土壤源热泵地下换热器的设计与影响因素分析

第２７卷第２期建筑热能通风空调

Ｖ０１．２７Ｎｏ．２２００８年４月

ＢｕｉｌｄｉｎｇＥｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

Ａｐｒ．２００８．４８－５２

文章编号：１００３．０３４４（２００８）０２．０４８．５

土壤源热泵地下换热器的设计与影响因素分析

毛会敏－姚杨：

（１广东省重工建筑设计院；２哈尔滨工业大学市政环境工程学院）

摘要：本文建立了土壤源热泵地下换热器的传热模型，用ＭＡＴＬ忸软件编写了单位管长换热量的求解程序，并

且分析了地下换热器中循环液设计出口温度、埋管间距、钻孔深度、土壤热物性参数等因素对单位管长换热量的

影响。得出单位管长换热量随各参数的变化规律，为土壤源热泵系统的优化设计中各参数的合理选取提供参考。

关键词：地下换热器传热模型单位管长换热量影响因素

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＦａｃｔｏｒＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＢｕｒｉｅｄＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒｓ

Ⅳ队ＯＨｕｉ－ｍｉｎｌ．ＹＡＯ

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２

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ｃｏｎｔｅｎｔｐｅｒｍｅｔｅｒｐｉｐｅ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓ

０

前言

果不准确，本文通过所建立的地下换热器的传热模型，分析了单位管长换热量随地下埋管换热器中循环液最土壤源热泵系统是利用土壤的蓄冷（热）性能，通

高出口温度、埋管间距、埋管深度、ｕ型管两支管的间过中间介质在封闭的地下换热器中循环流动，从而实距、岩土和回填材料的导热系数等因素的变化规律，为现与土壤的热交换。冬季通过热泵将大地中的热量取土壤源热泵系统的优化设计中各参数的合理选取提供出对建筑物供暖，同时贮存冷量，以备夏用；夏季通过参考。

热泵将建筑物的热量释放到地下，对建筑物进行降温，同时贮存热量，以备冬用。由于其技术上的优势，推广１

数学模型

土壤源热泵具有明显的节能和环保效益。

地下埋管换热器的传热是一个复杂的过程，影响地下换热器的设计是土壤源热泵系统设计的最重

因素很多，且各种因素在不同情况下单位管长换热量要部分。在目前的工程设计中，地下埋管长度主要是的值可以产生相差数倍的变化。如果只根据手册中给根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出换热器的放定的单位管长换热量确定地下埋管长度，会使设计结

热量或吸热量，然后确定地下换热器的布置方式，再根

收稿日期：２００７．９．１３

作者简介：毛会敏（１９８４－），女，硕士，助理工程师；广东省越华路１１６号煤炭大厦设计二所ｌ１０６（５１００３４）；

Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｉｃｈａｌｎｍｏ＠１６３．ｏｏｎｌ

万　

方数据

第２７卷第２期

毛会敏等：土壤源热泵地下换热器的设计与影响因素分析

４９

据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的换热量即可求出所需的地下埋管长度。这种方法简单，但是没有考虑当地的气候条件，岩土体及回填材料热物性的影响，会使设计结果不准确。

竖直地下换热器与土壤间的传热过程较复杂，对于工程实际应用的模型，可以在空间上以钻孔壁为界，把地热换热器的传热分为两个区域，分别采用不同的简化假定进行分析研究。

对于钻孔壁以内的传热过程，由于其几何尺寸和热容量相对较小，因此其传热过程可近似按稳态传热过程处理，根据文献【ｌ】建立的二维模型，钻孔内的热阻可表示为：

Ｐ、＝０．５－｛去ｚｒ－Ａ，脚ｏｒ：如去＋筹向南＋南＋去加争｝（１）

式中：Ａ。为钻孔回填材料的热导率；Ａ为钻孔周围土壤的热导率；ｒｂ为钻孔半径；ｒ２为Ｕ型埋管管子的外半径；ｒｌ为Ｕ型埋管管子的内半径；Ｄ为Ｕ型管支管中心至钻孔中心之间距离；‰为Ｕ型塑料管的热导率。

对于钻孔壁至外部土壤之间的传热应按非稳态传热处理，在工程计算中常可用线热源模型进行分析

研究踟。在线源模型中，将垂直地下埋管看作均匀的

线热源，并假设该热源沿深度方向单位长度的散热量为常量，即具有恒定的热流，将管子周围的大地土壤连同回填部分看作是一无限大的实体。土壤中的温度分布可以写为：

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（２）

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式中：ｊＯＯ＝Ｉ曼＿出，称为指数积分；ｔｏ为大地初始温

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度；ｇ。为线热源提供的恒定热流；口为土壤的导温系数。

则孔壁ｒｂ处的过余温度为：

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２

Ｐ

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（３）

联立式（１）～（３），根据导热方程与热叠加原理，用ＭＡＴＬＡＢ编程即可以求出单位管长每一天的换热

量以及供冷（热）季节的平均换热量。

２

主要影响因素分析

影响地下换热器中ｕ型管与土壤之间的传热因

素很多，下面以上海地区为例，分析地下换热器设计过程中几个主要因素对Ｕ型管单位管长换热量的影响。

万　

方数据２．１循环液最高出口温度的影响

地下埋管换热器中循环液最高出口温度对垂直Ｕ型管的单位管长换热量有很大的影响。在夏季，循环液设定的最高出口温度越高，单位管长换热量越大，所需要的埋管总长度则越短，而冬季正好相反。《地源热泵技术规程》指出，土壤源热泵系统地下埋管换热器中循环液的设计平均温度夏季通常可选为３７℃，冬季为一２－－，５℃。一般考虑冬夏季进出口之间的换热温差为５℃左右，因此夏季出口温度一般可选为３５℃，冬季为

０～８℃。

根据有关资料查得上海地区为粘性土壤，其平均物性参数如表１所示。

表１上海地区土壤物性参数

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根据ＭＡＴＬＡＢ所编程序可以得出单位管长换热量与地下埋管换热器出口温度、运行时间、钻孔间距、土壤热物性等各种变化参数的关系。图１表示的是夏季地下埋管换热器出口温度分别为ｔ。＝２５℃、３０＊Ｃ、３５℃、４０℃四种情况下单位管长换热量与运行时间的变化关系。图２则表示的是冬季地下埋管换热器出口温度分别为“＝０℃、２０Ｃ、５。Ｃ、８＂Ｃ四种情况下单位管长换热量与运行时间的变化关系。

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图１夏季单位管长换热量随时问的变化

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由图１和图２可知，单位管长换热量随运行时间的增加而逐渐减少，在运行前５天内减小的幅度较大，

５０

建筑热能通风空调

２００８生

这是由于热泵系统刚启动时，Ｕ型管与土壤之间的温差大，非稳态传热过程剧烈，单位时间内换热量较大，但随着所交换热量的积累，导致紧贴埋管的土壤温度逐渐升高，并向远处传递，经过一定时间后，系统趋向稳定状态，即周围土壤传给流体的热量正好等于流体带走的热量，土壤温度场和流体温度场保持基本不变，单位管长换热量也逐渐趋于稳定值。

夏季地下埋管换热器的出口温度从２５℃升高到４０。Ｃ时，单位管长平均换热量从２４．９Ｗ／ｍ增加到了

５９．９

Ｗ／ｍ，增加幅度为１４１％。这是因为埋管换热器的

出口温度升高，Ｕ型管内液体的平均温度会随之升高，Ｕ型管与周围土壤间的温差会变大，传热效果增强，单位管长的平均换热量变大，所需要的地下埋管总长度会减小，系统初投资将减小。但是埋管换热器设计出口温度并非越高越好，温度的升高会引起热泵机组性能的下降，使整个热泵系统的耗功量增加，运行成本升高，而冬季正好相反。２．２埋管间距的影响

在土壤源热泵系统中，埋管间距的大小直接影响到换热器的换热效果以及埋管占地面积。当埋管间距减少时，埋管换热器所占的面积减少，同时由于埋管周围土壤体积减少，相邻两埋管之间的热干扰增加，周围土壤会产生蓄热现象，温度升高，致使Ｕ型管周围的传热条件恶化，热量传递速度减慢，则从土壤中取出的冷量或热量也相对减少。间距越小，蓄热现象越显著，换热器的换热效果越差。当埋管间距增大时，Ｕ型管问的热干扰减小，土壤温度场比较容易得到恢复，换热效果增强，但地下埋管换热器需要较大的占地面积。

埋管间距一般都是根据有关经验资料确定的，ｕ型管竖井的水平间距一般为４．５ｍ，文献［４］认为长期间歇运行的地源热泵垂直埋管间距在３ｍ左右较适合；文献【５】建议埋地取热（冬季）盘管的间距取４ｍ，埋地放热（夏季）盘管间距取约５ｍ，综合考虑冬夏工况，ｕ型管埋地换热器管间距应大于５ｍ；文献［６】指出，经过对ｕ型埋管冬夏长时间运行的测试，发现埋管周围温度变化的作用半径为３ｍ左右。为了研究埋管间距

对单位管长换热量的影响并且确定最佳埋管间距，本

文设定夏季最高出口温度ｔ。＝３５℃，图３表示了夏季制冷工况下运行时间分别为Ｔ＝３０ｄ、６０ｄ、９０ｄ、１２０ｄ、

１５０ｄ，机组开停机比为Ｆ＝１０／２４的情况下，单位管长

平均换热量随埋管间距的变化关系。

对相同的运行时间而言，夏季单位管长平均换热

万　

方数据量随埋管间距的增加而增大，当间距增加到一定程度后，相邻两埋管间的热干扰已基本消失，此时单位管长平均换热量增加幅度很小。同时，随着运行时间的增

加，埋管间距对单位管长换热量的影响也增强。当强

３０天时，埋管间距从１ｍ增加到８１１１的时候，单位管长换热量从５０．７０Ｗ／ｍ增加到６４．１９Ｗ／ｍ，增幅为２６．６％，而当Ｔ＝１５０天时，埋管间距从１ｍ增加到８ｍ的时候，单位管长换热量从３０．１４Ｗ／ｍ增加到５１．１３

Ｗｈ，增幅为６９．７％，

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图３单位管长换热量随埋管间距的变化当间距Ｄ＝８ｍ时，单位管长平均换热量基本上不随埋管间距变化，可以假设此间距所对应的相邻两埋管间的热干扰为０。若定义单位管长平均换热量为Ｄ＝

８

ｍ时单位管长平均换热量９８％左右时所对应的埋管

间距为理想间距，则夏季不同运行时间的理想埋管间距如表２所示。

表２夏季不同运行时间下的埋管间距

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３８

４４

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单位管长Ｕ型管冬季从土壤中取出的热量要比夏季排放到土壤中的热量小，则所需要的周围土壤传热体积小，因此冬季所需埋管间距要比夏季埋管间距小，对整个系统而言，根据夏季制冷工况确定埋管间距即可。

２．３埋管深度的影响

埋管深度对土壤源热泵系统运行的经济性、有效性有很大的影响。随着埋管深度的增加，Ｕ型管与土壤间的温差逐渐减小，换热能力逐渐减弱，同时较大的埋管埋深度增大钻井工程费用，而且对埋管的承压提出更高的要求；当埋管深度较浅时，埋管不能与土壤进行有效地换热，埋管的占地面积较大，使系统的应用性受到限制。因此合理地确定地下埋管深度，对土壤耦合热泵系统的应用性、运行的经济性和有效性有着重要的影响。

第２７卷第２期毛会敏等：土壤源燕泵地下换热器的设计与影响因素分析

５１．

由图４可知，单位管长换热量随埋管深度的增加而减小。这是因为当埋深增加时。循环液在管内停留的时间长，出水温度会降低，当循环液平均温度降低时，它和周围土壤间的温差减小，换热情况恶化，也就是说增加的那部分管长由于其管内流体温度低，虽然换出一部分热量，但是热流密度小，因此单位管长换热量减少。特别是在运行时间较短的情况下，单位管长换热量随埋管深度的变化幅度较大。当埋管深度从１０ｍ变化到１５０１１１时，／＇－－３０ｄ时，单位管长换热量从

６６．４９

Ｗ／ｍ减小到５３．３３Ｗ／ｍ，降低幅度为２０．４１％，当Ｔ＝１５０ｄ时，单位管长换热量从５３．６７Ｗ／ｍ减小到４４．７３

Ｗ／ｍ，降低幅度为１６．６％，因此在运行时间较短

的情况下，不宜选择较大的埋管深度。

事６５－＊禹《－ｅ引－Ｔ＝６０ｄ

２．４钻孔直径及Ｕ型管两支管间距的影响

当ｕ型管管径确定后，钻孔直径影响着孔内的传热体积，从而影响钻孔内热阻的大小，由于本文钻孔内模型采用的是二维模型，考虑了Ｕ型管两支管间的相互热作用影响，两支管的间距大小将会影响其相互间热作用的强弱，从而影响钻孔热阻的大小。因此钻孔直径和Ｕ型管两支管的间距都会对单位管长换热量有一定的影响。

所选ｕ型管内径２５ｍｍ，外径３２ｍｍ，钻孑Ｌ间距

４．５

ｍ，埋管深度９０ｍ，循环液为２０％乙二醇溶液，夏

季最高出口温度为３５℃，运行时间１５０天，回填材料热导率为２．５Ｗ／（ｍ Ｋ），Ｕ型塑料管热导率为０．４２ｗ／（ｍ Ｋ）。图５表示了钻孑Ｌ直径磊与Ｕ型管外径盔之比分别为３、４、５、６四情况下单位管长换热量随两支管间距与Ｕ型管外径之比的关系。

当钻孔直径一定时，两支管间距Ｄ的范围为么～

似一瑚，由图可以看出，单位管长换热量随Ｄ／ｄｐ的增

加而增大，当ｄｄ西＝６时，Ｄ＝磊（最小值）与Ｄ＝ｄｂ（最大值）所对应的单位管长换热量分别为５１．１１Ｗ／ｍ和

５８．７４

Ｗ／ｍ，增长幅度为１４．９３％，随着两根管子间距的

增大，钻孔内的热阻减少，单位管长换热量增加。因此

万　

方数据要增强钻孔内的换热效果，可采取相应措施来增大管间距Ｄ。同时，ｑｌ随着ａ／ａ，的增加而增大，磊一定时，碗越大，热阻越小。所以选择较大直径的钻孔有利于传热，但是钻孔直径的增加会提高钻孔费用，因此并非越大越好。

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图５单位管长换热量随埋管间距与外径比的变化２．５回填材料和土壤导热系数的影响

埋管换热器中循环液为２０％乙二醇，最高出口温度为３５℃，运行时间为夏季间歇运行１５０天，埋管间距为４．５ｍ，采用不同回填材料的导热系数以及岩土导热系数计算出一系列单位管长平均换热量，据此得出了单位管长换热量随岩土导热系数和材料导热系数的变化曲线图（图６

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回填车ｔ科豹导热系数Ｉｘ＇Ｖ／（ｍ Ｋ为

图６单位管长换热量随回填材料导热系数的变化从图６中可以看出，随着回填材料导热系数的增大，单位管长换热量逐渐增大，开始单位管长换热量的增加幅度很大，以后逐渐降低。当回填材料的导热系

数从２．５ｗ／（ｍ Ｋ）增加到３．０ｗ／（ｍ Ｋ）时，导热系数为

０．８～２．０Ｗ／（ｍ Ｋ）的岩土所对应的单位管长换热量增

幅最大不超过３％。这说明当回填材料的导热系数达到２．５Ｗ／（ｍ Ｋ）时，再提高其导热系数对单位管长换热量没有多大作用。同时随着岩土导热系数的增大，单位管长换热量明显增加。当回填材料的导热系数从

０．５Ｗ／（ｍ Ｋ）增大到３Ｗ／（ｍ Ｋ）的时候，导热系数为０．８

Ｗ／（ｍ Ｋ１的岩土所对应的单位管长换热量从２０．４９

Ｗ／ｍ增加到２５．９６Ｗ／ｍ，增幅为２６．７％；而导热系数为２Ｗ／（ｍ Ｋ）的岩土所对应的单位管长换热量从３８．４０Ｗ，ｍ增加到６２．８５Ｗ／ｍ，增幅为６３．７％，因此对于导热

５２

建筑热能通风空调

２００８生

系数比较大的土壤而言，提高回填材料的导热系数会使单位管长换热量有大幅度的增加，但是最好不要超过２．５Ｗ／（ｍ Ｋ）。

位管长换热量增加，当回填材料的导热系数达到２．５Ｗ／（ｍ Ｋ）时。再提高其导热系数对单位管长换热量影响很小。参考文献

【１】

崔萍，刁乃仁，方肇洪，等．地热换热器ｕ型埋管的传热模型及热阻计算【Ｊ】．暖通空调，２００３，３３（６）：１０８ １１０

【２】

ＢｏｓｅＪＥ，ＰａｒｋｅｒＪＣｌｏｓｅｄ

Ｌｏｏｐ

３

结论

１）夏季制冷时，循环液最高出口温度越高，单位

管长换热量越大，系统初投资减少，但是运行成本增加

，

Ｄ，ＱｕｉｓｔｏｎＦＣ．ＤｅｓｉｇｎＤａｔａＭａｎｕａｌｆｏｒ

Ｈｅａｔ

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ＰｕｍｐＳｙｓｔｅｍｓ【ｈｑ．Ａｔｌａｎｔａ

好相反大

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（ｈｍｅｒｃｉａ）：ＡｍｅｒｃｉａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆｈｅａｔｉｎｇＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇａｎｄＡｉｒ

ＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，１９８５

２）随着土壤源系统运行时间的增加，地下换热器

的设计埋管间

距应增

。

１３］

ＺｅｎｇＨＹ，ＤｉａｏＮＫＦａｎｇＺＨ．Ａｆｈｌｉｔｅ１ｉｎｅ ｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌｆｏｒ

ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ【Ｊ】．ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ－Ａｓｉａｎ

３）地下换热器的埋管深度增加，能有效节约占地面积，但是换热器单位管长的换热能力会减弱，在运行时间较短的情况下，不宜选择较大的埋管深度。

４）钻孔直径以及两支管间距的增大都能增加ｕ型管的换热效果，但会增加钻孔的费用。

５）土壤以及回填材料的导热系数增加都会使单

【６】［４】

ｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｈｅａｔ

Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００２，３ｌ（７）：５５８—５６７

王勇．地下埋管换热器性能研究【硕士学位论文】【Ｄ】．重庆：重庆建筑大学，１９９８【５】

张旭．土壤源热泵的实验与相关基础理论研究［Ｊ】．现代空调，２００１，（３）：７６－８４

李家伟，廉乐明，于立强，等．土壤源热泵的理论与实践研究【Ａ】．见：１９９５年暖通空调年会论文集［ｃ】，１９９５：４０８－４１０

（上接４７页）

表２两种供冷方式的计算结果

中供热，热电冷三联供集中供冷方式较之分散电压缩式供冷无优势而言，其劣势在于蒸汽输送环节由于温降和压降造成的损失，特别是在蒸汽凝水不回收、管理水平较低、又无废热可利用的情况下，要慎重考虑采用。

３）影响供冷方式选择的因素很多，例如能源供应、经济、环保因素等。要全面地评价供冷方式，还应该进行综合分析与考虑。参考文献

［１】

付林，江亿．热电冷联供系统经济性的影响因素分析田．区域供热，１９９９，（３）：３．６

注：蒸汽演化锂吸收式机组供冷方式除消耗热能以外，其辅助设备（例如冷却水泵、冷冻水泵等）也消耗一定电能，因此在计算过程中也应予以考虑。括号内的数值前一部分为消耗的蒸汽的土ｊ８值，后一部分为消耗的电能的失甩值。

【２】朱明善，林兆庄，刘颖，等．工程热力学【Ｍ】．北京：清华大学出版社，１９９５

【３】

付林，江亿．从第二定律看热电冷联供系统的能耗［Ｊ】．能源技

术，２０００，（９）：１４２－１４７

４

结论

利用热力学第二定律的分析方法对于供冷方式

【４】傅秦生．能量系统的热力学分析方法【Ｍ】．西安：西安交通大学

出版社。２００５【５】

吴存真，张诗针，孙志坚．热力过程太用分析基础【Ｍ】．浙江：浙

江大学出版社。２００４

的能源分析，考虑了能量质量的差别和全过程的各个环节影响，更为全面合理，由以上分析可以得出以下结论：

１）热电厂系统是造成供冷方式效率较低的主要薄弱环节，其原因在于通过燃烧方式将燃料的化学能转变成热能的转换方式不合理，造成了较大损失。

２）热电冷三联供集中供冷不同于热电联供的集

【８】【７】【６】

赵冠春，钱立伦．失用分析及应用［Ｍ】．北京：高等教育出版社，

１９８４

国俊杰，孙强，高斌．７５Ｔ循环硫化床锅炉运行规程固．济南：

济南明湖热电厂，２００３

李学涛，师蕴慧．３＃汽轮机运行规程【Ｚ】．济南：济南明潮热电厂．２０００

万方数据