西安建工集团有限公司西安市城市建设开发总公司 陕西西安 710065
摘要：土壤源热泵技术使用日益广泛，然而地埋管换热器循环流速的确定尚无定论。现有文献只提供一定的选择范围，若选择不当，将对系统的设计与运行有较大影响。针对工程中常用的竖直埋管换热器，在总结现有循环流速范围的基础上，提出一种基于系统经济性的循环流速的确定方法。可实现具体工程循环流速的唯一确定并使系统生命周期内综合经济性达到最佳，为工程实际提出借鉴。
关键词：土壤源热泵；地埋管换热器；循环流速；经济性
A New Methodto Determinethe Economic Circulation Velocityof Buried Pipein Ground-source Heat Pump System
LI Liaoliao
(Xi'an City Construction & Development Corporation, Xi'an Construction Engineering Group, Xi'an 710065, China)
Abstract：Nowadays,the ground-source heat pump technique has been widely used in the field of heating ventilation and air conditioning (HV&AC). But the determination of the circulation velocity of ground heat exchanger remains an open question. The existing literatures only provide an available range of the circulation velocity, which, however, if not properly determined, will greatly affect the design and operation of the system. This paper presents a new method to determine the circulation velocity of the vertical pipe heat exchanger that is commonly used in engineering, on the basis of summarizing the existing ranges of circulation velocity. The new method, based on the system economy, is capable of acquiring the unique circulation velocity of a specific project, and can achieve the best comprehensive economy during the life cycle of the system. The present investigation provides a reference for the engineering practice.
Keywords：ground-source heat pump; ground heat exchanger; circulation velocity; economy
1 引言
土壤源热泵空调系统因其突出的节能性、环保性及经济性优势，得到了广泛应用。然而，精确可靠的系统设计计算方法是其发展与应用的主要瓶颈之一。地埋管换热器是土壤源热泵系统设计的核心，其循环流速的确定设计的关键因素之一[1-2]。调查研究表明，如果设计人员相关参数选择不当，即使对一些有实力的勘察设计单位，最后在地埋管换热器上可能存在有20％～40％的差异[3]。地埋管换热器对系统的初投资及运行状态都将产生重要影响，也必然影响系统综合经济效益。
本文对现有循环流速的选择确定方法进行总结，并提出一种切合实际的循环流速选择确定方法。此方法在现有循环流速范围的基础上，对不同流速对应系统进行技术经济分析与比较，以追求最小的系统全周期费用折现值为目标，进而确定经济循环流速，旨在为实际工程设计提出借鉴。
2.土壤源热泵系统简介
土壤源热泵是一种以土壤作为热源或冷源的地源热泵，由一组水平或竖直埋于地下的高强度塑料管(地埋管换热器)、热泵机组以及室内末端系统构成，原理如图1所示。室内末端系统与传统空调系统相同，本文的分析中不予考虑。系统运行时，夏季循环水通过地埋管换热器将室内热量释放到地下岩土层，同时蓄存热量以备冬用，冬季将岩土层的热量提取供暖，同时蓄冷，岩土层相当于一个蓄热体。
对地埋管换热器，埋管与土壤任何时刻的换热，根据能量守恒原理可得到下式：
地埋管换热器循环流速设计值应该综合考虑其对埋管换热及系统运行的影响综合确定，否则将对整个系统的经济性产生影响。设计时地埋管中循环流速选择较大时，一方面，流体与埋管壁对流换热系数增加，换热速率增加，单位孔深换热量增加，埋管长度减少，初投资有所减少。另一方面，较大的循环流速，流体与孔壁间的传热速率增大，在钻孔周围土壤导热系数相同的情况下，将会导致井壁温度越高，不利于换热，地埋管出水温度升高，机组运行性能系数下降，机组运行能耗增加。同时，循环水流速增大，管道阻力增加，影响循环水泵的选择，也必将引起循环水泵运行能耗的增加。可见，埋管换热器循环水流速设计值对整个系统的初投资及运行费用都由重要影响。
基于上述分析可知，针对具体工程，必然存在某一经济循环流速值，使得系统的综合经济效益最佳。相关规范、手册等技术资料以及业内人员的研究成果对埋管换热器经济循环水流速都有一定的规定与表述，然而其值不尽相同。《地源热泵系统工程技术规范指出》（GB50366-2009）指出，地埋管换热器中传热介质的流速应保持紊流（Re≥2300），通常按下列值选取：单U型地埋管时流速不小于0.6m/s；双U型地埋管时流速不小于0.4m/s[4]。文献[5]指出，埋管换热器管内流速大小按以下原则选取：对于管径小于50mm的埋管，管内流速应在0.46～1.2m/s的范围内选取；对于管径大于50mm的埋管，管内流速应小于1.8m/s，同时应保证所有埋管的压降小于400Pa/m。文献[6]指出，U型地埋管的内径为20～40mm时，其管内流速一般于0.6～1m/s内选取；埋管内径40～100mm时，管内设计流速可于1～1.5m/s内选取；当内径为100～200mm时，管内设计流速于1.5～3m/s内选取。文献[7]通过实验研究了循环水流速对地埋管换热器的换热性能的影响，分析比较了不同流速下地埋管换热器的进出水温差及单位井深换热量，最终推荐使用的经济循环流速范围为0.15～0.36m/s。文献[8]根据现有工程设计经验指出，对于常用的埋管管径，管内流速应控制在0.6～1.22m/s；对于更大管径的埋管，管内流速宜控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在400pa/m以下。文献[9]通过具体事例给出地埋管的设计计算过程。并且建议，竖直埋管中循环水流速不应低于0.6m/s，以防止管中结垢。管道的比摩阻应控制在400Pa/m以下。同时为防止水锤发生对不同管径管道最高流速也提出相应限制。文献[10]通过实验分析得出，地埋管换热器内介质的循环流速的选择需考虑到增加流速需要加大的循环水泵的扬程以及运行费用的增加等成本因素，建议换热器内设计流速取0.4～0.6m/s。文献[11]通过实验验证了地埋管流速设定在0.6～0.9m/s这一范围内的合理性。
上述文献虽给出一定的循环流速选择范围，但范围可达0.15-3m/s，设计人员在循环流速选择时往往过于保守，增加了系统综合经济性的风险。因此，提出一种能使系统设计最经济且循环水流速唯一确定的方法更加具有普遍意义和实际应用价值，而不是给出一定的流速选择范围。
4经济循环流速的确定方法
4.1 流程及步骤
系统设计时，地埋管换热器设计循环流速将会从换热器钻孔长度以及循环水泵的选择两个方面影响系统初投资。系统运行时，循环流速将会从热泵机组运行能耗及水泵能耗两个方面影响系统运行费用。地埋管循环流速的优化选择的方法必须从初投资与运行费用的比较出发，采用技术经济分析评价的方法综合确定，具体流程如图2所示。
图2 经济循环流速的优化选择流程
采用该方法确定经济循环流速，针对工程中常用的竖直埋管换热器，以规范中介绍的半经验算法为基础进行讨论，基于软件平台实现。其核心思想是对现有范围内的不同循环水流速，以稳态方法进行系统的设计并计算流速相关初投资，以非稳态耦合模拟方法进行运行参数模拟计算、校核循环水温、计算流速相关年运行费用。最后比较不同循环水流速对应系统生命周期内的流速相关折现值，其值最小者对应流速为经济循环流速，对应的系统为经济系统方案。其中流速相关初投资、流速相关年运行费用及流速相关折现值指其各项费用在系统设计或运行时受循环水流速选择不同而影响的部分。
4.2 系统设计及初投资分析
4.2.1 流速值确定及系统设计
对于具体工程，系统设计前需先按现行循环水流速范围确定不同的流速值。根据所选地埋管的埋管形式与管径，参考现有文献确定循环流速的最大选择范围，并在此范围内均匀确定一组循环流速值A/B/C……。例如，对于竖直单“U”型埋管换热器，对于常用的埋管管径，埋管直径小于Φ50mm时，可参考于流速0.2m/s～1.6m/s均匀取计算流速值8个，确定管径并校核流速，进而对校核后的流速进行相关分析与讨论。
按照规范中介绍的方法，对每个循环流速值进行埋管换热器的设计计算，选择地埋管的管径并校核流速，最终完成系统配置。
4.2.2 流速相关初投资
分析系统初投资的构成，对于不同循环流速对应的系统而言，流速不同时初投资的差异主要体现如下两方面：第一，是不同流速下由于钻孔长度不同而引起的钻孔费用、管材费用、回填材料费用及人工费用；第二，是循环流速会引起埋管换热器循环阻力不同，所需循环水泵扬程不同，这将会引起水泵型号的变化。而系统初投资中其他费用受循环流速的选择确定的影响较小。因此，埋管换热器经济循环流速的选择确定时，系统的流速相关初投资仅计算由钻孔长度而引起的相关费用和循环水泵费用。
4.3年运行费用分析及计算
埋管换热器循环流速不同时，系统年运行费用中受影响的部分主要是机组运行费用与水泵运行费用，而其它维护维修费用、操作人员人工费用以及设备折旧费等差异不大。所以系统的流速相关年运行费用主要包括热泵机组运行电费与水泵年运行电费。
循环水定流量运行，循环水泵运行能耗按照其额定功率估算。
热泵机组的性能与地埋管换热器出水温度有关。在系统运行过程中，由于逐时动态负荷，埋管换热器释热量或取热量逐时不同，同时冷热量的积累会引起的土壤温度变化，这些因素必然造成循环水出水温度的动态特征。因此，不同循环流速对应的埋管换热器，在系统运行过程中，其与全年动态负荷、热泵机组三者之前形成了动态耦合关系，热泵机组全年能耗的计算必须建立这种系统的耦合计算模型[12]，如图3所示。
计算并比较流速组中的不同循环流速A/B/C……对应系统的流速相关折现值，由此可直观地选择确定系统的经济循环流速，埋管换热器方案随之确定，此时系统经济性最佳。
5结束语
在地埋管循环流速对系统经济性分析的基础上，介绍了一种基于经济性循环流速的优化选择方法。采用此方法进行系统循环流速的优化选择，所确定循环流速对应系统寿命周期内的折现值，其值最小，对应的循环流速及方案经济性最佳。对于具体工程，不仅可以得到唯一确定的流速设计值，而且保证了系统的经济性与可靠性，实现了系统的优化设计，为业主提供了更加适合的系统方案。
参考文献：
[1]胡连营.地源热泵技术讲座(一)地源热泵技术及其发展概况[J].可再生能源,2008,02,Vol.26 No.1.
[2]王景刚.自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究[D].天津:天津大学,2003.
[3]汪训昌.以科学发展观规范地源热泵系统建设[J].制冷与空调,2009,9（3）.
[4]中华人民共和国建设部.GB50366-2009地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[5]蒋能照,刘道平.水源•地源•水环热泵空调技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2007.03.
[6]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京: 机械工业出版社,2006.10.
[7]程小菲,夏智先,张娟娟等.换热介质的流速对地埋管换热器换热性能的影响[J].建筑节能,2011.05,25（04）.
[8]李云.U形管地埋换热器冬季传热性能的数值模拟与分析[D].天津:天津大学.2007.
[9]张燕立,张新发,由世俊.土壤源热泵空调工程的设计与施工[J].制冷与空调,2006.04,6(2).
[10]付文彪,蒋绿林,纪洪林等.地源热泵设计中两个重要参数的实验研究[J].暖通空调HV&AC, 2009,39(2).
[11]黄倞,刘秋新,席洋等.竖直U形地埋管流速与换热强度实验研究[J].暖通空调HV&AC, 2014,44(5).
[12]李辽辽.土壤源热泵系统设计中两个关键参数的优化选择分析[D].西安:西安工程大学.2015,04:17-37.
作者简介：李辽辽（1990—），男，硕士研究生，研究方向：暖通空调系统节能研究与应用。
论文作者:李辽辽
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/3/22
标签：流速论文; 换热器论文; 系统论文; 经济论文; 费用论文; 源热泵论文; 土壤论文; 《基层建设》2017年第36期论文;