摘 要：根据循环方式的不同，地埋管地源热泵系统又分为开式系统、闭式系统和单循环系统。本文综述了以土壤为低位热源的地埋管地源热泵系统中U型埋管换热性能的影响因素。 

关键词：地源热泵；U型地埋管换热器；换热性能；影响因素 

　　如何加强地源热泵系统换热器的换热性能已成为地源热泵系统大面积推广的瓶颈。本文主要对前人关于垂直U型地埋管闭式地源热泵系统的埋管换热器的换热性能的研究进行整理和总结。 

　　一、系统运行模式对U型管换热性能的影响 

　　地源热泵系统在适应不同场合的供冷、采暖需求时有全天连续运行、昼开夜停间歇运行、全天不连续运行等模式，不同的运行模式下其埋管的换热效率是不尽相同的。Stevens以有限差分模型为基础分析了不同运行条件下地埋管内流体和周围土壤的换热性能，结果发现，间歇运行时流体和周围土壤的换热性能高于连续运行时。于红海在建立了钻孔内二维、准三维传热模型的同时，又引入了脉冲热流对连续运行和间歇运行时的温度响应，建立了埋管换热器的较为完善的模型，对60m深U型埋管换热器地源热泵进行了夏季运行的实验测试。结果表明，在最佳流速0.42m/s时，由于连续运行时管内介质与周围土壤交换的热量来不及向周围扩散而影响了进一步的传热而使得全天连续运行时单位孔深换热量与系统制冷系数随运行时间的延长而减少，且昼开夜停运行模式易于保证地温的恢复，使对提高单位孔深换热量更加有利。 

　　二、热短路现象对埋管换热性能的影响 

　　由于埋管空间的限制和进出水间存在温差，相距较近的管群之间直接或通过土壤间接发生热量传递，造成埋管换热器制冷工况下出水温度升高，或制热工况下出水温度降低，进而使得系统的制冷量或制热量减少，效率下降。 

　　潘彦凯通过在GAMBIT中建立地埋管换热器模型并对模型中的线、面进行结构化和非结构化的网格划分，以细长圆柱体为模型对不同井深垂直埋管的换热性能进行检测并与模型进行比对后发现，井深越深，流速越小，U型埋管支管间的热短路现象越严重，而与进口水温和管径大小无关；且双U型管的热短路现象比单U型管更为严重。同时，在出水管处铺设聚氨酯泡沫塑料等保温材料对减弱热短路的影响也是有利的。 

　　三、埋管深度对埋管换热性能的影响 

　　由于地下深层土壤温度受地面环境影响较小，当深度增加到一定程度时，土壤温度便不再增加，而此时埋管与土壤间的温差也逐渐减小，进而使得埋管和土壤的换热性能下降。 

　　吴玉庭以经典的圆柱源理论为基础，采用GAMBIT软件建立了地源热泵垂直U型管地埋管的三维全尺寸数值模型，对U型管在冬夏不同工况下运行时的传热性能进行了研究。结果表明，在冬季工况2℃进口水温的工况下，低流速时，随着埋管深度的增加，管内水和周围土壤进行更加充分的换热，单位井深换热量也随之增加；但随着水温的上升，水和土壤的温差逐渐减小，致使单位井深换热量也减小。因此，埋管深度对单位井深换热量的影响随着流速的降低而逐渐加大。 

　　四、进口水温对埋管换热性能的影响 

　　制冷工况下，水与土壤的传热温差随进口水温的升高而增大，进而导致换热量的增大，但出口水温随之增加，机组制冷效率下降。 

　　陈旭等基于地下埋管换热器的热渗耦合传热模型，对地源热泵在制冷工况下的运行特性进行了数值模拟，通过对模拟计算结果进行单因素敏感性分析及回归分析，并用SPSS软件进行统计分析，得到了单U型地埋管换热器夏季工况单位井深换热量与岩土热物性、地下水渗流速度、埋管深度、管内流体流量、进口温度、运行模式等的关系。结果表示，各参数中，对单位井深换热量影响最大的是进口水温，其次是地下水流速、岩土导热系数、埋管深度、日运行时间、管内流量。就地埋管的进水温度而言，在每天运行8小时，总共运行10天的试验中，进口水温每升高1℃，单位井深换热量便增加2.358W/m。而在冬季采暖工况下，降低进口水温，将有助于增加水与土壤的有效传热温差，使水获得更大的吸热量，进而增加单位管长换热量。如何合理地控制进水温度对于提高地埋管热泵系统的效率至关重要。 

　　五、土壤导热系数对埋管换热性能的影响 

　　目前，土壤导热系数主要由现场热响应实验测试法【12】来测试。於仲义【13】通过测定致密黏土、致密砂土、砂岩这三种土壤结构在相同条件下与地埋管换热器换热的能效系数得出结论，土壤的导热能力高时有助于强化地埋管内流体与周围土壤间的热量传递。 

　　高青等人利用有限元热分析平台，建立了二维瞬态有限元模型，对地下非稳态传热过程进行分析，对比了采用现场热响应实验测试法测试土壤导热系数时的各影响因子。实验表明，当试验时间足够长时，土壤的传热系数将不再波动而趋于稳定；当土壤初温增加时，其导热系数几乎呈直线上升；作为对测试结果影响较大的因素，管间距每增加0.002m，土壤导热系数便降低0.115W/（m*℃）。 

　　目前国内外关于地源热泵埋管换热器的研究通常都是基于圆柱源模型的理论，并未综合考虑各因素的影响，存在一定的局限性，且大多的研究都是以单井为单位，未考虑井群间各井换热对整个系统换热的干扰和影响。同时，冬夏季工况下运行时热量的不平衡、初投入过大、地理位置等的限制、研究与实际应用脱节等现实问题使得我国的地源热泵技术尚未大面积地推广和应用。在能源日益短缺的今天，加强地源热泵系统的研究是建设节约型社会的必要途径。 

　　参考文献： 

　　[1]王景刚，马一太，张子平，等.地源热泵的运行特性模拟研究[J].工程热物理学报，2003， 

　　[2]于红海.地源热泵垂直U型埋管换热器不同运行模式的性能模拟及实验研究[D].上海：东华大学硕士论文，2008.