摘要:为了提高关中黄土地区地源热泵系统的运行效率，对西安某地工业厂房地源热泵项目设计进行优化。通过现场热响应试验，分析了埋管形式、进口流速、管距等不同埋管特性对地埋管换热特性的影响，提出优化设计策略，通过调试试运行，运行效果良好。
关键词:地源热泵;热响应试验;换热器;埋管形式
0引言
随着社会的进步和科技的迅速发展，能源问题已经发展为全球性问题，化石燃料的燃烧导致了一系列空气污染和环境恶化，寻求清洁可持续能源是解决能源和环境问题的关键一步［1］。土壤源地源热泵系统以其高效节能、环保、可持续等特点逐渐走入人们视野，获得越来越多行业相关人员的青睐，近年来在我国也得到了快速发展。地源热泵换热效率受内因主要包括井型(单U/双U、串联/并联)、结构(井径、井深)和地埋管换热循环流量、循环进出水温度等因素影响，上述因素不仅影响系统换热效率，也关系着项目的造价和运行成本。本文依托西安某工业厂房及办公区土壤源地源热泵项目，通过热响应试验，对不同工况地源热泵换热特性进行分析研究，最终形成工程示范和系统优化［2－4］。
1地源热泵热响应测试
1．1试验原理
根据《地源热泵系统工程技术规范》，地埋管地源热泵工程应进行地下岩土热响应实验，对地埋管换热孔回填材料、孔直径、钻孔深度、埋管形式、埋管间距、运行工况下埋管流体设计温度及运行时间等条件，计算得到测试条件下地埋管换热器单位孔深换热量参考值，以指导地埋管换热器进行工程优化设计。热响应测试方法为恒热流法。恒热流热响应法是国际地源热泵协会推荐的标准方法，也是我国《地源热系统工程技术规范》中指定的地下岩土热物性测试方法。测试过程中测试只要保持加热功率恒定钻孔进出口温差基本稳定，埋管热流流量与功率也基本恒定，可以满足恒热流线热源数的使用条件。
1．2试验概况及测试装置
本项目位于西安市高新区，于2020年8月开展地埋管地源热泵系统测试，测试系统主要由热响应测试装置钻孔和测试孔温度监测装置组成。热响应测试装置采用华中科技大学地源热泵研究所研发的一套便携式岩土热物性测试装置，对测试孔进行一定时间的连续散热试验，并实时记录加热功率、水流量和温度数据，依据GB50366—2009地源热泵系统工程技术规范，分析得到岩土热物性参数，测试仪工作原理如图1所示。钻孔温度监测装置，由自动化数据采集系统连接孔内不同深度测温探头对孔内温度进行连续监测［5］。测试孔钻孔直径为150mm，深度150m，双U型HDPE管，管外径25mm埋管形式，埋管间距为5m，改变单一条件进行试验时，其他条件不变，测试孔详细参数见表1，孔内温度传感器采用pt100型铂电阻;地层结构主要分为5层，回填材料为原浆+黄沙(体积比80%+20%)，稳定地下水位16m。
2试验结果
2．1不同埋管管径及布管形式影响分析
通过对不同埋管管径及布管形式进行现场热响应测试，管径分别为DN25和DN32，布管形式有DN32单U，DN32单U双孔串联、DN32单U双孔并联、DN25双U并联、DN32双U串联、DN32双U并联，其他测试参数不变，得出对比曲线如图2所示。对比不同埋管管径及布管形式对换热量影响可以得出，增大管径时DN32双U并联较DN25双U并联夏冬季延米换热量提高7．03W/m和3．50W/m，提高20．5%和14．5%;DN32双U并联较DN32单U夏冬季延米换热量提高12．91W/m和8．12W/m，提高37．7%和33．7%;DN32单U串联较DN32单U并联夏冬季延米换热量提高12．91W/m和8．12W/m，提高3．1%和3．2%;DN32双U串联较DN32双U并联夏冬季延米换热量提高12．91W/m和8．12W/m，提高2．3%和1．5%。综上可以得出，采用双U形式和增大管径可有效的提高换热量，串联方式连接较并联方式连接一定程度上可提高延米换热量，同时需考虑串并联流体沿程阻力问题［6－8］。
2．2不同埋管间距影响分析
埋管间距设置为3m，3．5m，4m，4．5m，5m，5．5m，6m，其他参数不变。由图3可知，井间距由3m增加到4m时，夏冬季延米换热量提高7．7%和4．3%;井间距由4m增加到5m时，夏冬季延米换热量提高4．3%和5．1%;井间距由5m增加到6m时，夏冬季延米换热量提高3．5%和1．4%。因此，提高换热井间距可提高延米换热量，需结合项目场地条件进行井间距设计，通过本文研究，建议换热井间距为5m～5．5m。
2．3埋管介质不同循环流量对换热影响
选取介质流量为0．8m3/h，1．0m3/h，1．2m3/h，1．4m3/h，1．6m3/h和1．8m3/h，其他参数不变，稳定加热功率为5．4kW。通过不同流量现场试验进行换热量影响分析曲线如图4所示。在进水温度一定的条件下，不同进水流量会得出不同的换热量，为研究不同进水流量对地埋管换热性能的影响，选用单管进水流量分别为0．4m3/h，0．5m3/h，0．6m3/h，0．7m3/h和0．8m3/h，进水温度为32．75℃，数值模拟运行48h。不同单管进水流量对应的总换热量和延米换热量如图5所示。从图4可以看出，随流量增加夏冬季延米换热量呈增大趋势，流量由0．8m3/h增大到1．0m3/h时，夏冬季延米换热量提高9．3%，6．6%;流量由1．0m3/h增大到1．2m3/h时，夏冬季延米换热量提高5．7%，3．1%;流量由1．2m3/h增大到1．4m3/h时，夏冬季延米换热量提高2．6%，2．7%;流量由1．4m3/h增大到1．6m3/h时，夏冬季延米换热量提高1．8%，2．0%;流量由1．6m3/h增大到1．8m3/h时，夏冬季延米换热量提高1．4%，1．6%。可见提高流量可增大埋管换热量，但也会增大水泵运行功率，因此需综合分析水泵能耗与换热量之前变化关系，得出最优运行流量，建议运行流量为1．2m3/h～1．6m3/h。由图5可知，在进水温度一定的情况下，总换热量和延米换热量随流量的增大而增加，但增大的趋势逐渐放缓，这是由于流量的增加使管内流体的紊流更加剧烈，增强了管内流体与周围土壤的换热。当流量从0．4m3/h增大到0．5m3/h时，延米换热量从40．16W/m增大到了42．51W/m;从0．5m3/h到0．6m3/h时换热量随流量的变化已经开始减缓，从0．7m3/h增大到0．8m3/h时，延米换热量的增幅只有0．83W/m。随着流量的增加，延米换热量虽然也在增加，但其增加值却是在不断减小的。因此，在进行地热管换热器设计时，同一地区，相同回填材料，地埋管进水流量的增加可以增大换热量，从而减小换热器设计长度或孔数，但会使循环泵的扬程增大。综合考虑，双U型埋管内单管流量选取0．6m3/h～0．7m3/h比较经济合理［9－10］。
2．4钻孔深度对地埋管换热特性影响研究
土壤源热泵空调系统的初投资高于其他形式的空调的初投资，而初投资中钻井费用占到了初投资的1/3左右，因此，合理的钻井深度很大程度上决定了系统初投资的多少，对地源热泵系统的推广应用有重要的意义。为研究钻孔深度对双U形地埋管换热性能的影响，本文选用钻井孔深分别为60m，80m，100m，120m，150m，180m和200m，进水温度为32．75℃，单管进水流量0．5m3/h，运行48h。不同钻孔深度对应的总换热量和延米换热量如图6所示。由图6可知，延米换热量随钻孔深度的增加逐渐减小，钻孔内总换热量随着钻孔深度增大而增大。采用较深钻孔可以得到更大的总换热量，减少地埋管占地面积，但会使延米换热量降低，而且会增加相应的钻孔成本。因此，在实际工程中要综合考虑地埋管换热器容量要求、可供钻孔面积和钻孔成本等各种因素来确定钻孔深度，在类似的工况条件下，钻孔深度取150m左右比较经济合理。
3地源热泵施工优化设计
将DN32单U和DN32双U经济性进行比对分析，可以得出同样冷负荷下DN32单U材料量较DN32双U材料量减少29．5%，钻孔延米量增大40．1%，结合材料和钻孔延米单价，采用DN32双U较DN32单U总成本节省10%左右，面积减小30%左右。因此，建议采用DN32双U型埋管设计［11－15］。结合不同埋管间距影响分析计算，提高换热井间距可提高延米换热量，在场地面积允许条件下，建议将换热井间距设计为5m～5．5m，换热效率可提高6%～8%。通过运行参数影响分析研究，综合分析水泵能耗与换热量变化关系，得出最优运行流量，建议运行流量为1．2m3/h～1．6m3/h，钻孔深度取150m左右比较经济合理。根据相关文献及现场试验，项目所在区域的地埋管换热器延米取热量取40W/m，延米放热量取60W/m。建筑总冷负荷4200kW，热负荷2700kW。夏季冷负荷明显大于冬季热负荷，所以地埋管的埋管换热量应该满足夏季最大冷负荷需求，浅层钻孔设计数量计算如下:1)制冷工况下对土壤排热量。Q1=Q'×(1+1/EEＲ)(1)其中，Q1为夏季对土壤的排热量，kW;Q'为夏季最大冷负荷，4200kW;EEＲ为设计工况下地源热泵主机的制冷性能系数EEＲ=6．0。根据式(1)可得夏季对土壤的排热量Q1=4900kW。制热工况下对土壤吸热量。Q2=Q'×(1－1/COP)×A其中，Q2为冬季对土壤的吸热量，kW;Q'为冬季最大热负荷，2700kW;COP为设计工况下地源热泵主机的制热性能系数，COP=5．0;A为系统热损失，取值1．1。根据式(2)可得冬季对土壤的吸热量Q2=2376kW。夏季对土壤的排热量大于冬季对土壤的吸热量，所以浅层钻孔设计数量应依据夏季总冷负荷计算，由于冷热不平衡，因此为解决热堆积问题，建议增加冷却塔进行调节。钻孔埋管长度计算。L=Q1×1000/q(3)其中，L为埋管总长度，m;q为双U型de32mmPE管夏季每延米井的换热量，本项目取60W。根据式(3)可得项目钻孔埋管总长度L=81667m。4)钻孔数量。N=(L/H)×0．9×1．015(4)其中，N为钻孔数量，个;H为钻孔深度，150m。注:水平埋管约占垂直管有效换热长度10%(GLD软件模拟)，钻孔数量一般富余1．5%。根据式(4)，钻孔数量N=498。因此，钻孔数量为498个可满足冬夏季冷热负荷。根据上述分析，最终优化设计为采用DN32双U型埋管，换热井间距设计为5m，钻孔深度取150m，运行流量范围为1．2m3/h～1．6m3/h，钻孔数量为498个。
4项目运行效果
4．1项目概况
本项目主要针对生产车间及配套办公建筑，采用竖直地埋管地源热泵系统进行供暖(制冷)。供暖(制冷)面积为22404．40m2(项目建筑为高大厂房，单层最高24m，制冷量4200kW，制热量2700kW，折合普通建筑约7万m2)，项目包括室外地源热泵工程:共施工498口地源热泵地埋管换热器，有效孔深150m，设计孔径150mm(保证竖直管顺利下放到位)，竖直管为承压1．6MPa型DN32PE100管，双U布置，地埋管换热器环路的水平管为DN40PE100。本项目按施工要求如期完成，系统于2021年7月调试完成，完成制冷季和采暖季的运行，运行效果良好。夏季地埋管稳定期出水温度在22．4℃～25．0℃，利用温差在3．2℃～5．6℃之间，埋管系流量900m3/h，地源热泵系统最大提供4219kW冷负荷;冬季地埋管稳定期出水温度在14．2℃～15．8℃，利用温差在3．0℃～4．1℃之间，地源热泵系统最大提供4104kW热负荷，符合设计要求。
4．2项目运行情况
夏季用户侧办公楼室内温度在19℃～23℃之间、湿度39%～55%之间，工业厂房内温度在22℃～25℃之间、湿度32%～57%之间;冬季用户侧办公楼室内温度在19℃～24℃之间、湿度34%～65%之间，工业厂房内温度在17℃～19℃之间、湿度32%～57%之间，均满足设计要求。
5结语
影响地源热泵地埋管换热量的因素较多，主要有换热管管径、连接方式、埋管间距、埋管深度等等，但影响大小不同，研究各因素对换热量影响是必要的。通过热响应试验可以得出，西安地区地源热泵设计参考范围为DN32双U型埋管设计、换热井间距设计为5m～5．5m、运行流量为1．2m3/h～1．6m3/h、钻孔深度取150m。根据项目运行情况，冬季办公楼温度在19℃～24℃之间，工业厂房内温度在17℃～19℃之间，夏季办公楼温度在19℃～23℃之间，工业厂房内温度在22℃～25℃之间。完全符合国家要求，本项目优化设计合理，经济性好，可为西安关中地区同类项目施工提供借鉴。
作者:王义杰 韩永亮 汪启龙 孙玉亮 单位:中煤科工集团西安研究院( 集团) 有限公司
