地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算方法研究

魏新華，湯昌福，俞顯忠（1 安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽合肥 230088；2 合肥市淺層地?zé)崮芄こ碳夹g(shù)研究中心，安徽合肥 230088）

地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算方法研究

魏新華1，2，湯昌福1，2，俞顯忠1，2
（1 安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽合肥 230088；2 合肥市淺層地?zé)崮芄こ碳夹g(shù)研究中心，安徽合肥 230088）

地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。為規(guī)范地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算，從《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》基本要求出發(fā)，以合肥市某土壤源熱泵工程為例，進(jìn)行了地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算和校核模擬計(jì)算。研究表明，熱干擾對(duì)地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度有較大的影響，不考慮熱干擾影響的鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果偏小；由于熱堆積的影響，地埋管換熱器流體平均出口溫度呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。校核模擬計(jì)算結(jié)果表明地埋管換熱器鉆孔計(jì)算長(zhǎng)度能夠滿足規(guī)范的要求。

地埋管換熱器；鉆孔長(zhǎng)度；模擬

0　引言

淺層地?zé)崮苁且环N可再生能源，土壤源熱泵技術(shù)作為淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的主要技術(shù)之一，近年來在建筑節(jié)能應(yīng)用中獲得越來越多的關(guān)注[1~3]。與普通空調(diào)系統(tǒng)相比，土壤源熱泵系統(tǒng)初投資（主要是鉆孔成本）過高，阻礙了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)大規(guī)模推廣和應(yīng)用。Cane和Forgas[4]研究北美地區(qū)土壤源熱泵工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，地埋管換熱器的管長(zhǎng)都比實(shí)際偏大10%~30%，造成項(xiàng)目成本偏高，不利于土壤源熱泵技術(shù)的發(fā)展和推廣。

地埋管換熱器是土壤源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。選擇科學(xué)可靠的地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算方法，在保證地埋管換熱器換熱效果的長(zhǎng)度要求的同時(shí)，減少鉆孔量，降低鉆孔成本，減小項(xiàng)目初投資，可以有效提高土壤源熱泵項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)力，也是推廣地源熱泵空調(diào)技術(shù)的關(guān)鍵之一?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366-2005)[5]規(guī)定：“地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巖土體及回填材料熱物性參數(shù)，采用專用軟件進(jìn)行。豎直地埋管換熱器的設(shè)計(jì)也可以按本規(guī)范附錄B的方法進(jìn)行計(jì)算”；并且，地埋管換熱器的設(shè)計(jì)需要滿足要求“夏季運(yùn)行期間，地埋管換熱器出口最高溫度宜低于33℃；冬季運(yùn)行期間，不添加防凍劑的地埋管換熱器進(jìn)口最低溫度宜高于4℃。”因此，在確定地埋管換熱器長(zhǎng)度之后，還要進(jìn)行校核計(jì)算，即根據(jù)現(xiàn)有的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和面積以及建筑負(fù)荷，模擬地下?lián)Q熱器長(zhǎng)期運(yùn)行動(dòng)態(tài)特征，校核地埋管換熱器的整個(gè)壽命周期中循環(huán)液的出口溫度是否滿足規(guī)范的要求。

然而，目前大多數(shù)實(shí)際工程應(yīng)用中，地埋管換熱器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的計(jì)算方式往往采用單位延米換熱量的估計(jì)值進(jìn)行估算，無法考慮鉆孔之間熱干擾的影響，并且很少進(jìn)行校核計(jì)算，極易對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠高效運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。筆者以具體土壤源熱泵項(xiàng)目為例，進(jìn)行地埋管換熱器長(zhǎng)度計(jì)算，并按照《規(guī)范》的要求，對(duì)地埋管換熱器長(zhǎng)期運(yùn)行特性進(jìn)行了校核模擬計(jì)算。

1　地埋管長(zhǎng)度計(jì)算方法

《規(guī)范》附錄B給出了地埋管換熱器長(zhǎng)度計(jì)算推薦方法[5]，制冷工況（夏季）下：

制熱工況（冬季）下：

式中，下標(biāo)c，h分別表示制冷/供熱工況；Q—為建筑負(fù)荷，kW；EER/COP—制冷/制熱工況下系統(tǒng)效率；∞T巖土初始溫度，℃；Tmax/ Tmin—制冷/制熱工況下，地埋管換熱器中流體設(shè)計(jì)溫度，℃，Tmax通常取33~36℃，Tmin通常取-2~6℃；Fc/Fh滿足

Rf、Rpe和Rb分別為鉆孔內(nèi)流體對(duì)流熱阻、管壁熱阻、回填材料熱阻，m·K/W，具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[5]；Rs—地層熱阻，m·K/W，單個(gè)鉆孔時(shí)，熱阻Rs滿足[5]

多個(gè)鉆孔時(shí)，還要考慮鉆孔之間干擾的影響，土壤熱阻Rs滿足

其中，λs為 巖土導(dǎo)熱系數(shù)，W/ (m·K)；α為巖土熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/ s；τ為運(yùn)行時(shí)間，s；rb為鉆孔半徑，m；rij為鉆孔i和j之間的間距，m；I為指數(shù)積分函數(shù)[5]。Rsp—短期連續(xù)脈沖負(fù)荷引起的附加熱阻，m·K/W，

式中：τp—短期脈沖負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間，s；a為巖土熱擴(kuò)散系數(shù)。

根據(jù)式（1）和（2）分別計(jì)算得到Lh和Lc，取其中較大者作為地埋管換熱器長(zhǎng)度。

2　應(yīng)用實(shí)例

某土壤源熱泵工程建筑類型為辦公樓，位于合肥市，年平均氣溫約16.5℃，總建筑面積約為1828.1 m2，采用土壤源熱泵地能中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行夏天制冷和冬天供暖，夏季制冷時(shí)間從6月至9月，冬季制熱時(shí)間從12月至3月，系統(tǒng)運(yùn)行年限為10年?？照{(diào)設(shè)計(jì)室外計(jì)算參數(shù)：室外計(jì)算干球溫度：冬季-4℃；夏季35.1℃。夏季室外計(jì)算濕球溫度為28.1℃；冬季室外計(jì)算相對(duì)濕度78%；建筑物夏季空調(diào)最大冷負(fù)荷為110.82 kW，冬季空調(diào)最大熱負(fù)荷為99.77 kW。建筑月平均負(fù)荷如表1（冷負(fù)荷為正，熱負(fù)荷為負(fù)）。系統(tǒng)年冷負(fù)荷大于年熱負(fù)荷，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)存在地下熱平衡問題。

2.1巖土熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

工程前期進(jìn)行了巖土熱響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示地下巖土初始溫度19.9 ℃，地下巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)2.19 W/(m·K)，熱擴(kuò)散系數(shù)0.729×10-6m2/s。測(cè)試結(jié)論為：該項(xiàng)目適合采用土壤源地源熱泵技術(shù)，鉆孔深度100 m，鉆孔直徑127 mm，鉆孔間距4 m；采用單U埋管，管徑32 mm；埋管內(nèi)循環(huán)流體為水。

2.2地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算

系統(tǒng)夏季制冷效率EER=5.5，冬季制熱效率COP=4.5，鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算其他參數(shù)見表2。地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算步驟如下：

表1　建筑月平均負(fù)荷Table 1 Monthly average load for the building

表2　地埋管換熱器長(zhǎng)度計(jì)算參數(shù)Table 2 Parameters of borehole length calculation for ground heat exchanger

（1）計(jì)算鉆孔內(nèi)總熱阻Rbt= Rf+ Rpe+ Rb= 0.069 m·K/W；

（2）不考慮熱干擾，根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算鉆孔長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)c=1930.08 m，Lh=1084.16 m。選取鉆孔長(zhǎng)度L=1930.08 m，根據(jù)鉆孔深度，確定鉆孔數(shù)≈20個(gè)，選擇鉆孔布置形式為10×2；

（3）根據(jù)選定的鉆孔布置形式，考慮熱干擾的影響，計(jì)算鉆孔長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)c=2159.06 m，Lh= 1212.79 m。選擇鉆孔長(zhǎng)度L=2159.06 m，確定鉆孔數(shù) ≈22個(gè)，調(diào)整鉆孔布置形式為11×2，重新計(jì)算鉆孔長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)c=2159.06 m，Lh= 1212.79 m；

（4）最終確定地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度L=2200 m，鉆孔數(shù)22個(gè)，鉆孔間距4m，鉆孔布置形式為11×2（圖1）。

圖1　地埋管換熱器鉆孔布置形式Fig.1 Arranged form of boreholes for ground heat exchanger

值得注意的是，從上述計(jì)算過程可以發(fā)現(xiàn)，熱干擾對(duì)地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算有較大影響，不考慮熱干擾獲得的鉆孔長(zhǎng)度偏小，比最終鉆孔長(zhǎng)度小10.6%。

2.3地埋管換熱器長(zhǎng)度校核計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[6]建立的地埋管換熱器地下傳熱模擬方法，模擬地埋管換熱器長(zhǎng)期運(yùn)行10年溫度變化情況。圖2給出了其出口溫度和入口溫度變化情況：由于地下熱堆積的影響，地埋管換熱器出口溫度逐年上升的趨勢(shì)，例如夏季最高出口溫度（7月）第1年為26.3 ℃，第10年為28.89 ℃，上升了2.59 ℃；冬季最低進(jìn)口溫度（12月）第1年為16.32 ℃，第10年為18.73 ℃，上升了 2.41 ℃。夏季最高出口溫度和冬季最低進(jìn)口溫度均滿足《規(guī)范》[5]的要求，地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果合理。

圖2　地埋管換熱器運(yùn)行10年模擬出口和進(jìn)口溫度變化情況Fig. 2 Simulation temperature changes of outlet and inlet fluid for the gound heat exchanger during the 10 years

3　結(jié)論

（1）基于《規(guī)范》要求進(jìn)行了地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)鉆孔之間的熱干擾對(duì)地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度有較大影響，不考慮熱干擾獲得的鉆孔長(zhǎng)度要比最終計(jì)算鉆孔長(zhǎng)度小約10.6%，計(jì)算過程中應(yīng)考慮熱干擾的影響；

（2）由于熱堆積的影響，地埋管換熱器流體平均出口溫度呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。地埋管換熱器鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算應(yīng)進(jìn)行校核計(jì)算，模擬地埋管換熱器長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)口和出口溫度變化情況，保證地埋管換熱器進(jìn)口和出口溫度均在《規(guī)范》要求之內(nèi)。

[1]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京：高等教育出版社.2005.

[2]官煜，黃多成，陳學(xué)鋒，等. 安徽省淺層地?zé)崮軛l件[J]. 安徽地質(zhì)，2013，23（2）：137～141.

[3]李 清，李益湘，淺層地?zé)崮茉诤戏实貐^(qū)的應(yīng)用[J]. 安徽地質(zhì)，2010，20 （4）：283～286.

[4]Cane R L D, Forgas D A. Modeling of ground source heat pump performance [J]. ASHRAE Trans, 1991, 97 (1): 909-925.

[5]中華人民共和國建設(shè)部. GB50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[6]湯昌福，張文永，朱文偉，等.地下?lián)Q熱器變熱流傳熱模擬研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015, 45(6): 485～489.

A Study on the method of SizinG the borehole lenGth for the Ground heAt exChAnGerS

Wei xin-hua1, 2, tAnG Chang-fu1, 2, yu xian-zhong1, 2
(1. Institute of Exploration Research of Bureau of Coal Geology of Anhui Provinc, Hefei, Anhui 230088;2. Hefei Research Center of Shallow Geothermal Engineering and Technology, Hefei, Anhui 230088,China)

Sizing the borehole length of ground heat exchangers (GHEs) is the key of designing for the ground source heat pump system. To regulate the method of sizing the borehole length for GHEs from the "Technical code for ground-source heat pump system” requirement, borehole length calculation and checking calculation and simulation are presented through a case study of a ground source heat pump project in Hefei. Results indicate that the thermal interference has a great influence on the borehole length of GHEs. Without considering the thermal interference the borehole length will be smaller. Due to the effect of the heat accumulation underground, the average fluid outlet temperature of ground heat exchanger will increase gradually year by year. Simulation verification results show that the borehole length of GHE can meet the requirement of the technical code.

ground heat exchangers; borehole length; simulation

TK523

A

1005－6157（2016）01－057－4

2015-07-01

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)項(xiàng)目（2015-R1-012）和安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（2015YF-06，2015YF-07）資助

魏新華（1966 - ），女，山東萊蕪人，工程師，主要從事煤田地質(zhì)、淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用研究工作。