地源熱泵地下高效換熱系統(tǒng)熱積累研究

薛頎，祖國(guó)全

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊(duì)，安徽合肥 230011；2.安徽省方舟科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230601）

0 引言

地下熱島效應(yīng)的形成與危害是地源熱泵地下?lián)Q熱系統(tǒng)熱積累的主要問(wèn)題之一，一直是業(yè)內(nèi)高度關(guān)注的重要問(wèn)題。本文在開(kāi)展傳統(tǒng)U型管換熱器實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)高效換熱井進(jìn)行了熱積累實(shí)驗(yàn)研究。

地下?lián)Q熱器在使用過(guò)程中，地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)與周邊巖土之間一般保持5℃以上的溫差，當(dāng)排熱或吸熱量持續(xù)超過(guò)巖土散熱速度時(shí)，地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)與周邊巖土的溫差會(huì)逐步縮小，形成熱積累。當(dāng)溫差接近零時(shí)，地埋管進(jìn)出水溫度也接近零，形成熱短路[1～2]。為了解地下?lián)Q熱系統(tǒng)的熱積累規(guī)律，我們進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤觀測(cè)，初步研究成果如下：

1 地埋管換熱器單孔熱積累

為研究地埋管換熱系統(tǒng)單孔熱積累問(wèn)題，我們首先建造了一口高效換熱井，采用Φ110鋼管作為支護(hù)和換熱管，內(nèi)置PE40直管作為循環(huán)導(dǎo)流管，支護(hù)管完全密封，循環(huán)介質(zhì)與周邊巖土只有熱交換，沒(méi)有地下水參與交換。冷井一周后，測(cè)量其原始溫度為18.9℃，再連續(xù)循環(huán)加熱48小時(shí)，停止加熱，此時(shí)換熱井的進(jìn)水溫度40.3℃，出水溫度35.6℃，平均溫度38.0℃。

停止加熱40分鐘、44小時(shí)、20天、50天后，分別對(duì)井下各層溫度進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)表1。從表中可以看出，井下平均溫度與初始溫度相比，40分鐘后高14.4℃，44小時(shí)后高2.9℃，20天后高0.4℃，50天后高0.3℃。

表1 地下?lián)Q熱器試驗(yàn)井不同時(shí)間段溫度變化Table 1.Temperature changes in underground heat exchanger test well at different time periods

從圖1和圖2可以看出，高效換熱井在冷卻20天后，井內(nèi)平均溫度已基本恢復(fù)到原始狀態(tài)。

圖1 觀測(cè)井初始溫度與停止加熱后不同時(shí)間段井溫實(shí)測(cè)曲線Figure 1.Measured curves of initial temperatures and well temperatures at different time periods for the observation well after heating stops

圖2 高效換熱井停止加熱后平均溫度變化曲線Figure 2.Average temperature change curve of efficient heat exchange well after heating stops

2 高效換熱井群孔熱積累

為研究高效換熱井群孔熱積累問(wèn)題，我們?cè)诤戏誓炒髮W(xué)建筑藝術(shù)館80口高效換熱井的周邊布置了6口觀測(cè)孔，觀測(cè)井分布見(jiàn)圖3，各觀測(cè)井與工作井距離見(jiàn)表2。

圖3 觀測(cè)井與實(shí)際使用井位置分布圖Figure3.Distribution of observation wellsand workingwellsin use

在2013年冬季開(kāi)機(jī)前、開(kāi)機(jī)20天后、開(kāi)機(jī)53天后、停機(jī)10天后、停機(jī)50天后分別測(cè)量各觀測(cè)井溫度，見(jiàn)表2。

表2 觀測(cè)井冬季使用前后10m以下平均溫度Table 2.Average temperatures of observation wells at depths below 10m before and after working wells put to use in winter

圖4是觀測(cè)井冬季使用前后10m以下平均溫度變化曲線。圖中顯示，測(cè)試井距工作井2m以內(nèi)有明顯影響，但最大影響溫度不超過(guò)2℃，2.5m以上基本沒(méi)有影響。停機(jī)10天后，2m以上測(cè)試井溫度基本恢復(fù)，50天后所有測(cè)試井溫度基本恢復(fù)。

圖4 觀測(cè)井冬季使用前后10m以下平均溫度變化曲線Figure 4.Average temperature variation curves of observation wells at depths below 10m before and after working wells put to in winter

3 模擬計(jì)算

（1）設(shè)定巖土平均溫度為20℃，巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/(m·℃),換熱井出水溫度維持30℃，并持續(xù)120天[3]，對(duì)巖土溫度影響范圍見(jiàn)圖5、圖6，顯示對(duì)2.5m以外巖土影響溫度小于1℃。

圖5 換熱井出水保持30℃并持續(xù)120天溫度影響范圍Figure 5.Temperature influence range of heat exchange well when outlet water is kept at 30℃for 120 days

圖6 換熱井出水保持30℃并持續(xù)120天溫度影響范圍曲線Figure 6.Temperature influence range curve of heat exchange well when outlet water is kept at 30℃for 120 days

（2）設(shè)定巖土平均溫度為20℃，巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/(m·℃)，地?fù)Q熱井出水溫度維持35℃，并持續(xù)120天[3]，對(duì)巖土溫度影響范圍見(jiàn)圖7、圖8，顯示對(duì)3m以外巖土影響溫度小于1℃。

圖7 地埋管出水保持35℃并持續(xù)120天溫度影響范圍Figure 7.Temperature influence range of ground heat exchanger when outlet water is kept at 35℃for 120 days

圖8 換熱井出水保持35℃并持續(xù)120天溫度影響范圍曲線Figure 8.Temperature influence range curve of heat exchange well when outlet water is kept at 35℃for 120 days

4 高效換熱井與U型地埋管換熱器熱積累對(duì)比

高效換熱井與U型地埋管換熱器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

圖9 高效換熱井與U型地埋管換熱器結(jié)構(gòu)圖Figure 9.Structure diagram of efficient heat exchange well and U-shaped ground heat exchanger

U型地埋管換熱器進(jìn)水和出水都直接與周圍巖土進(jìn)行熱交換，進(jìn)出水流速相等，進(jìn)水與出水管之間的巖土只有幾十厘米，這部分巖土最容易產(chǎn)生熱積累。U型地埋管換熱器由于數(shù)量多，占地面積大，在實(shí)際工程中往往按網(wǎng)格狀排布，大大增加了熱積累的速度[4～5]。

高效換熱井只有進(jìn)水與巖土進(jìn)行熱交換，換熱面積大，交換后的水到井底后，由導(dǎo)流管以較快的速度輸送到地表，難以形成熱積累和熱短路[6]。在實(shí)際工程中，由于高效換熱井的數(shù)量只有U型地埋管換熱器的10%～20%，一般布置成單排或雙排，井與井的間距較大，因此形成熱積累的速度大大減緩。

5 結(jié)論

（1）網(wǎng)狀布置的地埋管換熱器較易產(chǎn)生熱積累，井的間距越小，產(chǎn)生熱積累的速度越快。

（2）換熱器數(shù)量（或總延米）應(yīng)與建筑物的負(fù)荷相匹配，設(shè)計(jì)安全系數(shù)越高，總延米越長(zhǎng)，產(chǎn)生熱積累的速度越慢。

（3）高效換熱井由于特殊的結(jié)構(gòu)和布井方式，難以產(chǎn)生熱積累。