薛頎，祖國全

（1.安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽合肥 230011；2.安徽省方舟科技開發(fā)有限責任公司，安徽合肥 230601）

0 引言

地下熱島效應的形成與危害是地源熱泵地下換熱系統(tǒng)熱積累的主要問題之一，一直是業(yè)內高度關注的重要問題。本文在開展傳統(tǒng)U型管換熱器實驗的基礎上，對高效換熱井進行了熱積累實驗研究。

地下換熱器在使用過程中，地埋管內換熱介質與周邊巖土之間一般保持5℃以上的溫差，當排熱或吸熱量持續(xù)超過巖土散熱速度時，地埋管內換熱介質與周邊巖土的溫差會逐步縮小，形成熱積累。當溫差接近零時，地埋管進出水溫度也接近零，形成熱短路[1～2]。為了解地下換熱系統(tǒng)的熱積累規(guī)律，我們進行了較長時間的跟蹤觀測，初步研究成果如下：

1 地埋管換熱器單孔熱積累

為研究地埋管換熱系統(tǒng)單孔熱積累問題，我們首先建造了一口高效換熱井，采用Φ110鋼管作為支護和換熱管，內置PE40直管作為循環(huán)導流管，支護管完全密封，循環(huán)介質與周邊巖土只有熱交換，沒有地下水參與交換。冷井一周后，測量其原始溫度為18.9℃，再連續(xù)循環(huán)加熱48小時，停止加熱，此時換熱井的進水溫度40.3℃，出水溫度35.6℃，平均溫度38.0℃。

停止加熱40分鐘、44小時、20天、50天后，分別對井下各層溫度進行測量，見表1。從表中可以看出，井下平均溫度與初始溫度相比，40分鐘后高14.4℃，44小時后高2.9℃，20天后高0.4℃，50天后高0.3℃。

表1 地下換熱器試驗井不同時間段溫度變化Table 1.Temperature changes in underground heat exchanger test well at different time periods

從圖1和圖2可以看出，高效換熱井在冷卻20天后，井內平均溫度已基本恢復到原始狀態(tài)。

圖1 觀測井初始溫度與停止加熱后不同時間段井溫實測曲線Figure 1.Measured curves of initial temperatures and well temperatures at different time periods for the observation well after heating stops

圖2 高效換熱井停止加熱后平均溫度變化曲線Figure 2.Average temperature change curve of efficient heat exchange well after heating stops

2 高效換熱井群孔熱積累

為研究高效換熱井群孔熱積累問題，我們在合肥某大學建筑藝術館80口高效換熱井的周邊布置了6口觀測孔，觀測井分布見圖3，各觀測井與工作井距離見表2。

圖3 觀測井與實際使用井位置分布圖Figure3.Distribution of observation wellsand workingwellsin use

在2013年冬季開機前、開機20天后、開機53天后、停機10天后、停機50天后分別測量各觀測井溫度，見表2。

表2 觀測井冬季使用前后10m以下平均溫度Table 2.Average temperatures of observation wells at depths below 10m before and after working wells put to use in winter

圖4是觀測井冬季使用前后10m以下平均溫度變化曲線。圖中顯示，測試井距工作井2m以內有明顯影響，但最大影響溫度不超過2℃，2.5m以上基本沒有影響。停機10天后，2m以上測試井溫度基本恢復，50天后所有測試井溫度基本恢復。

圖4 觀測井冬季使用前后10m以下平均溫度變化曲線Figure 4.Average temperature variation curves of observation wells at depths below 10m before and after working wells put to in winter

3 模擬計算

（1）設定巖土平均溫度為20℃，巖土綜合導熱系數為1.5W/(m·℃),換熱井出水溫度維持30℃，并持續(xù)120天[3]，對巖土溫度影響范圍見圖5、圖6，顯示對2.5m以外巖土影響溫度小于1℃。

圖5 換熱井出水保持30℃并持續(xù)120天溫度影響范圍Figure 5.Temperature influence range of heat exchange well when outlet water is kept at 30℃for 120 days

圖6 換熱井出水保持30℃并持續(xù)120天溫度影響范圍曲線Figure 6.Temperature influence range curve of heat exchange well when outlet water is kept at 30℃for 120 days

（2）設定巖土平均溫度為20℃，巖土綜合導熱系數為1.5W/(m·℃)，地換熱井出水溫度維持35℃，并持續(xù)120天[3]，對巖土溫度影響范圍見圖7、圖8，顯示對3m以外巖土影響溫度小于1℃。

圖7 地埋管出水保持35℃并持續(xù)120天溫度影響范圍Figure 7.Temperature influence range of ground heat exchanger when outlet water is kept at 35℃for 120 days

圖8 換熱井出水保持35℃并持續(xù)120天溫度影響范圍曲線Figure 8.Temperature influence range curve of heat exchange well when outlet water is kept at 35℃for 120 days

4 高效換熱井與U型地埋管換熱器熱積累對比

高效換熱井與U型地埋管換熱器結構見圖9。

圖9 高效換熱井與U型地埋管換熱器結構圖Figure 9.Structure diagram of efficient heat exchange well and U-shaped ground heat exchanger

U型地埋管換熱器進水和出水都直接與周圍巖土進行熱交換，進出水流速相等，進水與出水管之間的巖土只有幾十厘米，這部分巖土最容易產生熱積累。U型地埋管換熱器由于數量多，占地面積大，在實際工程中往往按網格狀排布，大大增加了熱積累的速度[4～5]。

高效換熱井只有進水與巖土進行熱交換，換熱面積大，交換后的水到井底后，由導流管以較快的速度輸送到地表，難以形成熱積累和熱短路[6]。在實際工程中，由于高效換熱井的數量只有U型地埋管換熱器的10%～20%，一般布置成單排或雙排，井與井的間距較大，因此形成熱積累的速度大大減緩。

5 結論

（1）網狀布置的地埋管換熱器較易產生熱積累，井的間距越小，產生熱積累的速度越快。

（2）換熱器數量（或總延米）應與建筑物的負荷相匹配，設計安全系數越高，總延米越長，產生熱積累的速度越慢。

（3）高效換熱井由于特殊的結構和布井方式，難以產生熱積累。