地源热泵地埋管换热器实际换热性能评价方法研究

杨  阳1，凌舒2，汤盼城1，崔全琦3，龚延风1

（1．南京工业大学，南京210009；2．南京市住房和城乡建设委员会，南京210009;3．扬州三盛房地产开发有限公司，江苏扬州225000）

[摘要]地埋管换热器换热效果良好与否关系着整个系统运行效率。本文提出了地埋管换热器换热效果评价方法。该方法以地埋管传热热阻为切入点，针对影响地埋管传热热阻的3个因素：地埋管施工质量、地埋管设计参数及地埋管累计换热量，明确地埋管换热器的评价应排除第3个因素，而着眼于前2个因素，提出了地埋管出水温度与最优热阻评价2种评估方法。

 [关键词]地源热泵；地埋管；出水温度；传热热阻；运行效率；性能系数

 [中图分类号]TK523  

0  引  言

 土壤源热泵在我国应用发展迅速，南京作为首批国家可再生能源建筑应用示范城市，土壤源热泵应用面积已达几百万平方米。在其大规模应用的背景下，分析研究实际运行工况下土壤源热泵系统的运行效果，特别是地埋管换热器的实际换热性能，提出科学合理的后评估方法，对于土壤源热泵的进一步健康发展变得十分必要。

 土壤源热泵性能评价的核心是对地埋管性能的评价。目前土壤源热泵系统的性能评估方法主要采用的是COP法。国家关于土壤源热泵示范工程验收对于性能的评价即要求热泵系统COP值大于3.0。但地源热泵系统COP的影响因素较多，除地埋管施工质量、设计参数、热泵机组质量外，还有建筑物实际空调负荷等会对其有强烈影响，它是土壤源热泵系统的综合反映。单从COP值不能准确反映地埋管换热效果。工程上常采用每延米换热量衡量地埋管换热能力，但实际上每延米换热量是随着系统负荷的改变而变化的，用该方法评价地埋管换热效果并不准确。因此，本文期望总结出一套较为可行的土壤源热泵地埋管运行效果评价方法，以客观评价地埋管的实际性能。并通过对南京地区某典型地源热泵系统的研究分析，给出一个例证。1地埋管换热器换热性能评估方法简述

 为客观准确反映地埋管换气器的传热性能，本文提出地埋管出水温度、地埋管传热热阻2种评价方法。

1.1地埋管出水温度评价法

 地埋管出水温度作为地埋管换热器换热后的直接结果，是影响热泵机组的运行能效比的首要因素，出水温度可作为地埋管换热器运行良好与否的评价指标之一。

 为比较地源热泵的节能性，需要选取一个比对标准，夏季南京地区常用的冷热源形式是水冷冷水机组，故将地埋管换热与冷却塔换热做对比。理想条件下冷却塔出水温度最低可冷却到空气湿球温度，实际工况下的冷却塔出水温度则高出空气湿球温度3～5℃，因此可将地埋管出水温度与空气湿球温度进行对比，若地埋管出水温度低于湿球温度，则可认为土壤源热泵的节能性比冷水机组更明显。本文中地埋管出水温度评价法的夏季工况评估理论基础正是基于此点。

 冬季南京地区常用的空调机组冷热源形式是空气源热泵，空气源热泵冬季工况下运行较好的机组COP值可达3.0，因此冬季工况下，评判土壤源热泵系统运行节能性时可将地源热泵机组与上述空气源热泵COP值对比。

 出水温度评价的优点在于其无需复杂的测试方案及计算公式就能直观的反映地埋管换热效果，但采用该方法评判时，水温的测定时间长度应覆盖冬夏季地源热泵运行的前、中、后各个阶段。仅凭单个时间点的数据不能有效进行判别。另外地埋管的出水温度影响因素较多，出水温度评价法仅能从总体上定性的评估地埋管的换热效果，若想进一步揭示其换热的内在性能，需采用另一种评价方法。

1.2地埋管传热热阻评价法

 传热热阻是换热器最重要的传热性能代表，对地埋管换热器也同样如此。影响地埋管传热热阻的影响因素有3个：1）地埋管施工质量；2）地埋管设计参数，包括地埋管间距、材料及埋管长度等；3）地埋管累计换热量。这其中地埋管累计换热量对热阻产生影响是地埋管换热器区别于一般供暖空调换热器的最重要特点，一般表面式换热器的热阻除去污垢因素外是固定的，而地埋管的传热热阻随累计的换热量在不断增长，表明地埋管换热器是一个有记忆的系统。对地埋管换热器的评价应着眼于前两个“人为”因素。第三个因素属于“客观”因素，同一建筑由于气候、入住率、使用面积与功能等因素变化，实际空调负荷会呈现较大差异，进而带来地埋管热阻的差异。这种由于客观原因带来的热阻差异在评价时应予排除，本文通过建立最优热阻来解决。

1.2.1  最优热阻

 所谓最优热阻，即以建筑物实际使用条件为基础，计算出实际负荷，再以满足节能要求为约束条件，确定地埋管设计参数，模拟计算出的地埋管热阻。

 从定义可以看出，最优热阻与实际传热热阻的主要区别有两点。第一，最优热阻对应的地埋管管长是经过优化后的结果，与实际埋管管长并不总是一致。在该长度下，地埋管换热器能保证地源热泵的全年节能效果。第二，最优热阻计算时，埋管间距、管材、回填材料等均是按实际设计条件设置，但由于施工水平可能使该部分热阻高于设计值，导致实际换热热阻高于最优热阻。因此，用最优热阻可独立的评价地埋管设计参数及地埋管施工质量这两

个“人为”因素对换热效果的影响。

 最优热阻计算时，如果简化一点，不对埋管长度进行优化，以实际埋管形式和长度为基础评定地埋管的换热性能也是可行的，此时侧重于对地埋管安装质量的评价。

1.2.2模拟法计算最优热阻变化曲线

 构建最优传热热阻曲线主要有3个过程，先使用DEST模拟示例工程逐时负荷（本文采用的TRNSYS版本为16，无法可视化建模），再用TRNSYS模拟地埋管出水温度及最优管长，最后利用式(1)计算出逐时最优热阻。具体流程及步骤说明如图1所示：

地埋管换热器逐时平均值，K; t g为项目所在地地下20 m等温层土壤温度，K; t i为地埋管进口温度，K; t。为地埋管出口温度，K。采用式(1)进行计算时采用各对应的逐时数据，将每日的逐时传热热阻求算术平均值，即可得出整个季节逐日传热热阻变化曲线。

1.2.3  运行良好范围的判断

 模拟法计算所得的最优热阻变化曲线给出了地埋管换热器在优于冷却塔实际运行前提下的整个季节传热热阻变化趋势。但实际项目地埋管并不总是按照理想的管长设计，同时地埋管换热器运行会受到各种因素的干扰，使得实际的传热热阻偏离理想曲线，以连续运行工况分析，运行中实际热阻曲线可能出现图2中4种情况。

 当运行时实际传热热阻变化出现①时，此时实际热阻总是高于最优热阻，同样的换热量使得夏季地埋管出水温度高于机组冷凝器理想进水温度，地埋管换热性能差。运行时实际传热热阻变化出现@时，此时实际热阻总是低于最优热阻，同样的换热量使得出水温度夏季低于机组冷凝器理想进水温度，地埋管换热性能良好。当实际传热热阻变化出现②、③时，根据实际曲线与X轴围成的面积S1和理想曲线与X轴围成的面积S2对比，当S1<S2，可以认为在该评价时间段内地埋管换热器换热性能良好，反之则运行较差。

1.2.4  利用传热热阻评价施工质量

 竖直地埋管换热器的热阻分为5个部分：传热介质与U形管内壁的对流换热热阻、U形管的管壁热阻、钻孔灌浆回填材料的热阻、地层热阻（即从孔壁到无穷远处的热阻）、短期连续脉冲负荷引起的附加热阻。

 地层热阻与短期脉冲负荷引起的附加热阻与地埋管运行时间有关联。而对流换热热阻、管壁热阻及钻孔灌浆回填材料的热阻为地埋管的固有热阻，这3个部分的热阻大小只与回填材料、管材等因素有关，与地埋管投入运行的时间无关。这三部分定义为地埋管的施工热阻。

 在季节起始运行阶段，通过测定初始运行阶段运行数据，计算实际初始运行热阻。此时地层热阻及短期脉冲负荷附加热阻近似为零，该热阻为地埋管的实际施工热阻，可以反映地埋管施工质量。起始阶段的测定时间应越早越好，超过48 h时，应对测定的热阻进行修正。根据GB 50366-2009《地源热泵系统工程规范》附录A可以计算出施工热阻，由于它是地埋管的理论计算结果，故可称之为理论施工热阻。将实际初始运行热阻与理论施工热阻进行比较可以衡量地埋管系统的施工质量。

2  工程实例

2.1工程概况

 南京某办公楼，建筑总面积67 000m2，人住率约为90%，本项目采用3台地源热泵机组，制冷量为1  538.9 kW，制热量为1 585.6 kW，地源侧循环水泵4台，用户侧循环水泵4台。换热器采用双U型垂直埋管，共700口井，单井埋管深度100 m，同时设置有冷却塔做辅助冷源。地埋管设计方法采用的是单位每延米换热量法，所做的热响应测试在夏季工况下单位延米换热量为77 W/m。本地源热泵系统运行时间8：00～18：00，运行模式为间歇运行。

2.2建筑负荷模拟结果

建筑负荷模拟结果见表1。

 由表1可知，该办公楼夏季（6月至9月）累计排热量为2 308 083 K W. h，冬季（12月至次年2月）累计吸热量为1716 478 K W .h，热不平衡率已超过20%，需设置冷却塔以保证土壤热平衡。在利用TRNSYS软件进行模拟时，冷却塔承担的部分冷负荷需去除。

2.3出水温度评价法

2.3.1  夏季工况

 示例工程地埋管出水温度与冷却塔出水温度的对比如图3。

由图中可知，该办公楼在实际运行中，地埋管出水温度高于冷却塔出水温度，地源热泵机组运行效果要差于冷水机组。经分析，这与地埋管总管偏短、换热面积不够有关，该系统地埋管只是简单的采用“单位延米换热量法”设计，并没有考虑建筑负荷特性及岩土热阻的不断变化对单位延米换热量的变化产生影响。当建筑末端接近满负荷运行时，即使地埋管全部投入使用，出水温度仍过高。

2.3.2冬季工况

 冬季工况下，南京某办公楼的COP值变化曲线如图4所示。

 由图中可以看出，整个制热工况下，有半个月左右的时间该系统的COP值低于3，意味着此时办公楼的土壤源热泵系统节能性与良好工况运行下的空气源热泵相比较差。该办公楼地源热泵系统季节平均COP值为3.38，该值低于土壤源热泵冬季COP值的平均水平，但高于运行效果较好的空气源热泵。

2.4传热热阻评价法

2.4.1  夏季工况

 夏季工况，某办公楼地埋管实际传热热阻与最优热阻的对比如图5。

 示例工程实际热阻夏季变化趋势如图5所示，可以看出，夏季从运行开始实际热阻就高于最优热阻，整个运行期内实际传热热阻高出最优热阻0. 01~0. 25(m' K)/W，说明整个夏季地埋管实际换热效果较差，未达到理想换热效果。

2.4.2冬季工况

 冬季工况，南京某办公楼地埋管实际传热热阻与最优热阻的对比如图6。

 示例工程实际热阻冬季变化趋势如图6所示，可以看出，冬季工况运行初期，地埋管实际传热热阻低于模拟法最优热阻，但随着运行时间的增加，地埋管实际传热热阻越来越大，直至运行末期，实际热阻已经远远高于最优热阻0.2 (m-K)/W。整个冬季地埋管实际换热效果较差，未达到理想换热效果。

2.5  热阻法评价施工质量

 根据1.2.4中所提出的施工附加热阻计算方法计算结果如表2。

 从结果可以看出，该办公楼的施工附加热阻为0. 068  (m-K)/W，实际初始运行热阻是最优施工热阻的1. 69倍，施工质量较差。

2.6两种评价方法的对比分析

 由表3可以看出，热阻评价法及出水温度评价法评估结果基本一致。该办公楼夏季实际传热热阻高于模拟法最优热阻，夏季地埋管出水温度低于同等条件下的冷却塔出水温度，节能性比冷水机组差，冬季实际传热热阻高于模拟法最优热阻，因此综合评价该办公楼地源热泵地埋管换热效果较差。冬季该办公楼季节平均COP值高于运行状态良好的空气源热泵，但低于土壤源热泵项目普遍能达到的平均值。

 经分析，该办公楼地埋管较差的换热效果与地埋管设计方法选用不当及地埋管施工质量较差有关。该办公楼地埋管设计长度为70 000 m，最优热阻法中计算出的地埋管理想长度为95 000 m，即其设计长度不足。施工附加热阻高达0.068 (m.K)／W，实际初始运行热阻是最优施工最优热阻的1. 69倍，施工质量较差。除去热堆积等客观因素，从这两个地埋管换热效果本质影响因素可以看出，该办公楼地源热泵地埋管整体设计及施工水平不理想，导致在使用过程中地埋管换热效果未达到理想状态。

3结  论

 1)出水温度评价法可总体上定性评估机组运行及地埋管换热效果。采用该方法评判时，水温的测定时间长度应覆盖冬夏季地源热泵运行的前、中、后各个阶段。仅凭单个时间点的数据不能进行有效判断。

 2)最优热阻法可以去除地埋管换热器所特有的累计换热量的影响，独立的评价地埋管设计参数及地埋管施工质量这两个“人为”因素对换热效果的影响。

 3)实际数据分析可以看出，施工质量对地埋管换热效果的影响很大，较差的施工质量带来了较高的施工附加热阻，导致地埋管实际传热能力未达到理想状态。

 4)实际测试分析表明，地埋管出水温度过高及实际热阻过大与地埋管换热面积不够有关，目前部分设计院在进行地埋管设计时仍采用“单位延米换热量法”，导致地埋管设计长度不足或过长，在未对“单位延米换热量法”提出科学合理的修正之前，设计人员应采用GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》中推荐的软件法或者热阻法进行地埋管的设计。