探析地源热泵的地埋管群换热特性

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1、探析地源热泵的地埋管群换热特性（浙江陆特能源科技股份有限公司浙江杭州310051）摘要：结合某实际工程的地埋管群阵列布置情况和地源热泵系统的运行情况，对典型区域的地埋管群运行5年中的埋管换热特性进行了动态数值模拟和分析。提出了温度偏离度和换热保证度的概念，并研宄了二者在地源热泵长期运行过程中的变化规律。建议尽量减小冷热负荷不平衡率，以保证地源热泵系统稳定可靠的运行。关键词：地源热泵；温度偏离度；换热保证度；负荷不平衡率1工程概况某博览中心地源热泵实际工程直面长江，大部分岩土体处于湿饱和状态，形成地下水流动，有助于带走

2、富集在地埋管周围的多余冷热量，提高地埋管的换热能力，同时该区域的地质可钻性较好，钻井的成木相对较低，适于采用大规模的井群取热和排热。釆用地埋管地源热泵系统承担展馆商业区和会议中心的全部热负荷及部分冷负荷。依据岩土热物性测试数据和地质勘查资料，单U形地埋管的井深为90m,夏季单位井深散热量取60W/m,冬季单位井深取热量为40W/m。对应的岩土体初始温度为17.5°C。考虑到建筑物布局形式，埋管采用30×40阵列布置，钻井间距为5.0m。根据工程的群井阵列布置情况和地源热泵系统实际的运行情况，对埋管IX域的

3、地埋管换热过程进行数值模拟，通过充分认识多热源群井的换热特性关系，提出合理布置、优化系统运行模式的控制方法，实现浅层地能的充分利用。2数值模型2.1模拟对象考虑到地埋管埋设群井区域结构的对称性和地埋管群井换热的长期性能分析，对埋管区域采用二维模拟计算与分析，取用其中的1/4平面（20×15阵列）作为模拟计算区域，如图1所示，可减少计算量，以免造成很大的计算资源负担。采用非结构化网格划分几何模型，节点总数约为450000个。式中q为地埋管实际换热能力；q0为设计换热能力。3.2岩土体温度变化为详细了解地埋管

4、阵列局部点温度变化规律，选取3个典型监测点，具体的位置和坐标（相对于建模的坐标原点）如图1所示。苏中地埋管阵列中心点坐标为（0，0）;A,B点坐标分别为（50，40），（52.4，42.5）,距离中心点的距离约为对角线长度的1/2,其中A点为4个埋管对角中心点，B点距离井壁0.1m;C点坐标为（97.4,72.5）,为埋管阵列边界点，相对于井壁的位置与B点对疲。图3给出了设计负荷工况下3个典型监测点在每年周期为空调季&ram恢复季→供暖季→恢复季的5年运行期内的温度连续变化过程。从图中可以看出，由

5、于热泵系统供冷和供热工况交替进行，对应着地埋管换热器散热、取热过程的交替以及不运行期间岩土体温度的恢复，岩土体各点温度呈现以年为周期的变化规律。每个周期内波动幅度大体相同。但是由于空调季的总负荷人于供暖季，加上此地区夏季制冷工况延续吋间长于冬季供暖工况，致使5年的运行期内地埋管排热量要远大于取热量，各岩上体监测点温度呈现总体上升趋势，温度偏离度越来越大。如A,B,C点的温度偏离度从0分别上升到0.76,0.75,0.24。B点和C点的温度几乎是随负荷的变化而即吋变化，与地源热泵运行工况变化同步，而对角中心点A点的温度

6、变化明显滞后。处于边界处的C监测点的温度偏离度最小，与岩土体初始温度最接近，这说明边缘部分的埋管与周围岩土体换热充分，能够借助热扩散作用和间歇运行逐步趋近于岩上体自然状态，只是由于地埋管夏冬季冷热负荷极度不平衡，导致其温度偏离岩上体自然态温度，但温度波动幅度较之于B点不是很人，能够保证地埋管的换热能力和地源热泵系统的运行效果。图35年运行期内监测点温度变化3.3岩土体换热变化在图2所示的实际的空调供暖负荷条件下，冷热负荷不平衡率为45.8%，根据岩土体温度偏离度分析可知，经过多年的冷热工况交替运行后岩土体的温度增加幅

7、度较大，已经很难保证地埋管的设计换热能力，虽然可增大冬季地埋管的取热能力，但建筑气候分区属于夏热冬冷的地区供暖负荷相对较小且供暖期较短，这会不利于地埋管的夏季排热工况。在此情况下，可根据建筑物功能布局和空调冷热源的可利用条件，采用复合式地源热泵系统，即利用地表水或冷却塔实现辅助散热，达到缓解地埋管冬夏季取排热不平衡的问题。图4给出了地埋管排热/取热负荷在45.8%和10%不平衡率条件下供冷供热交替运行5年中岩土体平均温度偏离度的变化情况。图4负荷不平衡率对岩土体平均温度偏离度的影响从图4可以看出，在冷热负荷不平衡率为

8、45.8%的情况下，地埋管地源热泵系统运行5年后岩土体的平均温度偏离度为0.55,岩土体总温升约为9.58'C（各年岩土体温度最终分别上升到19.46,21.39，23.31，25.21，27.08°C）。每年温度上升虽有利于地埋管从岩土体中取热为建筑物供暖，但不利于地埋管的排热工况，难以保障夏季热泵系统的稳定运行。由于冷热负荷不均导致的岩土体