1 引言
隨著經濟的發展以及人們對節能、環保意識的提高，具ss量的值可以產生數倍的變化。國內有些關于地熱換熱器設計的文獻中推薦的每米鉆孔傳熱量的經驗數據，對于實際工程設計可能產生誤導，因而不利于該項新技術在我國的推廣應用。
影響地熱換熱器設計的最重要影響因素有：1.巖土的導熱系數；2.全年的冷熱負荷及其相對的比值[5]；3.回灌材料的導熱系數與U型管各支管的間距；4.地熱換熱器排列方式與鉆孔間距；5.設定的循環液所允許的最高和最低溫度，在以供熱為主的應用場合，這一參數常常取決于選用循環液的類型。
山東建筑工程學院地源熱泵研究所開發的地熱換熱器設計及模擬專用軟件《地熱之星》[2]采用了在國際上領先的二維和準三維模型[3-6]，考慮了全年吸熱和放熱不平衡等復雜的情況，以保證地熱換熱器在整個服務周期（20年或更長的時間）中的性能為設計目標，使地熱換熱器的設計計算脫離了按經驗數據估算的狀況。該軟件還能同時對單U型埋管與雙U型埋管這兩種分別在美國和歐洲流行的不同埋管形式[3]進行計算和比較。《地熱之星》又是對用戶友好的，普通的暖通空調工程師都能很快掌握軟件的使用，輸入設計條件就可以直接得到要求的埋管長度，因而可以方便地進行多方案的技術經濟比較。本文結合一個工程實例就其中的回灌材料的導熱系數、巖土的導熱系數、鉆孔間距及循環液的類型四個方面對地熱換熱器的設計方案進行分析和比較。
2 工程概況
該工程為位于湖北省的一個住宅小區，總建筑面積約7萬平方米，擬采用地源熱泵空調系統來實現其冬季的供熱、夏季的制冷以及供應生活用熱水。該地區冬季空調室外計算溫度為
℃；夏季空調室外計算溫度為℃；未受干擾的地下溫度為16℃。本設計主要通過《地熱之星》設計軟件按1萬平方米建筑面積來進行方案比較和設計計算。
3 方案比較和設計
3.1 確定鉆孔參數
鉆孔的幾何分布形式要根據可提供的場地確定，本研究選取矩陣排列為4×25。鉆孔間距取3*3、4*4、4*5、5*5、6*6、7*7、8*8、9*9（行間距*列間距）八種情況進行比較計算。鉆孔半徑設為0.055m。回填材料的導熱系數取0.6，1.2，1.8，2.4，3.0 W/(m℃)進行比較和研究。
3.2 U型管的確定
本工程采用單U型豎直埋管的形式。單個鉆孔的截面示意圖如圖1所示。管材采用目前國際上廣泛使用的高密度聚乙烯管（PE3408），其導熱系數為0.42 W/(m℃)；標準尺寸比為SDR11，管外徑為32mm，內徑為26mm。兩支管間距選為C型，即兩根管子中心距為鉆孔半徑。
3.3 巖土參數的確定
當地遠端巖土溫度為16℃。當地巖土的類型可參考當地地質勘探局提供的有關數據，但對于其熱物性擬應用熱物性測定儀進行現場測試[7]。在設計階段巖土平均導熱系數先按 0.8，1.2，1.6，2.0W/(m℃)試算，同時可模擬不同巖土平均導熱系數對要求的地熱換熱器埋管尺度的影響。巖土體積比熱取為2000 kJ/(m3℃)。
3.4 確定該小區的系統負荷
系統負荷包括建筑物每月累計的總冷、熱負荷及月累計生活熱水負荷。取冬夏季的室內計算溫度分別為=18℃,=25℃，則由以下公式計算可得建筑物每月累計的總冷負荷或總熱負荷，單位KWhr。
冬季每月總熱負荷計算公式
夏季每月總冷負荷計算公式
式中，C為同時使用系數，對住宅樓這里取作50%；A為總建筑面積，單位；qh為熱負荷面積指標，本方案取50；qc為冷負荷面積指標，本方案取100；為月平均溫度，由氣象資料得到，i =1,2……12。又由手冊查得該地區采暖期為11月20日——3月14日，所以11月至3月需計算熱負荷；過度季節4月、5月及10月由于月平均溫度與室內設計溫度較接近，冷熱負荷均為零；6至9月由于月平均溫度較高，需計算冷負荷。其中月平均溫度由供熱空調能耗分析用逐時氣象數據生成系統(Medpha)軟件計算得到。生活用熱水負荷按每人80L/day確定，同時使用系數取30%。最后計算結果匯總在表1中。
3.5 循環液參數的確定
可根據當地巖土的溫度和實際需要從軟件的數據庫中選擇循環液的類型進行方案比較。本研究選擇了下列表2中的三種循環液進行比較。循環液的總流量應參考所選的熱泵設備提供的數據。該系統的設計循環液的總流量為：21.3m3/hr。
表2 各種循環液的熱物性 循環液類型 比熱
密度
凝 固 點℃
導熱系數10-2
動 力 粘 度
純水
4.187
998.95
0
58.65
1155
乙二醇16%
3.92
1020
-7
52.5
1765.2
氯化鈉11%
3.69
1080
-7.5
58.1
1333.705
3.6 設計要求
在計算地熱換熱器的長度之前，還需輸入設定的夏季工況時進入熱泵的循環液的最高溫度和冬季工況時進入熱泵的最低溫度值。由于熱泵進出口的循環液溫差一般要保持在5℃左右，因此設計設定的值通常要求進入熱泵循環液最低溫度至少高出其凝固點7℃。根據各種循環液凝固點的不同，當循環液為純水時，設計進入熱泵循環液最低溫度為7℃，當循環液為乙二醇16%或氯化鈉11%時，設計進入熱泵循環液最低溫度分別至少應為0℃、-0.5℃。進入熱泵的循環液的最高溫度取為30、33、36、39℃來做計算比較。此外，軟件還需確定峰值負荷持續的時間，該設定值與循環液可能達到的最高或最低溫度有關。該設計中額定冷、熱負荷滿負荷持續運行時間均設定為4小時。要求滿足以上運行條件的運行時間定為20年。
4 方案比較
綜合以上所述，在該工程地熱換熱器設計的方案比較中主要考慮以下幾項因素的影響：①回填材料導熱系數；②巖土導熱系數；③鉆孔間距；④循環液的類型。
4.1 回填材料導熱系數和巖土導熱系數對地熱換熱器設計尺寸的影響
當循環液為乙二醇16%，鉆孔幾何分布為矩形陣列4×25，鉆孔間距為4*5（行間距*列間距）時，采用不同的回填材料導熱系數以及巖土導熱系數計算出了一系列地熱換熱器的尺寸，據此畫出了1萬平米空調面積總鉆孔長度隨巖土導熱系數和回填材料導熱系數的變化曲線圖。圖2中的曲線從上到下分別代表巖土的導熱系數為0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K)。從圖中可以看出，隨著回填材料的導熱系數的增大，鉆孔長度逐漸減小；隨著巖土導熱系數的增大，鉆孔長度明顯減小。另外，從圖中還可以看到對于導熱系數在0.8-2.0 W/(m.K)范圍內的巖土，當鉆孔回填材料的導熱系數由0.6 W/(m.K)增大到1.2 W/(m.K)時，僅增大了1倍，鉆孔總長度就減少了500m左右。這說明：當回填材料導熱系數較小，尤其當其小于1.2 W/(m.K)時，提高鉆孔回填材料的導熱系數，可以減少相當可觀的埋管長度。
4.2 鉆孔間距對地熱換熱器設計尺寸的影響
當循環液為乙二醇16%，鉆孔幾何分布為矩形陣列4×25時，取回填材料導熱系數為：1.2 W/(m.K) ，畫出了1萬平方米建筑面積所需鉆孔總長度隨著鉆孔間距的變化關系圖，見圖3。
圖3中的曲線從上到下分別代表巖土的導熱系數為0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K)，由圖3可以看出，隨著鉆孔間距的增大，鉆孔總長度逐漸減小；且鉆孔間距越小，這種影響越明顯。當鉆孔間距較大，即行間距、列間距均為7m時，鉆孔長度基本不再變化。另外，隨著巖土導熱系數的減小，鉆孔間距對鉆孔長度的影響將逐漸減弱。
4.3 循環液類型對地熱換熱器設計尺寸的影響
在地熱換熱器的設計中，設定的進入熱泵循環液最高、最低溫度，對設計結果有著顯著影響。在供熱負荷為主導的地熱換熱器的設計當中，選擇添加防凍劑的循環液可以使冬季工況下進入熱泵的最低溫度降低，常常可以使地熱換熱器的設計尺寸減小。圖4、圖5就是當回填材料導熱系數為1.2W/(m.K)，巖土的導熱系數為1.6W/(m.K)時，改變循環液的類型，相應改變熱泵入口處循環液最高、最低溫度，所得出的1萬平方米建筑面積所需地熱換熱器尺寸。
圖4畫出了采用不同循環液最低溫度時的地熱換熱器尺寸，圖中三種循環液的熱泵入口處最高溫度均為36℃。從圖中可以看出一個這樣的總趨勢：對于乙二醇16%、氯化鈉11%和純水這三種循環液，隨著熱泵入口循環液最低設計溫度的升高，鉆孔總長度逐漸增加。從圖4中我們還可以看到當循環液最低設計溫度相同時，采用乙二醇16%循環液所需要的地熱換熱器尺寸比采用氯化鈉11%循環液時稍大。但是隨著循環液最低設計溫度的增大，這種趨勢越來越小，且當循環液最低設計溫度達到7℃時，采用三種循環液時的地熱換熱器尺寸基本相同，說明此時地熱換熱器的尺寸基本不再受循環液的類型的影響。
圖5中的曲線從上到下分別代表純水、乙二醇16%和氯化鈉11%循環液設定不同夏季最高溫度時的情況，它們對應的熱泵入口最低設計溫度分別為：7℃、0℃、-0.5℃。每根曲線都有一段平行于橫軸，也就是說循環液最低溫度一定時，當其最高溫度升高到某個值，它將不再影響鉆孔的長度。這表明該工程是以供熱負荷為主導的，供熱負荷決定了埋管的長度。反之，在以制冷負荷為主的場合，設定的夏季最高溫度將決定地熱換熱器的大小。
5 結論
地熱換熱器的合理設計是保證地源熱泵供熱空調系統的技術性能和經濟性的關鍵，對推廣該項新技術有重大的影響，已經受到廣泛的關注。地熱換熱器中的傳熱涉及的空間尺度大，時間跨度長，影響因素錯綜復雜；個別參數的改變可能導致地熱換熱器實際換熱能力成倍的變化。無論是從實驗或實際經驗得到的“每米鉆孔換熱量”的經驗性的指標通常不具備普遍的指導意義，這給地熱換熱器的設計帶來較大的困難。根據地熱換熱器傳熱模型開發的設計計算和模擬軟件可以在很大程度上幫助工程技術人員解決這一難題。
本文針對特定的工程實例討論了四種影響地熱換熱器設計尺寸的主要因素。巖土導熱系數對鉆孔長度的影響很明顯，但對于給定的工程巖土導熱系數是確定的值，難以加以改變，因此重要的是要通過現場的測定得到比較可靠的數據，以保證系統的正常出力。回填材料的導熱系數對鉆孔長度也有重要的影響，應注意采用高性能的回填材料來保證傳熱性能，減少鉆孔總長度，節省初投資及運行費。從所作的方案比較可以看出，在一定范圍內鉆孔間距顯然越大越有利于提高地熱換熱器的換熱能力，但是在實際工程中還要考慮可用空地的面積及形狀而定，建議行和列的間距都不宜小于4m。對于以供熱負荷為主的應用場合，可考慮采用防凍劑溶液作循環液。在考慮其安全性、腐蝕性及對環境影響的前提下，為了減小鉆孔長度、降低初投資，可以選擇凝固點較低的防凍劑溶液，這樣熱泵入口循環液設計最低溫度能較低一些；但這同時也會降低熱泵機組的COP值。因此，選擇循環液時需要綜合考慮循環液對埋管造價和熱泵機組性能值的影響，選取經濟高效的循環液。
參考文獻
1. 徐偉等譯. 地源熱泵工程技術指南.北京：中國建筑工業出版社，2001.
2. 崔萍. 地熱換熱器的傳熱模型及設計計算[碩士學位論文]. 濟南：山東建筑工程學院，2002.
3. Zeng Heyi, Diao Nairen and Fang Zhaohong. Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, 46 (23): 4467-4481, 2003.
4. Diao Nairen, Zeng Heyi and Fang Zhaohong. Heat transfer in ground heat exchangers with groundwater advection, International Journal of Thermal Sciences, 43 (12): 1203-1211, 2004.
5. Diao Nairen, Zeng Heyi and Fang Zhaohong. Improvement on modeling of heat transfer in vertical ground heat exchangers, International Journal of HVAC&R Research, 10 (4), 2004.
6. 方肇洪，刁乃仁.地熱換熱器的傳熱分析.建筑熱能通風空調.23（1）：11－20，2004.
7. 于明志，方肇洪.現場測試地下巖土平均熱物性參數方法.熱能動力工程.17（5）：489-492，2002.
8. 曲云霞，張林華，方肇洪，李安桂.地源熱泵系統防凍液的選擇.節能與環保.No.8：20-23，2002.
