热科学问题、问诊地热实际难题，在地（水）源热泵换热不够、冷热不均、填充不实、漏水、土壤温度过低、井深不够、水质不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等问题有着丰富的经验及客户案例。