前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的西安某地源熱泵項目設計優化研究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要:為了提高關中黃土地區地源熱泵系統的運行效率，對西安某地工業廠房地源熱泵項目設計進行優化。通過現場熱響應試驗，分析了埋管形式、進口流速、管距等不同埋管特性對地埋管換熱特性的影響，提出優化設計策略，通過調試試運行，運行效果良好。
關鍵詞:地源熱泵;熱響應試驗;換熱器;埋管形式
0引言
隨著社會的進步和科技的迅速發展，能源問題已經發展為全球性問題，化石燃料的燃燒導致了一系列空氣污染和環境惡化，尋求清潔可持續能源是解決能源和環境問題的關鍵一步［1］。土壤源地源熱泵系統以其高效節能、環保、可持續等特點逐漸走入人們視野，獲得越來越多行業相關人員的青睞，近年來在我國也得到了快速發展。地源熱泵換熱效率受內因主要包括井型(單U/雙U、串聯/并聯)、結構(井徑、井深)和地埋管換熱循環流量、循環進出水溫度等因素影響，上述因素不僅影響系統換熱效率，也關系著項目的造價和運行成本。本文依托西安某工業廠房及辦公區土壤源地源熱泵項目，通過熱響應試驗，對不同工況地源熱泵換熱特性進行分析研究，最終形成工程示范和系統優化［2－4］。
1地源熱泵熱響應測試
1．1試驗原理
根據《地源熱泵系統工程技術規范》，地埋管地源熱泵工程應進行地下巖土熱響應實驗，對地埋管換熱孔回填材料、孔直徑、鉆孔深度、埋管形式、埋管間距、運行工況下埋管流體設計溫度及運行時間等條件，計算得到測試條件下地埋管換熱器單位孔深換熱量參考值，以指導地埋管換熱器進行工程優化設計。熱響應測試方法為恒熱流法。恒熱流熱響應法是國際地源熱泵協會推薦的標準方法，也是我國《地源熱系統工程技術規范》中指定的地下巖土熱物性測試方法。測試過程中測試只要保持加熱功率恒定鉆孔進出口溫差基本穩定，埋管熱流流量與功率也基本恒定，可以滿足恒熱流線熱源數的使用條件。
1．2試驗概況及測試裝置
本項目位于西安市高新區，于2020年8月開展地埋管地源熱泵系統測試，測試系統主要由熱響應測試裝置鉆孔和測試孔溫度監測裝置組成。熱響應測試裝置采用華中科技大學地源熱泵研究所研發的一套便攜式巖土熱物性測試裝置，對測試孔進行一定時間的連續散熱試驗，并實時記錄加熱功率、水流量和溫度數據，依據GB50366—2009地源熱泵系統工程技術規范，分析得到巖土熱物性參數，測試儀工作原理如圖1所示。鉆孔溫度監測裝置，由自動化數據采集系統連接孔內不同深度測溫探頭對孔內溫度進行連續監測［5］。測試孔鉆孔直徑為150mm，深度150m，雙U型HDPE管，管外徑25mm埋管形式，埋管間距為5m，改變單一條件進行試驗時，其他條件不變，測試孔詳細參數見表1，孔內溫度傳感器采用pt100型鉑電阻;地層結構主要分為5層，回填材料為原漿+黃沙(體積比80%+20%)，穩定地下水位16m。
2試驗結果
2．1不同埋管管徑及布管形式影響分析
通過對不同埋管管徑及布管形式進行現場熱響應測試，管徑分別為DN25和DN32，布管形式有DN32單U，DN32單U雙孔串聯、DN32單U雙孔并聯、DN25雙U并聯、DN32雙U串聯、DN32雙U并聯，其他測試參數不變，得出對比曲線如圖2所示。對比不同埋管管徑及布管形式對換熱量影響可以得出，增大管徑時DN32雙U并聯較DN25雙U并聯夏冬季延米換熱量提高7．03W/m和3．50W/m，提高20．5%和14．5%;DN32雙U并聯較DN32單U夏冬季延米換熱量提高12．91W/m和8．12W/m，提高37．7%和33．7%;DN32單U串聯較DN32單U并聯夏冬季延米換熱量提高12．91W/m和8．12W/m，提高3．1%和3．2%;DN32雙U串聯較DN32雙U并聯夏冬季延米換熱量提高12．91W/m和8．12W/m，提高2．3%和1．5%。綜上可以得出，采用雙U形式和增大管徑可有效的提高換熱量，串聯方式連接較并聯方式連接一定程度上可提高延米換熱量，同時需考慮串并聯流體沿程阻力問題［6－8］。
2．2不同埋管間距影響分析
埋管間距設置為3m，3．5m，4m，4．5m，5m，5．5m，6m，其他參數不變。由圖3可知，井間距由3m增加到4m時，夏冬季延米換熱量提高7．7%和4．3%;井間距由4m增加到5m時，夏冬季延米換熱量提高4．3%和5．1%;井間距由5m增加到6m時，夏冬季延米換熱量提高3．5%和1．4%。因此，提高換熱井間距可提高延米換熱量，需結合項目場地條件進行井間距設計，通過本文研究，建議換熱井間距為5m～5．5m。
2．3埋管介質不同循環流量對換熱影響
選取介質流量為0．8m3/h，1．0m3/h，1．2m3/h，1．4m3/h，1．6m3/h和1．8m3/h，其他參數不變，穩定加熱功率為5．4kW。通過不同流量現場試驗進行換熱量影響分析曲線如圖4所示。在進水溫度一定的條件下，不同進水流量會得出不同的換熱量，為研究不同進水流量對地埋管換熱性能的影響，選用單管進水流量分別為0．4m3/h，0．5m3/h，0．6m3/h，0．7m3/h和0．8m3/h，進水溫度為32．75℃，數值模擬運行48h。不同單管進水流量對應的總換熱量和延米換熱量如圖5所示。從圖4可以看出，隨流量增加夏冬季延米換熱量呈增大趨勢，流量由0．8m3/h增大到1．0m3/h時，夏冬季延米換熱量提高9．3%，6．6%;流量由1．0m3/h增大到1．2m3/h時，夏冬季延米換熱量提高5．7%，3．1%;流量由1．2m3/h增大到1．4m3/h時，夏冬季延米換熱量提高2．6%，2．7%;流量由1．4m3/h增大到1．6m3/h時，夏冬季延米換熱量提高1．8%，2．0%;流量由1．6m3/h增大到1．8m3/h時，夏冬季延米換熱量提高1．4%，1．6%?？梢娞岣吡髁靠稍龃舐窆軗Q熱量，但也會增大水泵運行功率，因此需綜合分析水泵能耗與換熱量之前變化關系，得出最優運行流量，建議運行流量為1．2m3/h～1．6m3/h。由圖5可知，在進水溫度一定的情況下，總換熱量和延米換熱量隨流量的增大而增加，但增大的趨勢逐漸放緩，這是由于流量的增加使管內流體的紊流更加劇烈，增強了管內流體與周圍土壤的換熱。當流量從0．4m3/h增大到0．5m3/h時，延米換熱量從40．16W/m增大到了42．51W/m;從0．5m3/h到0．6m3/h時換熱量隨流量的變化已經開始減緩，從0．7m3/h增大到0．8m3/h時，延米換熱量的增幅只有0．83W/m。隨著流量的增加，延米換熱量雖然也在增加，但其增加值卻是在不斷減小的。因此，在進行地熱管換熱器設計時，同一地區，相同回填材料，地埋管進水流量的增加可以增大換熱量，從而減小換熱器設計長度或孔數，但會使循環泵的揚程增大。綜合考慮，雙U型埋管內單管流量選取0．6m3/h～0．7m3/h比較經濟合理［9－10］。
2．4鉆孔深度對地埋管換熱特性影響研究
土壤源熱泵空調系統的初投資高于其他形式的空調的初投資，而初投資中鉆井費用占到了初投資的1/3左右，因此，合理的鉆井深度很大程度上決定了系統初投資的多少，對地源熱泵系統的推廣應用有重要的意義。為研究鉆孔深度對雙U形地埋管換熱性能的影響，本文選用鉆井孔深分別為60m，80m，100m，120m，150m，180m和200m，進水溫度為32．75℃，單管進水流量0．5m3/h，運行48h。不同鉆孔深度對應的總換熱量和延米換熱量如圖6所示。由圖6可知，延米換熱量隨鉆孔深度的增加逐漸減小，鉆孔內總換熱量隨著鉆孔深度增大而增大。采用較深鉆孔可以得到更大的總換熱量，減少地埋管占地面積，但會使延米換熱量降低，而且會增加相應的鉆孔成本。因此，在實際工程中要綜合考慮地埋管換熱器容量要求、可供鉆孔面積和鉆孔成本等各種因素來確定鉆孔深度，在類似的工況條件下，鉆孔深度取150m左右比較經濟合理。
3地源熱泵施工優化設計
將DN32單U和DN32雙U經濟性進行比對分析，可以得出同樣冷負荷下DN32單U材料量較DN32雙U材料量減少29．5%，鉆孔延米量增大40．1%，結合材料和鉆孔延米單價，采用DN32雙U較DN32單U總成本節省10%左右，面積減小30%左右。因此，建議采用DN32雙U型埋管設計［11－15］。結合不同埋管間距影響分析計算，提高換熱井間距可提高延米換熱量，在場地面積允許條件下，建議將換熱井間距設計為5m～5．5m，換熱效率可提高6%～8%。通過運行參數影響分析研究，綜合分析水泵能耗與換熱量變化關系，得出最優運行流量，建議運行流量為1．2m3/h～1．6m3/h，鉆孔深度取150m左右比較經濟合理。根據相關文獻及現場試驗，項目所在區域的地埋管換熱器延米取熱量取40W/m，延米放熱量取60W/m。建筑總冷負荷4200kW，熱負荷2700kW。夏季冷負荷明顯大于冬季熱負荷，所以地埋管的埋管換熱量應該滿足夏季最大冷負荷需求，淺層鉆孔設計數量計算如下:1)制冷工況下對土壤排熱量。Q1=Q'×(1+1/EEＲ)(1)其中，Q1為夏季對土壤的排熱量，kW;Q'為夏季最大冷負荷，4200kW;EEＲ為設計工況下地源熱泵主機的制冷性能系數EEＲ=6．0。根據式(1)可得夏季對土壤的排熱量Q1=4900kW。制熱工況下對土壤吸熱量。Q2=Q'×(1－1/COP)×A其中，Q2為冬季對土壤的吸熱量，kW;Q'為冬季最大熱負荷，2700kW;COP為設計工況下地源熱泵主機的制熱性能系數，COP=5．0;A為系統熱損失，取值1．1。根據式(2)可得冬季對土壤的吸熱量Q2=2376kW。夏季對土壤的排熱量大于冬季對土壤的吸熱量，所以淺層鉆孔設計數量應依據夏季總冷負荷計算，由于冷熱不平衡，因此為解決熱堆積問題，建議增加冷卻塔進行調節。鉆孔埋管長度計算。L=Q1×1000/q(3)其中，L為埋管總長度，m;q為雙U型de32mmPE管夏季每延米井的換熱量，本項目取60W。根據式(3)可得項目鉆孔埋管總長度L=81667m。4)鉆孔數量。N=(L/H)×0．9×1．015(4)其中，N為鉆孔數量，個;H為鉆孔深度，150m。注:水平埋管約占垂直管有效換熱長度10%(GLD軟件模擬)，鉆孔數量一般富余1．5%。根據式(4)，鉆孔數量N=498。因此，鉆孔數量為498個可滿足冬夏季冷熱負荷。根據上述分析，最終優化設計為采用DN32雙U型埋管，換熱井間距設計為5m，鉆孔深度取150m，運行流量范圍為1．2m3/h～1．6m3/h，鉆孔數量為498個。
4項目運行效果
4．1項目概況
本項目主要針對生產車間及配套辦公建筑，采用豎直地埋管地源熱泵系統進行供暖(制冷)。供暖(制冷)面積為22404．40m2(項目建筑為高大廠房，單層最高24m，制冷量4200kW，制熱量2700kW，折合普通建筑約7萬m2)，項目包括室外地源熱泵工程:共施工498口地源熱泵地埋管換熱器，有效孔深150m，設計孔徑150mm(保證豎直管順利下放到位)，豎直管為承壓1．6MPa型DN32PE100管，雙U布置，地埋管換熱器環路的水平管為DN40PE100。本項目按施工要求如期完成，系統于2021年7月調試完成，完成制冷季和采暖季的運行，運行效果良好。夏季地埋管穩定期出水溫度在22．4℃～25．0℃，利用溫差在3．2℃～5．6℃之間，埋管系流量900m3/h，地源熱泵系統最大提供4219kW冷負荷;冬季地埋管穩定期出水溫度在14．2℃～15．8℃，利用溫差在3．0℃～4．1℃之間，地源熱泵系統最大提供4104kW熱負荷，符合設計要求。
4．2項目運行情況
夏季用戶側辦公樓室內溫度在19℃～23℃之間、濕度39%～55%之間，工業廠房內溫度在22℃～25℃之間、濕度32%～57%之間;冬季用戶側辦公樓室內溫度在19℃～24℃之間、濕度34%～65%之間，工業廠房內溫度在17℃～19℃之間、濕度32%～57%之間，均滿足設計要求。
5結語
影響地源熱泵地埋管換熱量的因素較多，主要有換熱管管徑、連接方式、埋管間距、埋管深度等等，但影響大小不同，研究各因素對換熱量影響是必要的。通過熱響應試驗可以得出，西安地區地源熱泵設計參考范圍為DN32雙U型埋管設計、換熱井間距設計為5m～5．5m、運行流量為1．2m3/h～1．6m3/h、鉆孔深度取150m。根據項目運行情況，冬季辦公樓溫度在19℃～24℃之間，工業廠房內溫度在17℃～19℃之間，夏季辦公樓溫度在19℃～23℃之間，工業廠房內溫度在22℃～25℃之間。完全符合國家要求，本項目優化設計合理，經濟性好，可為西安關中地區同類項目施工提供借鑒。
作者:王義杰 韓永亮 汪啟龍 孫玉亮 單位:中煤科工集團西安研究院( 集團) 有限公司
