地源热泵地埋管单双U选择探讨

朱宪良 郝赫 张素芳 宋晓玲 李妍 史勇

（1渤海石油水电服务公司 天津 300452 2中国建筑设计咨询公司 北京 100120 3际高建业有限公司 北京 100102）

地源热泵地埋管单双U选择探讨

朱宪良1*郝赫2张素芳2宋晓玲2李妍3史勇3

（1渤海石油水电服务公司 天津 300452 2中国建筑设计咨询公司 北京 100120 3际高建业有限公司 北京 100102）

以上海佘山某别墅地源热泵项目为例，分析了地下换热器系统单U、双U及管径的选择对其各年进出水平均温度的影响。首先，对该项目基本情况进行了简要的介绍；然后简要回顾了地埋管内热阻计算方法，而后分别采用EED2.0和EHPD1.3软件，在给定的系统条件下分别就采用双U32、单U32、双U25及单U254种工况进行了大量的计算分析,得到了其对应的各年各月地下换热器进出水平均温度；进而得出该项目地埋管选用17口单U25井和选用16口双U25井在技术和经济上均基本等价，其中17口单U25井的形式略优的结论。

地源热泵；地下换热器；U形管；换热量；比较分析

1 引言

近几年随着暖通行业的发展，地源热泵作为一种节能、环保的空调系统受到越来越多的关注和应用。其中竖直埋管的形式在我国的工程中应用较多。

竖直埋管一般有单U、双U两种形式，每种形式又有DE32和DE25两种选择，以上四种条件交叉组合是我国目前应用最多的地埋管配置形式。

随着计算机技术的发展，FLUENT软件作为建立数学模型和数值计算的工具在地源热泵的计算分析中得到了越来越多的应用，文献[1]中通过对某30m埋深的U形管进行FLUENT建模分析得出“排热工况下，埋深30m时，单U形管换热器的单位井深换热量约为86W/m，而双U形管换热器的单位井深换热量达到120W/m，较单U形管高约40%”等结论。文献[2]采用FLUENT对某60m井深的U形管三维建模后得出“对外径25mm和32mm的单U形地埋管换热器及外径25mm的双U形地埋管换热器换热性能的模拟对比表明，后两者换热量分别比前者提高了8%和22.4%”等结论。文献[3]同样采用FLUENT软件，对某100m井深的U形管三维建模后得出“双U型换热器的换热性能不一定大于单U型换热器。当流量较小时，双U型换热器支管间热短路现象比单U型换热器严重，双U型换热器换热性能小于单U型换热器;随着流量的增大，支管间热短路现象减轻，双U型换热器的换热性能大于单U型换热器”等结论。

可见，单、双U对地源热泵系统的影响没有特别简单统一的结论，与项目的实际情况有很大的关系。同时以上这些结论都是在单井条件下进行的FLUENT建模分析，而在实际项目中一般都是多井长时间联合运行的情况，单、双U在多井长期运行的工况中对系统的影响也值得探讨。

本文以“上海佘山某别墅项目”为例，分别对双U32、单U32、双U25及单U254种U形管配置下各年各月地下换热器进出水平均温度进行计算，进而探讨适合本项目的最优的U形管配置方案。

2 项目简介

本项目位于上海市松江区佘山旅游度假区，该别墅地上两层，地下一层，建筑高度7.45m，总建筑面积830m2，根据该项目岩土热物性测试结果，当地岩土的初始温度为19℃，岩土体的平均导热系数为2.1W/(m·K)，体积比热容为2100kJ/（m3·K）。

进行地下换热器系统的设计前，依据其建筑图纸，结合别墅的使用特点，通过DEST软件进行了建筑全年逐时负荷计算。空调负荷统计结果如表1所示。

表1 建筑全年各月负荷统计表

供暖季从12月15日至转年2月15日，供冷季从5月15日至10月15日止；系统冬、夏季季节综合能效比分别设定为3和3.5。冬季和夏季峰值单日连续运行时间分别设定为22.5h和16h。打井深度120m，钻孔直径150mm，回填材料导热系数2.1W（/m· K），U形管内部间距0.07m。地下换热器内的循环液为水，井间距5m。地下换热器循环泵额定总设计流量为13.2m3/h。

U形管选用De32x3（外径x壁厚）和De25x2.3的HDPE管材，形式可选单U或者双U,以下简称U形管配置为单U32、双U32、单U25和双U25。

3 计算模型及设计软件简介

3.1 计算模型简介

在对单孔的地埋管换热器进行传热分析时，常以钻孔壁为界，把所涉及的空间区域划分为钻孔内和钻孔外的岩土部分两部分，采用不用的简化假定进行分析[4]。其中钻孔内传热模型一般分为一维导热模型、二维导热模型和准三维导热模型，而钻孔外的传热模型一般有无限长线热源模型、有限长线热源模型和有限长柱热源模型等。

3.2 地下换热器计算软件简介

本文使用瑞典隆德大学开发的EED2.0计算程序和北京天和集思开发的EHPD1.3计算程序进行计算分析。

EED2.0采用叠加原理方法的基本思路，是欧洲地热协会的商用地源热泵地下换热器设计计算分析软件[5]。

EHPD1.3软件以有限长线热源理论为基础，亦使用叠加原理的设计思路。

4 方案对比

4.1 打井16口的情况

首先，使用EED2.0软件计算16口井4行4列矩形排列，选用双U32时30年内各年各月的地下换热器进出水平均温度，如表2所示。

表2 峰值负荷各年各月月末进出水平均温度表

从表2可以看到本项目冬季地下换热器水温较高，远优于规范的要求，夏季峰值负荷下的水温在前10年是合格的，到第30年高达36.45℃，超标较严重。

通过EHPD1.3程序，也可以得到一组类似的数据，表3为采用16口井4行4列排列选用单U32管时两软件的结果：

表3 单U32各年计算结果

从表3可以看出，两软件的计算结果非常接近。第十年夏季时，单U32配置下的水温明显超标，而冬季水温均明显满足规范要求，本项目中不必过多关注冬季水温。下面为了文章的简洁，直接给出采用不同U形管配置时两程序各年峰值最大值的计算结果。

16口井4行4列排列选用双U25及单U25管时的计算结果如表4所示。

对比表2、表3及表4的数据可以看出，双U32夏季峰值水温最低，后面依次是双U25、单U32及单U25，其中双U配置下的水温均达标，单U管配置下的水温均超标。表5列出了四种U形管配置下的雷诺数和流速，可见其雷诺数都超过了2300，即达到了紊流状态，但双U32管的流速仅为0.23m/s，为防止积气，流速不应低于0.25m/s。故若本例选择16口井4行4列排列的形式，选择双U25管是比较合适的。

4.2 打井15口的情况

为了解提高流速是否对本例有明显作用，下面看一下15口井3行5列排列的情况，由于总流量设置是恒定的，井数减少就会导致单口井的流量增大，流速对应增大。15口井四种U形管配置的计算结果见表4。

表4 15口3行5列排列各年计算结果

将表4与表2～表4的数据进行对比可以看出以下三点：（1）15口井的情况下，夏季进出水平均温度均比16口井的情况要差，证明流速的提升无法抵消埋管长度减少的影响；第（2）15口井时，第10年水温全线超标，证明在其他参数不变的情况下，本例选用15口井3行5列排列的方案不可行；（3）本例中，De32管道对应的水温较De25管道差别很小，无明显优势，所以从成本考虑本例可以优先选择De25的地埋管。

4.3 打井17口的情况

为了搞清与16口井双U25配置时可以达到同样出水温度的其他配置效果，表5中列了4种17口井单U25配置下的各年水温。从表5可以看到，虽然都是17口井，但由于井形排列形式的不同，地下换热器各年进出水平均温度会有比较明显的差异，因为井形行与列的乘积越大，井群的相对占地面积就越大，地埋管相互之间的影响就越小。井形排列对地下换热器出水温度的影响拟另撰文探讨，不做本文的重点，这里不再展开。

表5 17口单U25各种井形排列下各年进出水平均温度

本例中我们比较关注的是与16口井4行4列排列最相近的4行5列梯形排列的形式，由于EED2.0中内置的井形配置是固定的预设值，没有梯形排列的形式，所以表5中仅列出了EHPD1.3 该排列下的计算结果。

可以看到单U25管17口梯形排列的水温与双U25管16口配置的水温基本持平，并略优于双U25管16口配置的情况，所以可以认为此两个方案从技术上基本等价。

下面从经济方面进行简要的对比，De25的PE管道市场价大约是3.5元/m，上海地区地下换热器系统除管道外打孔与安装的综合单价大约是51元/m（不含管材价格），则本项目选择双U25配置的总造价约为（51+3.5x4）（元/m）x110（m）x16（口井）=114400（元），而选择单U25配置的总造价约为（51+3.5x2）（元/m）x110（m）x17(口井)=108460（元）。总体价格差距不大，选择17口单U25井的总造价相对16口双U25井的配置略低5.2%。

4.4 小结

本项目在打井位置够的情况下，选择17口井单U25的配置从技术到成本均略优于16口井双U25的配置，但差距不是十分明显，可根据可打井位置、钻孔安装成本等实际情况选择；若打井位置足够，可考虑地埋管相互影响更小的U形排列形式。

5 结语

本文介绍了一种实用的地源热泵地下换热器系统单双U选择的分析方法，通过对上海某别墅案例的分析发现，本文案例中地埋管双U25配置较单 U25配置的换热效率不超过6%（16/17=0.9412），结合文献[1-3]的结论可以看出，地源热泵地下换热器系统单双U的选择根据项目实际情况会有不同的结论，具体项目中应采用切实可行的方法对该问题进行综合分析和选择，达到技术和经济综合效能最优。

[1]马健,郑中援.单U形和双U形地埋管换热器传热模拟[J].暖通空调,2012(05)：108-112.

[2]张志鹏，宋新南.单U型与双U型竖直土壤换热器换热性能的对比[J].太阳能学报,2012(07)：1193-1198.

[3]杨伟.U型竖直地埋管换热器热响应模型及其算法研究[D].湖南大学,2010.