1、概述
地埋管地源热泵以大地为热源和热汇，通过地埋管换热器与大地进行热交换，为建筑物供冷和供热，具有技术经济性好和环保的特点［1-2］。
竖直地埋管换热器一般包括单U形、双U形和套管式。套管式地埋管换热器由同轴的内外管组成。循环介质流动方式分为两种：外进内出：循环介质从外管流入、内管流出；内进外出：循环介质从内管流入、外管流出。与U形地埋管换热器相比，套管式地埋管换热器工作过程更复杂。胡映宁等人［3］搭建套管式地埋管换热系统，研究流量、内外管管材及循环介质流动方式对套管式地埋管换热器换热能力的影响。库美亮等人［4］通过实验，测试分析了一种大直径宽通道套管式地埋管换热器的换热性能，结果表明套管式地埋管换热器在换热效率上优于双U形地埋管换热器。Gordon等人［5］提出套管式地埋管换热器的半解析模型，研究套管尺寸和管材对换热的影响。本文采用模拟方法，对套管式地埋管换热器换热能力的影响因素进行研究。
2、数值模型
①模型
采用商业软件TRNSYS建立套管式地埋管换热器模型，模型每部分均为圆柱体，俯视图（模型的50%）见图1。参考一般地埋管换热器的热影响区域，热影响半径取3 m。套管式地埋管换热器的外管外直径为90 mm，壁厚为8.2 mm。内管外直径为50 mm，壁厚为4.6 mm。内外管均为PE管。钻孔深度100 m，钻孔直径为160 mm。岩土热导率为2.1 W/（m·K），岩土单位体积热容为1 800 kJ/（m3·K）。回填材料热导率为2.25 W/（m·K），回填材料单位体积热容为1 700 kJ/（m3·K），套管管壁热导率为0.45 W/（m·K）。土壤初始温度为19 ℃。循环介质（水）流动方式为内进外出。套管式地埋管换热器的工作起始时间从1 h开始，结束时间为8 760 h。供暖期为1~1 536 h、7 896~8 760 h，供冷期为3 192 h~6 552 h。供暖期、供冷期以外时间，土壤温度自然恢复。
图1 套管式地埋管换热器模型（50%）俯视图
②设定与边界条件
套管式地埋管换热器及其周边回填材料、岩土、循环介质等物性参数和成分保持不变，各层土壤具有同等的物性参数。外管与回填材料、回填材料与岩土间的接触热阻不计。地下水对套管式地埋管换热器换热影响不计［6-8］。除地面外，热影响边界及钻孔底部均设定为土壤初始温度。地面存在散热损失（由软件自行计算），地面空气温度为武汉地区典型年的室外空气温度。
③仿真模型
采用TRNSYS软件建立套管式地埋管换热器仿真模型，主要由套管式地埋管换热器模块（Type557d）、PID控制模块（Type23）和供暖期、供冷期函数模块（Type14k、Type14l）组成。PID控制模块充当外部冷热源的角色，用于控制套管式地埋管换热器的进出口水温。
3、换热能力的影响因素
3.1 定进出水平均温度
供暖期进出水平均温度控制目标为9.5 ℃，供冷期进出水平均温度控制目标为32.5 ℃，循环介质流体流速为0.4 m/s，地埋管初始进水温度为20 ℃。
地埋管进出口水温、土壤平均温度、进出水平均温度、取排热流量随时间的变化见图2。取热流量为正值，排热流量为负值。供暖期进出水平均温度首次达到9.5 ℃时，取热流量为11.89 kW，为第14 h。随后，取热流量减小，土壤平均温度下降，第1 536 h的取热流量降至3.85 kW。供冷期进出水平均温度首次达到32.5 ℃时，排热流量为13.32 kW，为第3 210 h。随后，排热流量减小，土壤平均温度升高，供冷期结束时（第6 552 h）的排热流量降至4.18 kW。下1个供暖期开始后（第7 896 h），供暖期进出水平均温度首次达到9.5 ℃时，取热流量为13.87 kW。随后，取热流量减小，土壤平均温度下降。
图2 地埋管进出口水温、土壤平均温度、进出水平均温度、取排热流量随时间的变化
3.2 定进水温度
供暖期地埋管进水温度设定为7 ℃，供冷期地埋管进水温度设定为35 ℃。
①流速
钻孔深度为100 m时，不同流速的最大最小取热流量、最大最小排热流量见表1。由表1可知，钻孔深度一定时，循环介质流速越大，套管式地埋管换热器的换热能力越强。循环介质流速由0.2 m/s增至0.7 m/s，最大取排热流量增幅达到45%，而最小取排热流量增幅仅为12%~15%。由模拟结果可知，在取热、排热末期，土壤内冷热聚集达到最大，即使增大循环介质流速，对提高取排热流量的帮助也不明显。
表1 钻孔深度为100 m时不同流速的最大最小取热流量、最大最小排热流量
②钻孔深度
循环介质流速为0.4 m/s时，不同钻孔深度的最大最小取热流量、最大最小排热流量见表2。由表2可知，循环介质流速一定时，钻孔深度越大套管式地埋管换热器的换热能力越强，这与参与换热的套管面积有关。钻孔深度由90 m增至120 m，最大、最小取热量分别增加25.0%、27.5%，最大、最小排热量分别增加20.6%、19.9%。
表2 流速为0.4 m/s时不同钻孔深度的最大最小取热流量、最大最小排热流量
4、结论
①定进出水平均温度条件下：供暖期进出水平均温度首次达到9.5 ℃时，取热流量为11.89 kW，为第14 h。随后，取热流量减小，土壤平均温度下降，第1 536 h的取热流量降至3.85 kW。供冷期进出水平均温度首次达到32.5 ℃时，排热流量为13.32 kW，为第3 210 h。随后，排热流量减小，土壤平均温度升高，供冷期结束时（第6 552 h）的排热流量降至4.18 kW。下1个供暖期开始后（第7 896 h），供暖期进出水平均温度首次达到9.5 ℃时，取热流量为13.87 kW。随后，取热量减小，土壤平均温度下降。
②定进水温度条件下：钻孔深度一定时，循环介质流速越大，套管式地埋管换热器的换热能力越强。循环介质流速由0.2 m/s增至0.7 m/s，最大取排热流量增幅达到45%，而最小取排热流量增幅仅为12%~15%。在取热、排热末期，土壤内冷热聚集达到最大，即使增大循环介质流速，对提高取排热流量的帮助也不明显。循环介质流速一定时，钻孔深度越大套管式地埋管换热器的换热能力越强。钻孔深度由90 m增至120 m，最大、最小取热量分别增加25.0%、27.5%，最大、最小排热量分别增加20.6%、19.9%。
参考文献：
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［3］胡映宁，李常春，王小纯. 套管式地埋管换热器换热性能实验研究［J］. 暖通空调，2011（9）：100-105.
［4］库美亮，桂树强，颜俊，等. 大直径宽通道套管式地埋管换热器热响应测试分析［J］. 世界地质，2020（1）：226-233.
［5］GORDON D，BOLISETTI T，TING D S，et al. A physical and semi-analytical comparison between coaxial BHE designs considering various piping materials［J］. Energy，2017，141：1610-1621.
［6］NOOROLLAHI Y，SAEIDI R，MOHAMMADI M，et al. The effects of ground heat exchanger parameters changes on geothermal heat pump performance-A review［J］. Applied Thermal Engineering，2018，129：1645-1658.
［7］FAN R，JIANG Y，YAO Y，et al. Astudy on the performance of a geothermal heat exchanger under coupled heat conduction and groundwater advection［J］. Energy，2007（11）：2199-2209.
［8］EROL S U，FRAN O B. Multilayer analytical model for vertical ground heat exchanger with groundwater flow［J］. Geothermics，2018，71：294-305.
作者：胡志高，王彦芳，谢毅伟，宁轶，胡平放，雷飞，朱娜
第一作者单位：湖北风神净化空调设备工程有限公司
摘自《煤气与热力》2021年5月刊
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