摘要：以华北平原地区地质情况为基础，利用TRNSYS建立了同轴套管的仿真模型。模拟了井间距、数量等参数对土壤平均温度变化的影响。结果表明，土壤平均温度受到钻井间距、数量、深度等各种参数综合影响。就本文模拟结果而言，如果考虑实际运行成本，则最佳井间距为4-6m，最佳深度为80-120m，钻井数量也要根据实际情况选择。冷负荷对土壤平均温度变化有着明显的影响。因此，实际应用中，在满足时需求的情况下应尽可能减小冷负荷。土壤平均温度变化随着运行时间增加而增加，在实际工程中尽量选择间歇式运行，从而减小地温增加速率。
关键词：同轴套管；井间距；钻井深度；土壤平均温度；数值模拟
引言
地源热泵是通过向陆地浅层能源输入少量的高品位能源实现由低品位热能向高品位热能的转移[1]。相对于普通系统来说，地源热泵在能源利用、经济效益、稳定性、使用寿命等方面具有不可替代的优势[2]。除此之外，河北省具有相对丰富的地热资源，且其地热资源也较早得到开发。在地源热泵技术应用方面，国内外早已对其进行了深入的研究。20世纪90年代中期几乎同时被瑞典人 Gehlin[3]和美国人Austin[4]分别研制并投入实际工程中。梁新宇[5]在水平光滑管经验并联式的基础上，考虑了波纹和螺旋结构对同轴套管式换热器换热性能的影响。王硕[7]等人针对青岛市某一同轴套管换热器进行实验和模拟研究，得到了换热能力与使用时间和进出水温度之间的关系。
在实际使用过程中，由于受到各种因素的影响，地埋管换热器周围土壤温度会出现失衡状况。因此，本文针对此问题，模拟同轴套管换热器夏季运行工况时各种参数对土壤平均温度变化的影响，旨在为实际工程提供一定的参考。
1仿真模型建立
华北平原地区地层大多属于第四系，土壤类型以粉质黏土、粉土和粉质沙土为主，土壤平均热导率为1.8W/（m•K），平均比热容为2.8MJ/（m3•K），初始地温为16℃。模型设置四口换热井，深度为100m，埋管间距为5m，回填材料为原土回填，其中同轴套管换热器采用高密度聚乙烯材质（HDPE），外管外径为110mm，内管外径为50mm。为简便计算，模拟过程中保持冷负荷为18KW不变。
本文仿真模型基于TRNSYS软件建立，其最早由Wisconsin Madison大学Solar Energy实验室（SEL）开发研制，后又经过欧洲一些研究机构（CSTB、TRANSSOLAR等）和美国热能研究中心（TESS）的共同完善，经过众多学者[7]通过实验与模拟结果对比，其在地源热泵领域模拟准确度较高。图1给出了同轴套管式换热器换热性能的TRNSYS仿真模型。其中同轴套管式换热器采用模块Type557d，循环水泵采用模块Type114，仿真数据输出采用Type65c，冷负荷输入用加热器模块Type6替代。
图1 同轴套管式换热器仿真模型
2模拟结果与分析
2.1钻井间距和深度对土壤平均温度影响
图2、3分别给出了同轴套管换热器不同钻井间距和钻井深度对土壤平均温度的影响。可以看出，相同运行时间下，钻井间距越大、深度越深，土壤平均温度变化越小。例如，当其他参数不变时，运行时间为5088h时，井间距4m和7m的土壤平均温度分别为19.0°C、17.1°C，相对于初始地温分别增加了18.8%、6.7%。由此可见，不同井间距对土壤平均温度有着明显的影响。于此同时，当井间距和其他参数不变时，井深也同样对土壤平均温度产生一定的影响。其中井深分别为60m、140m的钻井在5088h时土壤平均温度分别为19.3℃、17.5℃，分别增加了20.31%、即9.1%。值得注意的是，随着井间距和钻井深度的增加，需要的土壤面积以及钻井成本会相应增多，且随着井间距和井深的增加，地温平均温度变化的情况逐渐趋向于平稳。综合以上因素，在钻井时应采用4-6m的井间距和80-120m的井深。
图2 钻井间距对土壤平均温度影响 图3 钻井深度对土壤平均温度影响
2.2钻井数量和冷负荷对土壤平均温度影响
图4、5分别给出了钻井数量和室内冷负荷对同轴套管换热器的影响。可以看出，钻井数量和冷负荷对土壤温度有着较为明显的影响。具体而言，钻井数量越多，冷负荷越低，土壤平均温度变化越小。例如，在其他参数不变的情况下，钻井数量为3、6时运行时间5088h后分别为18.7℃、17.4℃，相比于初始地温分别增加了16.8%、8.6%。与此同时，钻井数量和其他参数不变时，冷负荷分别为13KW、28KW时其土壤平均温度分别为17.5℃、19.1℃，分别增加了9.3%和19.3%。
需要提出的是，随着钻井数量增加，其安装成本随之增加，且土壤平均温度变化趋势逐渐减少。因此，钻井数量并不是越多越好，在具体施工过程中，应结合实际情况，综合土壤平均温度变化和所需面积，确定合适的钻井数量。除此之外，冷负荷的大小直接影响人体舒适度要求，应在保证舒适度要求的情况下尽可能降低冷负荷。
图4 钻井数量对土壤平均温度影响 图5 冷负荷对土壤平均温度影响
3总结
本文结合华北平原地区夏季实际地质情况，利用TRNSYS模拟软件，建立了同轴套管换热器的仿真模型，得到的结论如下：
1）在连续运行30天的条件下，井间距、数量、深度等都会对土壤平均温度产生不同程度的影响。如果考虑实际运行成本，则最佳井间距为4-6m，最佳埋管深度为80-120，埋管数量和冷负荷数值也要综合实际因素选取。
2）土壤平均温度升高与运行时间有着明显的线性关系。因此，在实际工程应用中，应增强对运行调节手段的控制，以降低土壤平均温度升高速率。
参考文献：
[1]袁玲玲. 浅谈地源热泵技术及其应用[J]. 资源节约与环保，2016（9）：113-113.
[2]地源热泵系统的节能性经济性分析[D]. 清华大学，2016.
[3]GEHLIN S. A mobile equipment for thermal response test：testing and evaluation[D]. Lulea （Sweden）：Lulea University of Technology，1996.
[4]AUSTIN WA. Development of an in situ system for measuring ground thermal properties[D].Stillwater：Oklahoma State University，1995.
[5]梁新宇. 同轴套管式换热器动态换热模型及其敏感性分析研究[D].湖南大学，2018
[6]王硕，黄可钦，王胜蓝，官燕玲.同轴套管式深埋管换热器换热性能研究[J].制冷与空调，2019，19（04）：23-28+34.
[7]胥晓旸. 地源热泵的TRNSYS模拟与实验研究[D]. 天津大学，2008.
作者简介：
杨友照（1993-），男，河南平顶山人，硕士研究生，研究方向：可再生能源利用及建筑节能技术.
论文作者:杨友照,白云鹏,冉明士
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
标签：土壤论文; 间距论文; 平均温度论文; 换热器论文; 负荷论文; 数量论文; 轴套论文; 《基层建设》2019年第25期论文;