地源热泵钻孔布置形式对土壤温度场的模拟研究

车文昊 白 莉 常文涛 化亚魏

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

土壤源热泵具有高效、节能、环保的特点，从上世纪80年代我国开始对热泵技术进行研究，经过数十年的发展，地源热泵技术已在我国得到广泛的应用，工程应用数量越来越多.但是，由于地埋管换热器设计不合理，管理运行不规范导致地源热泵系统运行几年后出现换热情况恶化、机组效率降低的情况时有发生.从目前的研究现状来看，大多数研究集中在单井传热分析及增强传热，以及地源热泵与其他系统的联合运行方面，例如地源热泵-辐射供冷/暖系统、地源热泵-冰蓄冷系统、太阳能-地源热泵系统等，而对于地源热泵井群传热方式研究较少.在实际工程应用中，合理地布置井群，不仅能够使机组高效地运行，也能在一定程度上降低工程的经济成本，因此对井群的研究也是必要的.本文主要探索在管间距一定的情况下，井群叉排与井群顺排两种布井方式对土壤温度场的影响.

1 评价指标

在对布井方式进行评价时需要引入一个统一的评价指标，本文采用文献[1]中提出的对井群进行热分析时引入的无量纲参数—区域热效率Ei进行评价.

式中，qi,n为井群布置时第i个钻孔的热流；qi,n=1为1个钻孔单独布置，采用相同的模拟条件时的热流;n为井群的钻孔数量.在引入的结果评价参数中，单井的热效率认为是最高的，即qi,n=1=1.

2 影响地埋管井群换热的因素

影响地埋管井群换热效率的因素有很多，但最重要的因素有两个，分别为管间距和和井群布置方式.

(1) 管间距. GB 50336-2009《地源热泵系统工程技术规范》[2]条文4.3.8中规定，为使钻孔间距满足换热要求，间距宜为3m～6m，美国ASHRAE《地源热泵工程技术指南》中推荐的最小间距为15ft(4.572m)[3].研究表明，钻孔间距的增大，能明显减缓井群区域热效率的衰减，其井群区域热效率的变化也越接近于单井的热效率[4].但钻孔间距增大带来的井群热效率增大的幅度也逐渐减小，实际工程中因为地表面积有限，不会无限增大钻孔间距[4].本文主要探讨井群布置方式对土壤温度场的影响，因此设定孔间距为5m.

(2) 井群布置方式. 井群的布置方式对地源热泵系统的影响也非常大，合理设计布置方式可以提高地下换热器的换热效率，节省地表占地面积，降低初投资.GB 50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》规定钻孔布置方式应根据现场条件确定；美国ASHRAE《地源热泵工程技术指南》给出的设计原则是大面积井群布置要减少热积聚.由此可以看出，技术规范和技术指南中只是提出了基本的设计原则，而未提及具体的设计方法及数据，不利于在工程实际中的大范围应用.目前实际工程中井群的排列布置时，由于没有可以参考的成功案例，大多采用顺排形式，未能根据具体情况进行优化设计.本文通过数值模拟分析的方法比较两种排列方式的优劣.

3 数值模拟及分析

模拟计算区域为30m×30m，模拟时间为3个月，方案1为叉排布置，孔间距为5m；方案2为顺排布置，孔间距为5m(见图1).方案1与方案2除排列布置方式不同外，其他条件均相同.

图1为地源热泵井群运行3个月后土壤温度分布云图，由图中可以看出，在相同的钻孔间距下，占地面积一定时，方案1容纳钻孔数量比方案2多2孔，而方案1和方案2在系统运行3个月后土壤的平均温降分别为1.35K和1.26K，温差相差较小；图2为叉排与顺排在y=0时温度分布曲线，平均温差分别为280.2K，280.3K，温差相对较小.经过计算可得方案1与方案2的区域热效率Ei,1=0.72，Ei,2=0.74,Ei,1略小于Ei,z.由此可知，在可接受的热效率下降范围内，虽然井群叉排布置时的热效率略低于井群顺排布置时的热效率，但叉排布置却比顺排布置时节省占地面积，更加有利于土壤源热泵的推广与应用.

图1 系统运行3个月后土壤温度云图

图2 叉排与顺排在y=0时温度分布曲线

4 结论

本文通过建立井群的传热模型，比较井群叉排布置时与井群顺排布置时的热效率，得到如下结论：虽然井群叉排布置时的热效率略低于顺排时的热效率，但其降低幅度在可接受范围内，而且相对于井群的顺排布置叉排布置节约占地面积，在一定程度上提高了工程的经济性，综合考虑来看叉排布置形式优于顺排布置形式.

参 考 文 献

[1] Qiang Zhang．Heat transfer analysis of vertical Utubeheat exchangers in a multiple borehole filed forground source heat pump systemsr[D]．University of Kentucky,1999.

[2] 地源热泵系统工程技术规范(GB 50336-2005)[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3] 美国制冷空调工程师协会．地源热泵工程技术指南[S].徐 伟译．北京：中国占地工业出版社，2001.

[4] 余 斌，王沣浩，颜 亮.钻孔间距和布置形式对地埋管井群传热影响的研究[J].制冷与空调，2010，10(5)：31-34.