中国地源热泵技术发展与展望(2)

第１０期徐伟，等：中国地源热泵技术发展与展望

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只能部分恢复旧。。因此，对于多层埋深较深的水平管地下埋管换热器，在应用上往往需要结合太阳能进行热补偿或应用于冬、夏两季冷热联供使用，以克服上述问题。与水平埋管相比，垂直埋管方案更具有大型工程的实际意义，垂直埋管方式可以在较小的占地面积下获得较大的换热能力，但同时必须考虑的是地温恢复问题。地下垂直埋管换热器有２种基本形式：Ｕ型管式和套管式，Ｕ型管式埋管换热器可以用于埋深特别深的工程中，原因是其具有安装

表１

方便，不易出现渗漏等优点。目前利用Ｕ型管式埋管换热器的埋深可达１８０ｍ＂１。套管式埋管换热器则可以充分利用钻孔资源，由于其外表面与岩土间的换热面积较大，因此换热能力比Ｕ型管高，文献［４］进行的对比实验证明了此点，发现套管式埋管换热器的单位孔深换热性能比ｕ型管要高１６％。但是套管式埋管换热器却存在结构复杂、有渗漏担心及不能用于钻孔深度很深的场合等不足。２种垂直地埋管换热器的特点总结见表１。

Ｕ型和套管式竖直地埋管换热器的特点

２）土壤换热器传热分析

影响地埋管地源热泵系统性能的因素较多，包括地下水流动、回填材料的性能、换热器周围发生相变的可能性以及沿管长岩土体物性的变化等等，如何完善地埋管换热器的传热模型，使其更好地模拟地埋管换热器的真实换热情况，确定最佳地埋管换热器的尺寸是发展和推广地埋管地源热泵的关键。

地埋管换热器传热模型的相关理论很多，但主要基于线热源理论、圆柱热源理论、能量平衡理论等建立控制方程。国内对地埋管换热器传热理论和模型方面的研究较之实验部分则进展缓慢，主要集中在一维非稳态传热模型研究，ｕ型埋管换热器中介质轴向温度的数学模型研究以及准三维非稳态Ｕ型地下埋管换热器传热模型研究等。由此可见，诸多用于地埋管换热器设计的计算模型和方法，是建立在纯导热工况以及确定了岩土导热系数和比热基础上的，并未考虑土壤中其他有可能影响到地埋管传热机理的因素，例如地下水渗流的作用。因此，进一步深入研究传热机理，完善地埋管换热器的传热模型，对地埋管地源热泵系统的发展和推广是很有必要的。然而欧美等部分专家认为，由于地下土壤热物性参数很难准确获取，因此难以通过软件或者模型准确计算土壤传热量，故不宜深入研究，实际工程中考虑安全系数即可。

３）土壤热物性参数有效性测试

目前国内外在确定土壤热物性参数时的设计方

法主要有以下３种：一是根据前期钻井获得的地质资料，通过查找土壤地质方面的手册进行确定。由于这种手册给出的土壤物性参数并非一个确定值，而是一个可能存在的范围，系统设计人员在设计土壤换热器时，由于设计者的知识水平、经验以及设计估测保守程度等不同会存在很大的差异。这种方法虽然最为简便快捷，但是很难保证系统建设和运行的经济性和合理性；二是实验室取样测试法。实验室取样方法将现场采集的土壤试样在实验室中通过一定的方法进行测试，从而获得其导热系数等土壤的热物性参数值。虽然通过此方法测量的土壤试样热物性数值较为准确，但是由于土壤属于多孔介质，其热物性不仅与地理位置以及当地地层构造有关，还与地下含水层密切相关。已有结果表明，仅土壤的导热系数就与试样的温度、密度、空隙比、饱和度等因素有关。由于此种方法离开了原工程地，故而对现场因素造成的影响考虑不够全面；三是现场测试法。顾名思义，现场测试法就是在施工现场进行实地测试，这样就避免了现场因素影响造成的误差。国内文献研究表明：只有现场测试法才能充分考虑到现场各因素的影响，这类现场测试装置的发展才是预测土壤热物性的发展方向，降低参数选取的不确定性，使土壤换热器的设计更为合理口］。然而在实际设计中，仅仅考虑单位长度换热量，用于工程设计是不合理的。

万方数据