李胜涛
中交机场勘察设计院有限公司，广州 510230
摘要：为缓解夏热冬暖地区埋管地区土壤热量堆积问题，使间歇运行的土壤换热器发挥出巨大作用，本文在建立了土壤换热器传热模型基础上，对夏热冬暖地区冷水机组连接、热泵机组连接的土壤换热器工况运行性能进行分析，结合实验结果深入分析设备长期间歇运行的工况，为夏热冬暖地区土壤换热器的设计提供科学参考。
关键词：夏热冬暖地区 土壤换热器 间歇运行
1前言
地源热泵系统作为一种非传统的热源系统形式，具有高效节能、环境污染小、运行效果佳等特点，并且初期投资回报率较高。由于夏热冬暖地区夏季储存热量，冬季释放热量，有必要利用土壤换热器来平衡地下温度场。因此，优化土壤换热器长期间歇运行设计，对保护生态环境、节约能源具有十分重要的现实意义。
2土壤换热器传热模型
2.1地源热泵设备参数
夏热冬暖地区地源热泵设备参数包括土壤热物性参数、土壤初始温度与土壤温度特性。土壤热物性参数是指与土壤有关的一系列物理参数，土壤定容比热容、土壤导热系数、土壤热扩散率是其中最终的三个参数。土壤初始温度与延时测试地点的地理环境、太阳辐射、地下深度有关，初始温度越高的土壤对土壤换热器的影响越大。土壤温度特性反映了夏热冬暖地区测试地点的温度在时间和空间上的变化关系，并且不同温度带的土壤换热器受到外界环境周期性变化的影响存在一定差异。
2.2土壤换热器传热参数
土壤换热器传热参数的选取直接影响着夏热冬暖地区地源热泵系统设计的合理性。地埋管循环介质、回填材料、埋管形式以及土壤初始温度、地下水位、土壤热物性分别为土壤换热器间歇循环设计的工程因素与自然因素。因此，分析几种因素之间的换热过程可利用连续性方程、能量方程，从而明确整个系统设计的传热特征，进而实现土壤换热器传热模型的优化。
3夏热冬暖地区土壤换热器运行工况分析
3.1冷水机组连接土壤换热器工况运行性能
运行时间的影响
一方面，运行时间会影响冷水机组连接土壤换热器的单位井深换热量。一般情况下，单位井深换热量会在地源热泵系统运行后逐渐减小，并且每隔一小时单位井深换热量会发生一定变化，并在一定时间之后维持平缓的变化速度。另一方面，运行时间会影响冷水机组、地源泵换热系统之间的能效比，但能效比受到运行时间的影响的变化幅度较小，在夏热冬暖地区的系统能效比会从一开始的5.3下降至3.6，最终维持在3.6左右[1]。
地埋管总深度的影响
一方面，影响冷水机组连接土壤换热器的单位井深换热量。当地埋管总深度越深，单位井深换热量会随之增加，当总深度达到一1750米以下时，影响幅度会逐渐趋于稳定，此时考虑地源热泵系统的优化设计，具有较高的初期投资回报率。另一方面，对能效比具有一定影响。冷水机组与系统之间的能能效比会随着总深度的增加而增加，当深度达到1750m[2]时，会在相应的图像上看到最大值。
3.2热泵机组连接土壤换热器工况运行性能
地埋管总深度的影响
热泵机组连接土壤换热器与冷水机组连接土壤换热器的运行工况相比，机组与系统的能效比变化趋势相同，同样在1750米处取得最大值。因此，夏热冬暖地区地源热泵系统设计应合理选择热泵机组与冷水机组，以此保证系统能够始终保持较高的间歇运行效率，不仅有利于初期回报率的提升，而且有利于提高系统整体设计的高效性，对土壤换热器传热模型功能与作用的发挥具有十分重要的现实意义。
地埋管循环介质流量的影响
一方面，地埋管循环介质进出口温度差会受到介质流量的影响。
在1750米的地埋管深度处，地埋管循环介质流量的增加会降低一定程度的进出口温度，使得循环介质进出口温度下降到一定数值后，循环介质流量便会维持在一定流量左右，此时二者之间的变化幅度较小。另一方面，机组与系统的能效比受到循环介质流量的影响。1750米处的机组与系统能效比会随着循环介质流量的增加而发生相应的变化，直至机组与系统的能效比趋于一定数值后，二者之间的变化趋势便会趋于平缓。在这一变化过程中，若循环介质流量较大，会引发能效比负向增长，并且会对进出口温度差造成一定影响，进而影响系统整体稳定运行，不利于系统设计的优化。此外，在埋管总深度为1750米、环境温度为10℃-13℃之间时，热泵机组与系统的能效比会随着温度增加而增加，在13℃-15℃之间，能效比会随温度增加而减小。因此，在进行优化设计时，应全面考虑测试地区的土壤温度，进而充分发挥出土壤换热器的优势与作用。
3.3长期间歇运行工况分析
井间距
在夏热冬暖地区土壤换热器长期间歇运行过程中，一方面，井间距会影响系统的出口温度。系统出口温度会随着井间距的增加而降低至一定数值，在井间距为3-4米、4-5米范围内，温度降低幅度分别为0.5%、1.3%，并且出口温度变化幅度不是线性的。另一方面，井间距会影响井壁土壤的温升。井壁温升与出口温度在地源热泵系统停止运行后，受到井间距的影响效果十分相似。因此，在实际工程设计中，可根据地埋管面积、冷热负荷的实际情况与要求，确定出有利于土壤换热器长期间歇运行的井间距。
土壤导热系数
土壤换热器运行状况与土壤导热系数具有十分密切的联系，随着土壤导热系数增大而增加。当土壤导热系数从0.5W/m·℃增加到1.5W/m·℃、从1.5W/m·℃增加到2.5W/m·℃时，出口温度分别在23.92℃~23℃、23℃~22.8℃之间变化，直至出口温度减小幅度达到一定水平便不再变化，井壁土壤温升分别为1.365℃~0.447℃、0.447℃~0.267℃之间变化，并且夏热冬暖地区中测试地点的土壤换热性能越好、温度恢复能力越强，井壁土壤温升的减小幅度也会随着变化。因此，在实际工程设计中，应合理选择测试地点，全面考虑阳光辐射以及其他因素对测试地点土壤温度的影响，从而有效保证土壤换热间歇运行，并且为地源热泵系统今后发展奠定坚实基础[3]。
回填材料导热系数
一方面，影响出口温度。回填材料导热系数增加到一定数值后，出口温度会呈现先增加后降低的趋势，并在到达一定数值后又有微小的升高。与此同时，系统进出口温差还与地埋管总深度有着一定关联，在保证回填材料导热系数为合理数值时，合理确定钻孔内地埋管之间的距离，以此从根本上保证系统的换热能力。另一方面，影响井壁土壤温升。影响井壁温升的因素存在许多种，但回填材料导热系数对其影响效果较为显著，二者之间的变化趋势与出口温度、回填材料导热系数之间的变化趋势相同。在减小系统钻孔热阻之后，特让换热器长期间歇运行工况会有所改善，但这种作用是有限的，应在实际应用中，保证系统在设计负荷的前提下，适当减小钻井的数量，可进一步提升系统的运行工况性能，实现优化设计的理想目标。
4结论
综上所述，以往的地埋管换热器设计存在诸多不合理之处，会严重破坏地下温度场。因此，根据相关研究对夏热冬暖地区土壤换热器的制冷、供暖工况进行土壤换热器传热模型实验模拟分析，明确土壤导热系数对土壤换热器长期间歇运行工况影响最为显著，并且具有良好的经济性，对换热器优化设计与工程应用发挥着重要作用。
参考文献：
[1]刘庆功,杜震宇.不同运行模式下土壤-空气换热器热性能研究[J].工程热物理学报,2020,41(02):420-429.
[2]贾林瑞,崔萍,方亮,中深层地埋管换热器传热过程对周围岩土体的热影响[J].暖通空调,2020,51(1):101-107
[3]李慧,倪龙,沈朝,等.土壤-空气换热器新风系统在严寒地区全年运行性能评价[J].建筑科学,2019,35(12):26-32.