地源热泵地埋管长度的设计研究

 　摘 要：地源热泵是一种可持续发展的绿色环保技术，为了保障资源的再生利用，采用地源热泵能够有效的利用地热资源，减少不可再生资源的应用。但是在地源热泵的设计中，需要对热泵的参数进行有效的设计。相比于传统空调形式，地源热泵中增加了地热换热器，因此在设计过程中，需要就地源热泵的长度进行合理设计，从而保障地源热泵的传热，增加热量传导与利用效率。 

　　关键词：地源热泵；传热研究；设计 

　　中图分类号：TK124文献标识码： A 

　　1、前言 

　　地源热是一种节能环保的能源，我国2005年推出的《可再生能源法》以及《地源热泵系统工程技术规范》，对于我国地源热的应用提出了指导性的规范。随着能源危机的影响以及不可再生能源的逐渐消耗，地源热逐渐会成为能源的关键方式，在未来的能源利用中占据越来越重要的作用。地源热泵技术也能够成为地源热利用的关键技术，对于地源热的应用具有重要的意义。地源热泵埋管是地源热泵系统的一种形式，这种系统主要用于散热，而且在设计应用的过程中，不需要考虑沉降以及地下水位的问题，而且应用过程中，不会存在排烟污染以及排水污染等污染问题，因此在应用中具备独特的价值，而且应用最为广泛。但是不同于空调中的换热管设计，在设计的过程中，因为零件以及维护并不方便，所以需要进行科学合理的设计，从而保障地源热泵的使用寿命尽量长，而且埋管的长度等参数会直接影响地源热泵的使用效率，所以在设计的过程中，应该对相关的长度设计进行优化，从而有效的进行计算，对于地源热的使用具有研究价值。 

　　2、地埋管长度设计现状 

　　2.1 地埋管长度设计现状 

　　目前在进行地源热泵的埋管长度设计计算中，大多数是根据经验进行设计，在设计的过程中，采用估算的方式，以地下热负荷等参数进行设计，从而进行管长的设计与计算。但是这种方式相对保守，在应用过程中，因为设计人员的保守设计，会造成设计的浪费，增加投资的费用。而且目前计算中，可以采用专用的GCHPCALC等软件，但是这些软件相对复杂，不宜推广。 

　　2.2 埋管长度设计原则 

　　在相应的《地源热泵系统工程技术规范》中，已经有相关的计算埋管长度的方式，其中设计的过程中，引入平衡温度与典型气象的概念，对于地源热泵中的关键参数继续拧测试与选择，从而拟定了一种设计埋管的科学方法。 

　　2.3 地埋管设计特点 

　　地埋管主要有水平管与竖直埋管的方式，而在相关的设计过程中，除了需要满足埋管的区域要求之外，还需要对于埋管周边的环境进行认识，对于埋管周边的岩土特性进行分析，从而选择合适可行的施工方式。因此在施工完成后，需要采用科学的方式对管长进行计算，计算的过程中，需要根据周边的岩土性质、周边的地热环境以及地源热泵的需求进行设计，因为受到诸多因素的限制，因此在设计的过程中通常采用地源热泵与辅助冷热源相结合的混合式进行地源热泵设计。 

　　3、地源热泵地埋管长设计 

　　3.1 参数的来源与分析 

　　在地源热泵埋管长度的计算中，需要多种参数的计算，而且计算的过程中，需要对于相关的参数进行确定，从而保证计算结果科学合理。在参数的来源中，主要需要如下的参数。 

　　（1）热泵机组的性能 

　　地源热泵机组的性能是影响长度的重要因素，而且相关的想能参数会随着实际工作概况变化而变化，因此在计算的过程中，需要采用厂商所指定的制热量与制冷量的参数，从而保证参数的可靠应用。对于已经使用了多年的地源热泵的计算，可以采用拟合公式计算相关的参数。 

　　（2）典型气象年数据 

　　典型气象年是最近三十年的月平均气候，通过选择大量的数据，从而制作平均数据表，得到相关的曲线并进行平滑处理，最终得到相关的平均气候参数。典型气候年的数据包括最热月、最冷月以及平均气温等参数。 

　　3.2 传热模型的选择 

　　根据《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009）的设计要求，设计中的额模型选用的是一维线的热源模型，该模型是1948年提出来的，最初应用于该模型计算地下埋管中换热器的尺寸计算的标准方法，该方法需要对于传热热阻进行设计，而且在计算的过程中，需要对于换热器的材质热阻与周边环境的热阻进行计算，从而有效的计算导热材料的热阻。在计算的过程中，根据技术规范，设计的对流热阻、关闭导热热阻与钻孔壁热阻都有详尽的计算公式。其中计算分别如下所示： 　 

　　在相应的计算中di为地源热泵埋管的内径，m；λ为U型管导热系数，h为对流换热系数，W(m2，K) W(m K)；do为U型管外径，m；对单U型管=2，对双U型管=4；dp为U型管当量直径，m为灌浆材料导热系数，W(mK)；de为钻孔直径，m。 

　　3.3 地埋管长度计算方法 

　　根据以上的参数以及《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009）的设计要求，需要根据以下原则进行计算： 

　　（1）设计时需要根据运行的参数调节相关的额参数设计，从而确定热泵的冷热负荷。在设计的过程中，需要根据结构与参数进行设计。 

　　（2）设计的过程中，典型气象年参数包括确定最热月，最冷月与地表面年平均温度，根据该参数确定最高与最低今夜温度，从而选择合适的地泵的型号与长度设计。 

　　（3）根据水源热泵机组的水流量确定地埋管并联数，并且需要对于土壤参数、钻孔参数等多种参数进行设计与计算。 

　　（4）由设计冷负荷和水源热泵机组在t下的制冷EER确定地埋管换热器的放热量；由设计热负荷和水源热泵机组在下的制热COP确定地埋管换热器的吸热量。 

　　（5）根据设计冷负荷和最热月室外逐时温度计算出建筑物的逐时冷负荷；根据设计热负荷和最冷月室外逐时温度计算出建筑物的逐时热负荷。 

　　（6）根据地埋管单管流量、钻孔参数、地埋管内径以及流体特性参数计算管内流体流速1，、Re和等。 

　　3.4 模型选择与长度计算 

　　而对于地源热泵实际工作过程而言，需要对相关的工作参数进行设计，因为实际工作过程会因为建筑物符合以及相关的运行时间的变化，而导致热泵运行参数发生变化。所以在设计过程中，应该将相应的影响考虑到计算中，将线热源理论加入到计算公式中，从而得到的附加热阻为： 

　　（5） 

　　式中的τp为运行过程的买重负荷运行时间，单位为s。 

　　在设计的过程中，需要将相关的电阻与乳量负荷引入公式中，从而根据热阻的分析，计算埋管的长度计算公式，在计算的过程中，需要分制冷工况与供热工况两种工况进行分析计算，其中的公式分别为： 

　　供热工况： 

　　（6） 

　　制冷工况： 

　　（7） 

　　而相应的Q为泵的冷/热负荷，t为工况下的戒指平均温度，COP与EER分别为供热与制冷系数，F为供热/制冷运行份额。 

　　3.5 程序选择 

　　在计算的过程中，能够结合计算机程序进行设计与计算，在相应的计算过程中，按照上述的计算公式与计算原则，搜集大量参数，采用Matlab能够对管长进行合理计算，计算的过程中，需要选择合适的参数与计算方式，从而保证计算结果的准确性。 

　　4、结语 

　　在关于地源热泵的计算中，关于埋管长度的计算是设计的关键参数，因此在计算的过程中，应该根据周边环境情况，选择合适的参数，并且就选择合适的标准与计算公式，保证埋管长度的合理可靠，方式因为不合理设计造成的浪费，甚至带来实际工程困难。采用一维模型设计与《地源热泵系统工程技术规范》，能够最大限度的保障设计的合理可靠。 　　 

　　参考文献 

　　[1] 地源热泵工程技术规范(GB50366-2009)[S]. 2009 

　　[2] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社, 2006 

　　[3] 田慧峰,曹伟武.地埋管长度计算中关键参数的计算方法研究[J].土木建筑与环境工程, 2009, (2): 1-2 

　　[4] 代元军,陆亦工,孙玉新,等.土壤源热泵换热器的传热性能分析及优化设计研究[J].应用能源技术, 2011, (1): 2-3