（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

近年來(lái)，地源熱泵越來(lái)越受到人們的關(guān)注，但是熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致土壤熱失衡。這時(shí)常常需要借助一些輔助熱源（例如太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等）利用地埋管對(duì)土壤進(jìn)行蓄熱來(lái)彌補(bǔ)土壤的熱失衡。其中，地埋管蓄取熱過(guò)程中的傳熱特性直接影響到耦合蓄取熱過(guò)程的優(yōu)劣，因此，對(duì)蓄熱取熱動(dòng)態(tài)特性研究顯得尤為重要［1-2］。

Xue等［3］從換熱性能和經(jīng)濟(jì)性方面研究了單U和雙U型地埋管換熱器，得出了雙U型換熱器的換熱性能要比單U型換熱器要好，且雙U型換熱器比單U型換熱器更經(jīng)濟(jì)。Wang等［4］針對(duì)重慶的實(shí)際工程，從換熱效果來(lái)分析，得出了雙U型地埋管的換熱能力是單U的換熱能力的1.6倍，雙U型地埋管應(yīng)被提倡。謝寶軍［5］對(duì)雙U和單U型地源熱泵系統(tǒng)只進(jìn)行了模擬，得出當(dāng)土壤自我調(diào)節(jié)能力一直有效時(shí)，選擇雙U地埋管是有利的，雙U地埋管換熱性能優(yōu)于單U地埋管。秦祥熙等［6］針對(duì)同一地埋管熱交換孔，試驗(yàn)條件相同的情況下，分析了單/雙U的單位長(zhǎng)度換熱量，得出了管徑越小雙U換熱器每米換熱量比單U換熱器越明顯的結(jié)論。萬(wàn)溧等［7］針對(duì)實(shí)際工程對(duì)雙U型地埋管換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同因素（進(jìn)水溫度和速度、鉆井深度、回填材料等）對(duì)雙U型地埋管換熱器換熱性能的影響，劉超等［8］通過(guò)對(duì)雙U和單U地埋管換熱器進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了單位井深換熱量、能效系數(shù)均較單U型地埋管換熱器好，雙U型地埋管供回水溫差較單U型地埋管小，回水溫度較單U型地埋管低。季永明等［9］提到太陽(yáng)能的階梯利用，根據(jù)蓄熱水箱出口溫度的高低采用相應(yīng)的運(yùn)行模式，最大程度利用太陽(yáng)能。楊衛(wèi)波等［10-11］研究了熱泵運(yùn)行模式和回填材料對(duì)地埋管周圍土壤傳熱特性的影響。

本文采用試驗(yàn)與模擬兩種方法來(lái)研究豎直地埋管傳熱性能。利用搭建的試驗(yàn)臺(tái)研究蓄熱和取熱運(yùn)行模式對(duì)雙U型豎直地埋管傳熱特性的影響規(guī)律。在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上開(kāi)展模擬研究，分析土壤分層、地埋管管徑等因素對(duì)雙U地埋管傳態(tài)傳熱特性的影響，同時(shí)對(duì)單/雙U地埋管進(jìn)行對(duì)比分析，獲得內(nèi)在變化規(guī)律，從而為相關(guān)設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)臺(tái)搭建及組成

該試驗(yàn)臺(tái)是由恒溫水浴、豎直雙U型地埋管、保溫材料、K型熱電偶、溫度采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。試驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)空氣溫度在27.2～27.8 ℃之間?？梢哉J(rèn)為在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)空氣溫度對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度幾乎沒(méi)有影響。在蓄熱過(guò)程中由于土壤溫度略有微小差異，因此對(duì)土壤測(cè)點(diǎn)值取加權(quán)平均值，作為土壤的初始溫度值，算出土壤初始值為28.5 ℃。儲(chǔ)熱砂箱采用1.5 m×1.3 m×1.3 m不銹鋼箱體制成。本試驗(yàn)采用紫銅豎直雙U型地埋管，內(nèi)徑為8 mm，外徑為10 mm，管外間距為60 mm，長(zhǎng)度為1 400 mm。在沿垂直深度方向距離土壤表面700 mm深處布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，這12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)距離地埋管中心位置依次為40，60，80，105，130，155，180，205，280，380，480，580 mm。溫度探頭采用 K 型熱電偶其精度為0.1 ℃，恒溫水箱可以提供的溫度在-20～90 ℃范圍內(nèi)，溫度波動(dòng)在-0.1～0.15 ℃范圍內(nèi)，這滿足試驗(yàn)對(duì)精確度的要求。為了防止不銹鋼箱體與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱，影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)不銹鋼箱體四周以及底部采用30 mm的橡塑保溫材料進(jìn)行保溫。儲(chǔ)熱容器中心上下開(kāi)一個(gè)直徑為150 mm的圓孔作為回填區(qū)域，且圓孔周圍設(shè)有不銹鋼鐵絲纏繞。豎直雙U型地埋管放置在回填區(qū)域內(nèi)，且距箱體底部100 mm。

圖1 地源熱泵砂箱試驗(yàn)臺(tái)

2 數(shù)據(jù)處理模型

2.1 地埋管換熱量

地埋管換熱量計(jì)算式：

式中 Q —— 運(yùn)行穩(wěn)定后地埋管換熱器換熱量，W；

V ——地埋管換熱器內(nèi)流體體積流量，m3/s；

ρ ——流體密度，kg/m3；

Cp——流體定壓比熱容，J/（kg·℃）；

t ——管內(nèi)流體溫度，℃；

in，out——下標(biāo)，流體進(jìn)口、出口。

2.2 單位井深換熱量

單位井深換熱量計(jì)算式：

式中 Q ——地埋管換熱量，W；

H ——地埋管縱向方向上的深度，m。

3 數(shù)理模型建立

3.1 物理模型

根據(jù)搭建的試驗(yàn)臺(tái)，基于有限元分析法，建立了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)物理模型，如圖2所示。

圖2 單/雙U型地埋管換熱器傳熱模型

溫度為T1流體流進(jìn)雙U型地埋管的兩個(gè)進(jìn)口端，與周圍土壤進(jìn)行充分換熱后，流體溫度變成T2從地埋管出口端流出。

由于豎直U型地埋管幾何形狀的特殊性和土壤（多孔介質(zhì)）傳熱的復(fù)雜性，為研究結(jié)果能夠更加真實(shí)地反映地埋管實(shí)際傳熱規(guī)律，對(duì)模型做了以下假設(shè)：

（1）U型地埋管在鉆井內(nèi)對(duì)稱分布，同時(shí)地埋管換熱器與土壤間接觸緊密，忽略接觸熱阻；

（2）土壤及地埋管均為均質(zhì)各向同性的材料，且熱物性參數(shù)不隨溫度的變化而改變；

（3）不考慮土壤中水分遷移引起的換熱量，認(rèn)為土壤中的傳熱為多孔介質(zhì)傳熱問(wèn)題；

（4）由于鉆井較深（20～200 m），而地埋管進(jìn)、出口溫差（3～5 ℃）較小，因此可以認(rèn)為單位微元管段流體對(duì)應(yīng)的同一層土壤溫度不變；

（5）基于假設(shè)4，忽略地埋管縱向傳熱，認(rèn)為熱量在土壤中的傳遞僅沿半徑方向；

（6）不考慮地下水滲流對(duì)地埋管換熱器傳熱的影響。

3.2 數(shù)學(xué)模型

3.2.1 控制方程

基于有限元分析法，采用MATLAB軟件進(jìn)行模擬求解。地埋管附近區(qū)域采用加密網(wǎng)格處理，離地埋管較遠(yuǎn)距離處采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格處理。管道中不可壓流體的速度、壓力方程如下［12］：

式中 p ——壓力水頭，m；

μ ——流體的動(dòng)力黏性系數(shù)，N·s/m2；

u ——等效管橫截面流體的平均速度，m/s；

F ——質(zhì)量力，N/kg；

Re ——雷諾數(shù)；

e ——U型管內(nèi)表面粗糙系數(shù)，mm；

dh——圓管直徑，m；

A ——圓管橫截面積，m2；

Z ——圓管濕周，m。

管道內(nèi)流體傳熱過(guò)程中熱平衡方程［13］：

式中 Cp——比熱容，J/（kg·℃）；

k ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

Q ——廣義熱源，W；

Qwall——通過(guò)管壁的換熱量，W；

（hZ）eff—— 對(duì)流換熱系數(shù)h與管壁截面周長(zhǎng)乘積的有效值；

Text——管壁外側(cè)土壤的溫度，℃。

土壤導(dǎo)熱微分方程［14-15］：

式中 ρe——多孔土壤的密度，kg/m3；

Ce——多孔土壤的定壓比熱容，J/（kg·K）；

λe——多孔土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

S ——源項(xiàng)，文中 S=0。

3.2.2 初始條件及邊界條件

（1）地表面邊界條件為絕熱邊界條件：

（2）土壤無(wú)窮遠(yuǎn)處邊界條件為：

式中 T0——土壤初始溫度，℃。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行前地埋管進(jìn)、出口邊界條件：

式中 T1——地埋管進(jìn)口溫度，℃；

T2——地埋管出口溫度，℃；

Tp——豎直U型地埋管初始溫度，℃。

（4）地埋管進(jìn)口邊界條件：

式中 Tf—— 不同時(shí)刻下地埋管入口水溫，℃。

（5）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)豎直U型地埋管內(nèi)壁與流體的邊界條件為：

式中 h —— 地埋管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

rin——地埋管半徑。

（6）系統(tǒng)停止時(shí)邊界條件為：

單位井深換熱量為：

式中 u ——流體進(jìn)口速度，m/s；

A ——地埋管內(nèi)徑截面積，m2；

C ——流體定壓比熱容，J/（kg·K）。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 蓄熱運(yùn)行模式對(duì)豎直地埋管傳熱特性影響

實(shí)際運(yùn)行中，利用輔助熱源通過(guò)地埋管換熱器向土壤中蓄熱，為此選取了不同運(yùn)行模式來(lái)研究土壤溫度的變化規(guī)律見(jiàn)表1。

表1 不同運(yùn)行模式下單工況設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3示出了蓄熱連續(xù)運(yùn)行模式下，土壤溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律。可以看出，土壤溫度隨蓄熱過(guò)程運(yùn)行時(shí)間的增加呈現(xiàn)出上升之后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。離地埋管越近，土壤溫度變化幅度越大；離地埋管越遠(yuǎn)，土壤溫度變化幅度越小。這主要是因?yàn)樵谛顭釙r(shí)間一定的情況下，熱量的傳遞由地埋管中心向外擴(kuò)散，離地埋管越近土壤溫度上升較快，離地埋管越遠(yuǎn)土壤溫度上升較慢。如運(yùn)行36 h時(shí)，徑向距離R為0.040，0.060，0.080，0.105 m時(shí)分別對(duì)應(yīng)的土壤溫度為36.59，34.88，4.16和32.94 ℃，與土壤初溫相比，土壤溫度變化幅度為 6.38，3.80，3.29，0.56 ℃。

圖3 蓄熱連續(xù)運(yùn)行模式下土壤溫度變化

圖4示出了開(kāi)停比1：1（運(yùn)行6 h，停止6 h）和開(kāi)停比1：2（運(yùn)行6 h，停止12 h）2種蓄熱模式下，土壤溫度隨蓄熱運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律?？梢钥闯?，間歇運(yùn)行模式下，土壤溫度隨運(yùn)行時(shí)間的增加呈現(xiàn)鋸齒狀；且土壤溫度隨徑向距離的增加變化幅度逐漸變小。徑向距離為0.04 m時(shí)，開(kāi)停比為1：1和1：2，蓄熱8 h土壤溫度波動(dòng)幅度為5.48，6.50 ℃；蓄熱23 h后，土壤溫度波動(dòng)幅度分別為4.05，7.31 ℃。同一時(shí)間內(nèi)，開(kāi)停比越小，其土壤溫度波動(dòng)幅度越大。

圖4 蓄熱間歇運(yùn)行模式下土壤溫度變化

4.2 蓄熱運(yùn)行模式下埋管進(jìn)口溫度對(duì)傳熱特性影響

在進(jìn)口流量一定的情況下，研究了蓄熱過(guò)程中地埋管的進(jìn)口溫度分別為40，50，60 ℃對(duì)雙U型地埋管換熱性能的影響，分析了土壤溫度場(chǎng)和單位井深換熱量的變化規(guī)律。

圖5示出了蓄熱過(guò)程中土壤溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律。

圖5 徑向距離R=0.04 m土壤溫度變化

從圖中可以看出，在相同徑向距離下，進(jìn)口溫度越高，土壤溫度變化幅度越大，進(jìn)口溫度越低，土壤溫度變化幅度越小。這是因?yàn)榈芈窆苓M(jìn)口溫度越高，與周圍土壤間的溫差越大，溫度梯度就越大，管中流體向周圍土壤傳遞的熱量越多，土壤溫度就越高。例如在徑向距離為0.04 m的情況下，運(yùn)行24 h時(shí)進(jìn)口溫度分別為40，50，60 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)土壤溫度分別為36.24，41.38，47.76 ℃，與土壤初溫相差為 4.75，11.29，17.36 ℃。

由圖6可以看出，在蓄熱運(yùn)行的前3 h，單位井深換熱量隨進(jìn)口溫度的增加出現(xiàn)了一個(gè)短暫的躍升，且單位井深換熱量波動(dòng)幅度隨著進(jìn)口溫度升高而增大。當(dāng)熱泵運(yùn)行3 h后，單位井深換熱量趨于穩(wěn)定。進(jìn)口溫度為50，60 ℃的單位井深換熱量要明顯比進(jìn)口溫度為40 ℃的單位井深換熱量要高25～36 W/m；這是因?yàn)闊岜脛傞_(kāi)始運(yùn)行時(shí)，由于地埋管附近土壤溫度較低，地埋管進(jìn)口溫度越高，溫度梯度越大，導(dǎo)致流體進(jìn)出口溫差越大，進(jìn)而單位井深換熱量就越高；而進(jìn)口溫度為50，60 ℃時(shí)，單位井深換熱量基本一致，是因?yàn)樵谶M(jìn)口流量一定的情況下，地埋管進(jìn)口溫度高，周圍土壤被加熱，導(dǎo)致與土壤的傳熱溫差較少，兩根管之間的熱回流現(xiàn)象越嚴(yán)重，也就是當(dāng)進(jìn)口溫度與熱回流共同影響單位井深換熱量時(shí)，熱回流起也起一部分作用。

圖6 蓄熱模式下單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

綜上所述，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)地埋管進(jìn)口溫度時(shí)，在滿足地埋管的材質(zhì)適當(dāng)?shù)男巫兎秶鷥?nèi)，應(yīng)綜合考慮進(jìn)口溫度與熱回流的影響。在本試驗(yàn)計(jì)算條件下，蓄熱運(yùn)行模式下地埋管進(jìn)口流體溫度宜選 50 ℃。

4.3 取熱運(yùn)行模式對(duì)豎直地埋管換熱性能的影響

試驗(yàn)研究熱泵取熱運(yùn)行模式對(duì)雙U型地埋管周圍土壤傳熱規(guī)律的影響。該試驗(yàn)條件為：取熱模式運(yùn)行48 h，流量為45 L/h，進(jìn)口溫度為4 ℃。

從圖7可以看出，在取熱連續(xù)運(yùn)行模式下，土壤溫度表現(xiàn)出下降趨于穩(wěn)定且隨徑向距離的增加溫度變化幅度減小。在進(jìn)口流量和進(jìn)口溫度一定的情況下，當(dāng)取熱過(guò)程運(yùn)行48 h時(shí)，徑向距離分別為0.040，0.060，0.080，0.105，0.130，0.155 m對(duì)應(yīng)的土壤溫度分別為13.20，18.86，19.62，20.60，21.14，21.51 ℃，與土壤初溫相差為 15.10，9.44，8.68，7.70，7.16，6.79 ℃。

圖7 取熱連續(xù)運(yùn)行模式下土壤溫度變化

圖8所示，土壤溫度表現(xiàn)出先下降后上升再下降再上升周期性變化規(guī)律。

圖8 取熱間歇運(yùn)行模式下土壤溫度變化

從圖可知，地埋管處于間歇取熱運(yùn)行模式下，離地埋管越近土壤溫度越大，離地埋管越遠(yuǎn)土壤溫度越??；間歇運(yùn)行模式下，之所以會(huì)出現(xiàn)土壤溫度升高的現(xiàn)象，是因?yàn)榈芈窆芨浇寥罍囟容^低，遠(yuǎn)處土壤溫度較高，在溫度梯度的作用下，熱量由遠(yuǎn)處土壤向地埋管附近傳遞導(dǎo)致土壤溫度升高。由圖8分析可知，在徑向距離為0.04 m時(shí)，運(yùn)行模式分別為開(kāi)停比1：1和開(kāi)停比1：2的情況下，在運(yùn)行8 h時(shí)對(duì)應(yīng)的土壤溫度分別為14.93，1 4.36 ℃，與土壤初溫相差10.89，10.62 ℃，可以看出同一時(shí)間內(nèi)開(kāi)停比越小，土壤溫度越接近土壤初始溫度。

4.4 取熱運(yùn)行模式下埋管進(jìn)口溫度對(duì)傳熱特性影響

針對(duì)搭建的試驗(yàn)臺(tái)研究地埋管進(jìn)口溫度分別為4.2，6.8 ℃時(shí)，探討流體進(jìn)口溫度對(duì)土壤溫度和單位井深換熱量的變化規(guī)律。

圖9示出了地埋管進(jìn)口溫度不同時(shí)對(duì)雙U型地埋管周圍土壤溫度場(chǎng)的影響。從圖中可以看出，整體都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榈芈窆苓M(jìn)口溫度越低，與周圍土壤間的溫差越大，溫度梯度就越大，周圍土壤向管中流體傳遞的熱量越多，土壤溫度就越低。

圖9 徑向距離R=0.040 m下土壤溫度變化

從圖10中可以看出，在運(yùn)行的前2 h內(nèi)，單位井深換熱量上升比較劇烈，而在2 h后下降最終趨于穩(wěn)定。進(jìn)口溫度為4.2 ℃的單位井深換熱量較進(jìn)口溫度為6.8 ℃的單位井深換熱量高，大約高出18～26 W/m。分析可知，地埋管中流體溫度越低，與周圍土壤溫差較大，根據(jù)公式可得出，在進(jìn)口流量一定的情況下，溫差越大，總換熱量就越大，即單位井深換熱量就越大；溫差越小，總換熱量就越小，即單位井深換熱量就越小。

圖10 取熱模式下單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

因此，在實(shí)際工程中，因地埋管數(shù)量不夠，無(wú)法滿足建筑熱負(fù)荷的情況下，在綜合考慮成本與熱負(fù)荷的情況下，應(yīng)適當(dāng)降低地埋管的進(jìn)口溫度。

5 數(shù)理模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所建數(shù)理模型的準(zhǔn)確性，以地埋管中流體周圍土壤溫度為研究對(duì)象，蓄熱過(guò)程地埋管進(jìn)口溫度為40 ℃。相關(guān)計(jì)算和試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算參數(shù)

圖11示出了熱泵連續(xù)運(yùn)行36 h的土壤溫度試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的比較。從圖中可知，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢(shì)一致。試驗(yàn)過(guò)程中土壤溫度受外界環(huán)境的影響較大，比如試驗(yàn)過(guò)程會(huì)受到室內(nèi)環(huán)境和恒溫水浴溫度微小波動(dòng)的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)值有些許波動(dòng)；而模擬值由于假設(shè)條件比較理想化，所以在模擬計(jì)算時(shí)模擬值的變化幅度較小。

圖11 土壤溫度的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

如圖12所示，通過(guò)試驗(yàn)值與模擬值的誤差分析可以看出，試驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差最大為6.66%。這說(shuō)明數(shù)理模型的合理性以及計(jì)算方法的可靠性，該模型能夠較準(zhǔn)確模擬地埋管換熱器蓄熱過(guò)程土壤溫度特性的變化。

圖12 土壤溫度的模擬值和試驗(yàn)值誤差分析

6 模擬結(jié)果與分析

在以上試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，利用所建立的數(shù)理模型，對(duì)比分析單/雙U豎直地埋管傳熱特性，并研究蓄熱模式下土壤分層和地埋管管徑等因素對(duì)土壤動(dòng)態(tài)傳熱特性的影響。該模擬條件為：運(yùn)行時(shí)間為60 d，蓄熱時(shí)地埋管進(jìn)口溫度為40 ℃，進(jìn)口流速為0.6 m/s。

6.1 土壤分層對(duì)豎直地埋管換熱性能的影響

在實(shí)際工程中，各個(gè)深度的土壤結(jié)構(gòu)都是不一樣的，且土壤分層現(xiàn)象隨地區(qū)不同而不同。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，找到了內(nèi)蒙古地區(qū)的土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布情況見(jiàn)表3［16-20］。針對(duì)不同深度處的土壤結(jié)構(gòu)，研究了土壤分層對(duì)單/雙U的換熱性能的影響，分析了土壤溫度及單位井深換熱量的變化規(guī)律。

表3 地下土壤結(jié)構(gòu)

圖13示出了在同一徑向距離下，不同深度土壤溫度分布規(guī)律。

圖13 R=0.1 m處土壤分層對(duì)土壤溫度的影響

從圖可以看出，在徑向距離為0.1 m時(shí)，上、中和下層土壤溫度隨蓄熱運(yùn)行時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先上升后穩(wěn)定的變化規(guī)律；且土壤溫度由大到小依次為：中層、下層和上層。由此可以看出，在運(yùn)行時(shí)間一定的情況下，土壤溫度隨土壤熱擴(kuò)散系數(shù)的增加而增大，熱擴(kuò)散系數(shù)越大，熱量傳遞的越快；熱擴(kuò)散系數(shù)越小，熱量傳遞的越慢。如運(yùn)行60 d時(shí)，上、中和下3層土壤對(duì)應(yīng)的溫度分別為37.71，38.12，37.83 ℃。

圖14給出了土壤分層時(shí)單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律。可以看出，雙U型地埋管的單位井深換熱量較單U型地埋管單位井深換熱量高，如運(yùn)行60 d時(shí)，單U和雙U型地埋管對(duì)應(yīng)的單位井深換熱量分別為12.64，15.14 W/m。以單U型地埋管單位井深換熱量為比較對(duì)象，雙U型地埋管單位井深換熱量約提高19.78%。所以在實(shí)際工程中，應(yīng)選擇雙U型地埋管較為適宜。

圖14 土壤分層時(shí)單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

6.2 地埋管管徑對(duì)豎直地埋管換熱性能的影響

在實(shí)際工程中，管徑不同對(duì)地埋管換熱性能的影響尤為重要。研究了3種不同地埋管管徑（U25mm，U32mm和U40mm）對(duì)單/雙U換熱性能的影響，分析了土壤溫度和單位井深換熱量的變化規(guī)律。

圖15示出了3種不同徑向距離處，地埋管管徑對(duì)土壤溫度的影響。可以看出，在同一地埋管類型下，土壤溫度均隨管徑的增加而增加，如在徑向距離為0.1 m，系統(tǒng)運(yùn)行60 d，單U管徑分別為25，32，40 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的土壤溫度為36.40，36.98，37.41 ℃；在同一管徑下，雙U地埋管的土壤溫度較單U型地埋管土壤溫度高。在運(yùn)行60 d時(shí)，管徑為25 mm的雙U型地埋管和單U型地埋管土壤溫度分別為37.34，36.40 ℃。分析可知，隨著地埋管管徑的增加，土壤與地埋管間的換熱面積增大，在運(yùn)行時(shí)間一定的情況下，換熱面積越大，單位時(shí)間傳遞的熱量就越多，進(jìn)而導(dǎo)致土壤溫度升高。

圖15 不同徑向距離處地埋管管徑對(duì)土壤溫度的影響

圖16示出了管徑不同時(shí)單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律。可以看出，在單/雙U型地埋管管徑不同的情況下，單位井深換熱量并不隨地埋管管徑的增加而增加，如地埋管為單U時(shí)，單位井深換熱量由大到小依次為：?jiǎn)蜺32mm、單U25mm和單U40mm。分析可知，在地埋管管腳間距一定的情況下，隨著地埋管管徑的增加，兩根地埋管間的熱回流現(xiàn)象也在不斷加劇，這就導(dǎo)致在進(jìn)口流量一定的情況下，單位井深換熱量減小。對(duì)于雙U型地埋管可以看出，單位井深換熱量隨地埋管管徑的增加而減小，如雙U型地埋管單位井深換熱量由大到小依次為雙U25mm、雙U32mm和雙U40mm。因?yàn)橄鄬?duì)于單U型地埋管而言，雙U型地埋管在鉆井區(qū)域狹小的空間內(nèi)放置兩個(gè)U型管，熱回流現(xiàn)象隨地埋管管徑的增加而增加，所以地埋管管徑越小，熱回流現(xiàn)象越不明顯，單位井深換熱量就越高。在同一地埋管類型下，雙U型地埋管的單位井深換熱量較單U型地埋管高。如熱泵運(yùn)行60 d，地埋管管徑分別為單U25mm、單U32mm、單U40mm、雙U25mm、雙U32mm和單U40mm時(shí)對(duì)應(yīng)的單位井深換熱量分別為14.92，15.40，12.64，17.18，16.16，14.81 W/m。其中，管徑為25 mm的雙U型地埋管單位井深換熱量比管徑為32 mm的單U型地埋管單位井深換熱量高11.56%。以單U25mm為比較對(duì)象，單U32mm、單U40mm、雙U25mm和雙U32mm分別增加了3.2%，-15%，15%，7.2%。

圖16 單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

綜上所述，在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮熱回流和管徑的相對(duì)大小，即單位井深換熱量取決于熱回流和地埋管管徑的相對(duì)大小。根據(jù)本文計(jì)算條件，為了最大程度提高單位井深換熱量，在選擇地埋管管徑時(shí)，單U型地埋管宜選32 mm，雙U型地埋管宜選25 mm。

7 結(jié)論

（1）單一蓄熱和取熱模式下，連續(xù)運(yùn)行時(shí)土壤溫度變化幅度均隨徑向距離的增加而減?。贿M(jìn)口溫度為50 ℃和60 ℃的單位井深換熱量要明顯比進(jìn)口溫度為40 ℃時(shí)高25～36 W/m；進(jìn)口溫度為4.2 ℃的單位井深換熱量較進(jìn)口溫度為6.8 ℃時(shí)高出18～26 W/m。間歇運(yùn)行模式下，土壤溫度隨運(yùn)行時(shí)間呈現(xiàn)鋸齒狀變化，蓄熱時(shí)土壤溫度波動(dòng)幅度隨開(kāi)停比的減小而增加，取熱時(shí)在同一時(shí)間內(nèi)開(kāi)停比越小，土壤溫度越接近土壤初始溫度。

（2）土壤分層對(duì)單/雙U型地埋管單位井深換熱量的影響均較大；相比單U型地埋管，雙U型地埋管單位井深換熱量提高約19.78%。

（3）土壤溫度均隨地埋管管徑的增加而增加；為了最大程度提高單位井深換熱量，在選擇地埋管管徑時(shí)，單U型地埋管中以管徑為32 mm為最佳，雙U型地埋管中以管徑為25 mm為最佳。其中管徑為25 mm的雙U型地埋管單位井深換熱量較管徑為32 mm的單U型地埋管單位井深換熱量高11.56%。