目前，國內(nèi)地源熱泵項(xiàng)目的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，許多專業(yè)分包單位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行埋地?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)。雖然項(xiàng)目在土壤冷熱平衡問題上采用了冷卻水塔補(bǔ)充，但是隨著使用年限的增加，有些地源熱泵項(xiàng)目已經(jīng)不能在制冷工況下正常運(yùn)行。這種現(xiàn)象不僅影響到空調(diào)系統(tǒng)的正常使用，也導(dǎo)致項(xiàng)目投資的浪費(fèi)。本文運(yùn)用ANSYS 的穩(wěn)態(tài)換熱模塊，對(duì)單U 管換熱井換熱性能下降的影響因素進(jìn)行了模擬分析。

1 ANSYS分析的合理性與局限性

ANSYS 作為一種有限元分析軟件在熱分析方面具有強(qiáng)大的功能，如果換熱物體的物性不發(fā)生變化，分析結(jié)果基本接近事實(shí)。對(duì)于建筑面積較大的地源熱泵項(xiàng)目，埋地?fù)Q熱井設(shè)計(jì)數(shù)量多達(dá)幾千口。如果對(duì)整個(gè)項(xiàng)目換熱井進(jìn)行模擬，模型較大，模型網(wǎng)格劃分較密，一般的計(jì)算機(jī)很難模擬其運(yùn)行情況。ANSYS模擬換熱溫度場(chǎng)時(shí)，需要簡(jiǎn)化換熱模型，通常截取幾個(gè)管井的垂直斷面，分析其在不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)及其它參數(shù)下對(duì)換熱結(jié)果的影響。

2 Ansys模擬換熱井溫度場(chǎng)

ANSYS 的分析應(yīng)用主要特點(diǎn)在其直觀的圖像表現(xiàn)，在熱分析上同樣的效果。以河北邢臺(tái)某地源熱泵項(xiàng)目勘測(cè)數(shù)據(jù)為例，其垂直U 型管埋地?fù)Q熱器的基本參數(shù)見表1。在表1 參數(shù)下，單U 井溫度場(chǎng)如方案1 所示。單U 井6×6 間距4m 管井排列溫度場(chǎng)如方案2 所示。

表1 U型井換熱器初始參數(shù)

單個(gè)管井換熱分析中，可以清晰的看出HDPE 管壁溫度30℃，在恒熱流為50W/m 的換熱情況下，管道內(nèi)水的平均溫度tf為：

管井?dāng)?shù)量為6×6，間距4m 的換熱分析中，運(yùn)行結(jié)果，管井水平斷面溫度圖像只能顯示出井壁溫度19.76℃，在熱流量50W/m 的換熱情況下，管道內(nèi)水的平均溫度tf為：

無限遠(yuǎn)處土壤溫度為18℃，以《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》B.0.1-7 公式，土壤的熱擴(kuò)散率a取0.23×10-6m2/s，8h后Rs熱阻為0.064 (m·K)/W；計(jì)算埋管內(nèi)平均水溫tf為：

通過單U 井和多個(gè)U 型管井（6×6）的換熱模擬分析，地源熱泵在初始運(yùn)行的過程中，地埋管出水溫度在30℃（低于管內(nèi)平均溫度1.5℃），是一種良的好運(yùn)行狀態(tài)。

3 垂直埋地?fù)Q熱器在不同土壤、回填土導(dǎo)熱系數(shù)下溫度場(chǎng)分析

假定HDPE 和回填土導(dǎo)熱參數(shù)不變的情況下，改變土壤導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù)參數(shù)，在恒熱流50W/m 的換熱情況下，進(jìn)行ANSYS 換熱模擬單U 井周圍溫度場(chǎng)分布見方案3～6 所示，通過模擬的井壁溫度計(jì)算出埋地?fù)Q熱器的出水溫度（見表2所示）。

3.1 不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)下?lián)Q熱管井截面的溫度場(chǎng)（圖1）

圖1

由表2 可以看出，隨著土壤導(dǎo)熱系數(shù)的下降，地埋管出口溫度在不斷升高，方案3 計(jì)算埋地管進(jìn)、出水溫分別為34.5℃、31.4℃，在此溫度下運(yùn)行，熱泵機(jī)組的效率略高于使用冷卻水塔的情況；方案4 計(jì)算埋地管進(jìn)出水溫分別為35.7℃、32.6℃，可以近似在冷卻水塔下熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率；如果在地質(zhì)勘探時(shí)，土壤導(dǎo)熱系數(shù)小于1.2W/(m·K)，則不建議采用地源熱泵系統(tǒng)，或者說不能在夏季工況下使用地源熱泵。方案6 的情況下，熱泵機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)停機(jī)。

表2 不同溫度下地埋管出水計(jì)算溫度

3.2 不同回填土導(dǎo)熱系數(shù)下?lián)Q熱管井截面的溫度場(chǎng)（圖2）

圖2

表3 不同溫度下地埋管出口溫度

由表3 可以看出，隨著回填土導(dǎo)熱系數(shù)的下降，地埋管出口溫度在不斷升高，方案7 計(jì)算埋地管進(jìn)、出水溫分別為35.1℃、32.1℃，可以相當(dāng)于在使用冷卻水塔下熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率；如果回填土導(dǎo)熱系數(shù)小于0.6W/(m·K)，熱泵的實(shí)際效率就會(huì)小于額定工況下的效率。埋地?fù)Q熱器的回填作為地源熱泵系統(tǒng)施工上重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果回填土選取或施工不當(dāng)，會(huì)降低熱泵的使用性能。Case10 的土壤導(dǎo)熱系數(shù)和回填土導(dǎo)熱系數(shù)是模擬各種變量變化過程中，地源熱泵在制冷工況下運(yùn)行的一組臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4 換熱井換熱效率下降因素分析

4.1 埋管出水溫度對(duì)熱泵效率的影響

地源熱泵機(jī)組在夏季運(yùn)行工況下，在蒸發(fā)溫度不變的情況下，其冷凝溫度隨著埋管換熱器出水溫度的變化而變化。對(duì)于特定的機(jī)組，其實(shí)際制冷量與冷卻水進(jìn)水溫度（to）、冷凝溫度（tc）的關(guān)系為：

對(duì)于額定制冷量以冷凝溫度（tc）以30℃標(biāo)定的機(jī)組，由公式1 可以看出，熱泵機(jī)組實(shí)際制冷量隨著埋地?fù)Q熱器出水溫度（to）的升高而下降，如果埋地?fù)Q熱器出水溫度升高到40℃以上，制冷機(jī)組就無法啟動(dòng)了。

4.2 土壤含水率對(duì)管井換熱的影響

已有的研究表明，土壤導(dǎo)熱系數(shù)與其密度、空隙比、飽和度等因素有關(guān)。當(dāng)土壤主要是粘土?xí)r，土壤導(dǎo)熱系數(shù)與含水率的關(guān)系式如式（2）：

對(duì)于沙層土壤，土壤導(dǎo)熱系數(shù)與含水率的關(guān)系式如式（3）：

式（3）中ω—水分所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；rsd—土壤干密度（kg/m3）。

從公式（2）可以看出，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)與含水量是正相關(guān)關(guān)系，隨著含水率的增加而增加。假設(shè)土壤干密度為1642kg/m3，土壤導(dǎo)熱系數(shù)與含水率如圖3 所示。

圖3 土壤（粘土）導(dǎo)熱系數(shù)與含水率的關(guān)系

另有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，干燥土壤的導(dǎo)熱系數(shù)為0.202W/(m·K)，隨著含水率的增加，導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)近似線性規(guī)律增加。當(dāng)含水率達(dá)到20%后，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.445W/(m·K)的最大值，隨后不再增大而是緩慢下降，到30%時(shí)降到1.312W/(m·K)，隨后再緩慢增加。

根據(jù)方案4 表明，土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.2W/(m·K)時(shí)，是夏季使用地源熱泵制冷運(yùn)行的一個(gè)臨界值，所以在土壤含水率小于12.5%，其換熱效率將開始明顯降低。

5 結(jié)語

土壤源熱泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)、回填土導(dǎo)熱系數(shù)有一個(gè)臨界值，下降到一定范圍內(nèi)，會(huì)影響到夏季在制冷工況下的使用。土壤源熱泵在制冷工況下，隨著系統(tǒng)不斷運(yùn)行，埋管外土壤熱阻不斷增加，導(dǎo)致埋管出水溫度的不斷上升，從而導(dǎo)致熱泵效率的下降。因此，土壤源熱泵使用在24h 使用的建筑（例如酒店），其夏季換熱效率會(huì)不斷降低。

由于地下水位的下降，土壤中的含水率降低、或者井內(nèi)回填土部分的密度下降，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)下降。土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.2W/(m·K)時(shí)，是夏季使用地源熱泵制冷運(yùn)行的一個(gè)臨界點(diǎn)。因此，在土壤含水率小于12.5%，其換熱效率將開始明顯降低。

在地下水位下降的地區(qū)，應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)。通過土壤熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，土壤換熱條件差的地區(qū)，地源熱泵在夏季運(yùn)行時(shí)，采用冷卻水塔散熱的比例要加大，而不是理論計(jì)算的滿足土壤冷熱平衡下的差值。