关键词：地源热泵；U型管；地埋管换热器；换热性能

    0引言

    地源热泵是一种从土壤、地下水等浅层资源中提取热量的高效、节能、环保的供热(冷)系统，是目前可以利用的对环境最友好和最有效的供冷、供热方式。影响地源热泵系统性能的因素很多，其中地埋管换热器的合理设计是当前地源热泵技术推广的难点。地埋管换热器有水平和垂直两种埋管方式，目前应用较多的是单u型管和双u型竖直地埋管换热器。本文研究了单U型和双U型地埋管换热器换热性能，对地埋管换热器进出口水温、能效系数进行了分析，为在设计时如何选择地埋管换热器形式提供理论依据，使系统设计既节约初投资，又达到最好的换热效果。

    1试验研究现场概况1试验研究现场概况测试地点：四川省绵阳市。测试时间：2013年11月。钻井数目：两口。钻井参数：钻井直径为100mm、钻井间距为4m、钻井深度为8Om。地埋管参数：U型地埋管管材为高密度聚乙烯管，其导热系数为0．42W／(m·K)，单u管外径为32mm，内径为26mm；双u管外径为25mm，内径为19mm。回填参数：采用中粗河沙进行回填，密度为1019．1kg／m，导热系数0．45W／(Ill·K)。管内流体参数：水，密度1000kg／m。，比热4187J／(kg·K)，导热系数0．585w／(m·K)。岩土构成：单U钻井岩土构成如图1所示，双u钻孔岩土构成与单u钻孔基本一致。地下岩层以泥岩和砂岩为主，并有较大的缝隙存在，且由于钻孔区域临近涪江，钻探勘察探明地下水较丰富，两钻井静止水位均为5m左右。

    2测试系统测试系统由岩土热物性测试仪、铜一康铜热电偶、膨胀水箱、流量传感器、温度传感器组成。其中岩土热物性测试仪中包含有保温水箱、电加热器和循环水泵。在系统供水水管上分别安装温度传感器和流量传感器用以测量供水温度和水流量；在系统回水水管上安装温度传感器，用以测量回水温度；在7个不同钻井深度随管埋人铜一康铜热电偶，用以测试初始地温。所有采集数据传输至计算机经处理后输出。测试现场如图2所示，各测试仪器参数见表1。为确保试验准确性，试验前对温度传感器和流量传感器进行了标定和校正，系统连接完成后对水平连接管段等外露管段进行了保温。

    3测试数据及计算结果

    3．1初始地温下管回填等一系列成井工序完成至少48小时后，钻井内温度恢复至与周围岩土温度基本一致，此时方可开始测量初始地温，利用预先在7个不同的钻井深度埋入的温度传感器分别对两个测孔的初始地温进行了26小时的连续测试，测试期间室外空气平均温度约为25％，测试得出初始地温如图3所示，其值取7个深度温度的平均值。单U管测试井原始地温为l7．6℃，双U管测试井原始地温为17．69％，两者相差仅0．09％，可认为两者原始地温相同。3．2地埋管换热器能效系数地埋管换热器换热能力用能效系数E表示：

    式中

    为研究地埋管不同埋管形式下的地埋管换热器能效系数，对单U、双U两种地埋管换热器的换热情况进行了58小时连续测试。测试时，加热水箱中的电加热器对两个测试系统给定6kW的恒定加热量，被加热后的循环水经过循环水泵运送至地埋管换热器，再通过地埋管换热器向周围土壤放热，经过放热后的循环水再次回到加热水箱中，如此往复循环。地埋管供回水温度、流量等测试数据由计算机自动记录，记录时间间隔为l0分钟。各工况测试参数及计算结果见表2；测试期间地埋管换热器温度变化情况如图4所示；能效系数随时间的变化情况如图5所示。

    4试验结果与分析

    4．1供回水水温分析由表2可知，单U管地埋管换热器供回水平均温度为28．49／25．45oC，温差为3．04oC；双u管地埋管换热器供回水平均温度为27．95／25．30℃，温差为2．65℃。双u型地埋管换热器供回水平均温差小于单u型地埋管，从温差讲，单u型地埋管换热器要优于双u型。而双U型地埋管换热器回水温度低于单u型地埋管，在制冷工况下，冷凝器的效率随回水温度的降低而升高。由此可知，在其余条件相同的情况下，双u型地埋管机组效率应高于单u型地埋管，与已有研究结论相同。从图4可以看出，单u管地埋管换热器与双u管地埋管换热器供回水温度随时间的变化趋势基本一致。整个测试周期内，供回水温度随时间持续升高。测试初期，供回水水温变化最大，这是由于土壤的导热系数很小，通过地埋管传至土壤的热量不能迅速的传出，使U型管周围的土壤温度急剧上升，供回水水温随之变化也较大。一段时间后，供回水温度变化速度减缓，系统运行基本稳定，但尚还不能达到传热平衡，此为换热过渡阶段，系统从开机到过渡阶段用时约为10个小时。有研究表明，换热器与系统之间的传热达到平衡所需时间约为90天。

    4．2地埋管换热器单位井深换热量分析由式(1)计算得出单u型地埋管换热器单位井深换热量为71．93W／m，单位管长换热量为35．86W；双u型地埋管换热器单位井深换热量为80．67W／m，单位管长换热量为20．15w。在相同规格的钻井内，双u型地埋管换热器布置了两组u型管，而单u型管换热器仅布置了一组。虽然双u型地埋管换热器热短路现象较单U管严重，但双u管的循环水流量为2．08rn／h，大于单u管1．65rn／h，换热面积理论上也是单u管的1．56倍。因此，双u型地埋管单位井深换热量仍然大于单U型地埋管换热器，钻井利用率也更高。

    4．3地埋管换热器能效系数分析由式(1)计算得出单u管平均能效系数为0．28，双U管平均能效系数为0．37。图5为单u型管换热器、双u型管换热器单位井深换热率随时间的变化。系统运行初期，能效系数最大，随着时间逐渐减小。这是由于系统运行初期，土壤温度更加接近初始地温，地埋管换热器的传热量接近理论传热量。随着时间的增加，土壤不断吸收存贮热量使得土壤本身的温度上升，地埋管换热的传热量与理论传热量差距增大，能效系数减小。如果系统采用间接运行形式，系统运行时土壤温度升高，能效系数随运行时间下降；而系统停机时，土壤温度逐渐恢复，能效系数再次升高。因此，间接运行可提高能效系数。

    5结论1)在其他条件相同情况下，单u型地埋管换热器供回水温差大于双u型地埋管换热器、回水温度高于双U型地埋管换热器，从温差讲，单u型地埋管换热器要优于双u型；但从回水温度讲，双u型地埋管换热器热泵机组运行效率要高于单u型地埋管换热器。2)在负荷一定情况下，单u型地埋管换热器单位井深换热量小于双u型地埋管；单位管长换热量大于双u型地埋管；双u型地埋管换热器钻井利用率较单u型高，使用双u型地埋管换热器在同样负荷情况下可减少钻井数量，但会增加管材使用量，对于地质坚硬、钻孔打井费用比较高的地区和埋管区域受限制场所，可以考虑使用双u型地埋管。3)本工程中单U型地埋管换热器平均能效系数为0．28，双U型为0．37。整个运行过程中，双U型地埋管换热器能效系数大于单u型；随着系统运行时问的增加，埋管周围土壤温度升高，能效系数减小。因此，问接运行有利于土壤温度恢复，可提高整体能效系数。