地埋管地源熱泵系統(tǒng)源側(cè)火用分析

1、第 42 卷 第 7 期2009 年 7 月天 津 大 學 學 報journal of tianjin universityvol.42 no.7 jul. 2009地埋管地源熱泵系統(tǒng)源側(cè)火用分析陳雁，戴傳山，趙軍(天津大學機械工程學院，天津 300072)摘 要：建立了地埋管地源熱泵系統(tǒng)的源側(cè)熱力學火用分析模型，模型中考慮了持續(xù)熱擾動和環(huán)境溫度變化對產(chǎn)出火用的 影響，并對不同氣候區(qū)域和不同埋深地埋管換熱系統(tǒng)進行了火用分析結(jié)果表明，長期運行時，環(huán)境溫度的變化對火用增量 有顯著影響，合理控制熱泵的運行時間可以使系統(tǒng)獲得較高的火用增量；埋深的減小使泵耗功明顯增加，甚至會高于系統(tǒng) 從熱源得到的火用增

2、量，而埋深超過 100 m 時，深度的增加對提高火用增量來說并不經(jīng)濟提出了地埋管換熱器火用效比這一 參數(shù)，對評價地埋管換熱器獲取火用增量的效率、經(jīng)濟性，以及確定地埋管地源熱泵系統(tǒng)合理的運行時間有理論指導 意義關鍵詞：火用增量；火用效比；地埋管地源熱泵中圖分類號：tk521文獻標志碼：a文章編號：0493-2137(2009)07-0567-07exergy analysis on u-shaped heat exchanger in a ground coupled heat pump systemchen yan，dai chuan-shan，zhao jun(school of mecha

3、nical engineering，tianjin university，tianjin 300072，china)abstract：an exergy model for analyzing ground coupled heat pump system was set up，in which the effects of continuous cooling/heating and the ambient temperature fluctuation were taken into account. exergy analyses were carried out for the u-

4、shaped ground coupled heat exchanger with different borehole depths and in different climate regions. the results indicate that the ambient temperature variation has a great influence on the annual net gain of exergy，and that a higher exergy output can be expected by controlling heat pump running ti

5、me properly. a reduced depth leads to more electricity consumption be- cause of circulation pumping power increment，even larger than the exergy output in the upgrading process. however，deep ground coupled heat exchanger，for example，larger than 100 m is neither economical for the net gain of exergy.

6、the concept of exergy ratio was proposed as an evaluation criterion for the exergy output when a u-shaped heat exchanger is considered， which is also useful to determine the proper operation time for the ground coupled heat pump system.keywords：net gain of exergy；exergy ratio；ground coupled heat pum

7、p隨著人們對環(huán)境問題的關注，可再生能源利用技 術獲得了快速發(fā)展，在這方面，地埋管地源熱泵具有 很好的代表性1地埋管地源熱泵系統(tǒng)以淺層土壤為 熱源，其熱力性能主要受到當?shù)厮牡刭|(zhì)條件的制 約，進而影響到整個系統(tǒng)經(jīng)濟性因此，以往的許多研 究主要以強化埋管側(cè)的傳熱為目的 ，圍繞埋管形 式2、埋管材料3、土壤的熱物性4、回填材料和循環(huán) 工質(zhì)的選取5等多方面進行了大量的實驗和理論工作，發(fā)展了多個地埋管換熱模型6，以求獲得較準確 地描述地埋管傳熱特征的理論計算公式，為地埋管熱 泵系統(tǒng)設計提供依據(jù)，比如 lund 大學等提出的熱響 應測試7，以及方肇洪8等獲得的一些解析解而有 關地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱力學分

8、析的研究報道 較少hepbasli 等9對地源熱泵系統(tǒng)進行了較早的火用分 析研究，提出了不同形式的地源熱泵系統(tǒng)火用分析的計收稿日期：2008-04-25；修回日期：2009-01-09.基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（863 計劃）資助項目(2007aa05z462)；“十一五”國家科技支撐計劃重大資助項目(2006bajo3a06).作者簡介：陳 雁（1977），女，博士，chyan0371.通訊作者：戴傳山，csdai.568天津大學學報第 42 卷 第 7 期算式，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)比較了不同形式的地源熱泵系 統(tǒng)的火用效率；ozgener 等10對太陽能輔助地源熱泵系 統(tǒng)進行了火用分析的參

9、數(shù)化研究在以上研究中，未考 慮地埋管地源熱泵在以季節(jié)為周期的長期運行條件 下，環(huán)境大氣和熱源溫度的變化對系統(tǒng)的火用增量(系 統(tǒng)獲得的凈火用)的影響，這是不合理的首先，地埋管 換熱器(ground coupled heat ex- changer)無論是用于夏季空調(diào)還是冬季供暖，循環(huán)工 質(zhì)在地埋管中的流動換熱，都是獲得火用的熱力過程， 而且，在這一過程中獲得的 是隨著環(huán)境空氣溫度的 變化而變化的目前國際上對地熱資源的火用分析評價 標準中，多以大氣年平均溫度作為基準溫度，但在涉 及地源熱泵等低焓地熱的利用時，也不盡然以年平 均溫度為參考點的作法多見于高溫地熱資源發(fā)電的 情況，由于用于發(fā)電熱源的溫度

10、遠高于環(huán)境溫度，且 不隨季節(jié)變化，環(huán)境溫度的波動對發(fā)電效率的影響很 小，對地熱流體熱量火用的計算影響也不大但對于地 源熱泵等淺層低焓地熱系統(tǒng)的評價來說，選取年平均 溫度為參考溫度則存在以下問題(1)利用地源熱泵實現(xiàn)供熱或空調(diào)的目標溫度 (室溫)通常在 1826 ，這一溫度范圍已處于季節(jié) 性環(huán)境溫度波動的范圍之內(nèi)，如仍以年平均溫度為參 考點，則地源熱泵只能啟用一種模式，即全年供暖或 全年制冷，顯然這種取法是不科學的最近，國外也 有學者提出了根據(jù)單季節(jié)工況來選擇火用分析參考溫 度的方法11(2)創(chuàng)造人居舒適環(huán)境的熱泵系統(tǒng)時刻以大氣環(huán) 境溫度變化為運行的前提條件以獲得最大火用增量為 目標來優(yōu)化地源熱

11、泵運行控制時，環(huán)境溫度的變化應 予以重視，這也是針對季節(jié)及不同氣候區(qū)域?qū)Φ芈窆?系統(tǒng)的適宜性進行評價的重要依據(jù)(3)淺層地埋管換熱器的傳熱計算中，大氣環(huán)境 是邊界條件之一，其溫度波動的影響不容忽略其次，循環(huán)工質(zhì)無論是直接輸入熱用戶，還是間 接地以熱泵形式提供熱量(冬季)或是冷量(夏季)，都 需要以電消耗的外界輸入功為代價，如何實現(xiàn)以少的 輸入功獲得較多的火用，也是指導地埋管優(yōu)化設計的理 論基礎最后，在實際運行中，地埋管排熱(夏季)或吸熱 (冬季)對周圍土壤造成的持續(xù)熱擾動，會使埋管附近 的土壤溫度升高或降低，進而影響到地埋管中循環(huán)工 質(zhì)的溫度 ，而 火用值的大小與回水溫度是直接相關 的因此，在

12、同一個空調(diào)或供暖季內(nèi)，持續(xù)熱擾動造 成的熱源溫度的波動，也會使系統(tǒng)的火用增量具有隨時間動態(tài)變化的特點如何應用熱力學原理，確定較為 合理的埋管深度及熱泵系統(tǒng)的運行時間，使其在為時 年的吸/排熱周期內(nèi)保持較高的總火用增量，也是本 文關注的問題1 系統(tǒng)描述一般情況下，埋于地下的地埋管換熱器在土壤內(nèi) 有 2 個邊界條件，受環(huán)境溫度影響的上層和地表熱流 控制的地溫梯度層，如圖 1 所示筆者以垂直雙 u 型 地埋管換熱器為例，地埋管換熱器系統(tǒng)是由換熱管循 環(huán)工質(zhì)(水)、地下巖土和循環(huán)水泵組成由于各種水 源熱泵負荷側(cè)的組成基本相同，區(qū)別主要在于土壤熱 源側(cè)，因此將埋管側(cè)的參數(shù)或邊界條件變化(如環(huán)境 空氣溫度

13、、土壤溫度和埋管深度)對火用增量的影響作 為重點來研究為便于理論分析，做如下點假設(1)室內(nèi)負荷恒定，即夏/冬季的冷/熱負荷大小和 供、回水溫度分別保持恒定(2)環(huán)境溫度遵循余弦函數(shù)變化t0 (i, j) = t0 m + a0 cos(w1 (i - t1 ) -b cos(w2 ( j - t 2 )式中：t0m 為年平均溫度；i 為對應的日期，以天為單 位；j 為對應的時刻，以小時為單位計算時，年平均 氣溫起算日t1 為 1 月 20 日，日平均氣溫起算時刻t2為清晨 6 點(3)地埋管內(nèi)流動為湍流 (4)熱泵蒸發(fā)器(冬季)設計進出水溫差為 3 ，冷凝器(夏季)設計進出水溫差為 4 (5

14、)埋管內(nèi)循環(huán)水流量恒定2 火用分析模型的建立2.1 系統(tǒng)的火用增量根據(jù)圖 1 所示的系統(tǒng)，在循環(huán)水經(jīng)水泵吸入口、2009 年 7 月陳 雁等：地埋管地源熱泵系統(tǒng)源側(cè)火用分析569水泵和地下埋管換熱器，到埋管出口這一過程中，系 統(tǒng)獲得的火用增量exsys 由 2 部分組成：工質(zhì)焓火用的增 量exh 和水泵輸入功壓力火用增量exwp即似按穩(wěn)態(tài)處理；而鉆孔壁至地層遠處的傳熱應按非穩(wěn) 態(tài)考慮8u 型管出口處的水溫 tout 通過求解其對應的無量8dexsys = dexh + dexwp( 1)綱過余溫度 qf 得到exh 是工質(zhì)水通過埋管與周圍巖土之間換熱得tout = f (qf , tb , t

15、in ) = qf (tin - tb ) + tb(6)到的火用，在夏季表現(xiàn)為冷量火用，冬季表現(xiàn)為熱量火用循 環(huán)水泵的電耗功使系統(tǒng)所得凈火用減小，表現(xiàn)為對整個 系統(tǒng)來說火用增量exwp 是負值為了使理論分析具有 一般性，在此隱含了一個假設，即循環(huán)水泵使工質(zhì)壓 力火用的增加量，恰好等于由于克服地埋管換熱器的流 動阻力所消耗的火用因此，第 2 項的火用增量反映工質(zhì) 在進入系統(tǒng)與離開系統(tǒng)過程的壓力火用損失2.2 地埋管換熱器熱量火用的計算開口穩(wěn)流系統(tǒng)中，工質(zhì)的焓火用可分為熱量火用和機 械火用122 部分，即式中：qf = f(kb，ks，kp，h，h，z，d)，是物性與幾何參數(shù) 的函數(shù)，其中 z

16、為所求點對應深度(0zh)，h 為鉆 孔深度，d 為 u 型管間距的一半，k為導熱系數(shù)，h 為 管內(nèi)水的對流換熱系數(shù)，下標 b、s、p 分別表示鉆孔、 土壤和管道鉆孔壁上的溫度 tb 為t = f(t ,k , q, h , g)= t + qg(fo,1)(7)sbshkr2式中：傅里葉數(shù) fo = at ；g 為 green 函數(shù)的理論解，bdexh = dexth + dexmech工質(zhì)的熱量火用是溫度的函數(shù)，按下式計算(2)與運行時間 、土壤熱擴散率a 和幾何參數(shù)有關；鉆孔熱負荷(埋管的吸/排熱量)q 與熱泵性能有關，具有dex= f(t t )= mc (t - t - t t )(

17、3)逐時變化的特點，可通過室內(nèi)側(cè)熱負荷和熱泵效率th, 0p00 lnt0(coefficient of performance, cop) 確定連續(xù)運行液態(tài)工質(zhì)的機械火用與工質(zhì)的壓力和比體積有關， 按下式計算時，熱泵的冷凝溫度(夏季)或蒸發(fā)溫度(冬季)受土壤溫度變化的影響而波動，這會導致 cop 的波動，它們13dexmech = f( p)= mv( p - p0 )(4)因此，工質(zhì)的焓火用為之間的耦合關系按下面經(jīng)驗關系式確定cop = 10.376 - 0.24(tco - teo )+2dex= f(t t p v)= mc (t - t - t t )+0.001 87(tco -

18、teo )(8)h, 0 ,in , inp00 lnt0式中 tco 和 teo 分別是冷凝器和蒸發(fā)器的出口水溫mv( p - p0 )(5)式中：t、p、v、cp 分別表示水的溫度、壓力、比體積和比 定壓熱容；m 為埋管側(cè)的循環(huán)工質(zhì)(水)流量；下標 0 代表系統(tǒng)對應的死態(tài)(環(huán)境狀態(tài))；下標 th 和 mech 分遠界未受擾動的土壤溫度 t 需根據(jù)土壤深度和 時間來計算實際應用中，垂直地埋管換熱器的安裝 深度通常在 10150 m 的范圍，若地下土壤的熱擴散 系數(shù)為a，則一般用于表述環(huán)境空氣溫度的周期變化別代表熱量(火用)和機械(火用)水一般可認為是不可壓 縮流體，其比體積 v 可認為是定值

19、，而 m 取設計值對地下土壤的溫度穿透厚度為zc = 2p2a，因此在w3應用式(5)時，需要確定埋管的出水溫度 tout，因 此涉及到埋管與周圍巖土之間的傳熱問題埋管與 周圍巖土的換熱可分為 2 部分來處理，即鉆孔內(nèi)部的 傳熱和由鉆孔壁面至外部地層的傳熱對于前者，由 于其幾何尺寸和比定壓熱容相對很小，換熱過程可近距地表 20 m 深的范圍以內(nèi)，淺層土壤溫度 t 受大氣環(huán)境影響，呈現(xiàn)周期性的變化，其變化的幅度隨深度 遞減；在恒溫帶以下，土壤溫度將主要取決于當?shù)氐?地溫梯度t考慮這些因素，t 按下式計算+ 1.07 a exp(-w3 z)cosw (t - t ) -w3 z0 z ztsms

20、t =2a 302a c(9)tcc + dt(z - z ) /100zc z 200式中：tsm 為地表年平均溫度；as 為地表年周期性波動 幅度；w3 為溫度年周期性波動頻率；t0 為最小地表溫 度時間；tc 為恒溫帶土壤溫度；zc 為恒溫帶對應的深 度與環(huán)境及土壤溫度相關的一些參數(shù)主要因緯度而異，筆者從北至南選取 4 個具有不同氣候特征的地 點進行對比分析至此，可以求出計算火用增量所需的埋管出口水溫tout570天津大學學報第 42 卷 第 7 期2.3地埋管換熱器的火用效比水泵功率取決于揚程 p 和流量 m，而揚程與管 道阻力(與管長 l 以及彎頭數(shù)目有關)成正比假設 水泵提供的揚程

21、恰能克服流動阻力，埋管出口水的壓 力為系統(tǒng)入水壓力(即進出口處水的壓差為 0)，此 時，水泵耗功在數(shù)量上等于工質(zhì)在埋管進出口的機械 火用之差即環(huán)流量反求 tin*，若 tin*與 tin 相差較大，則調(diào)整 tin，重新 計算 ，直至兩者 相差足夠小 ，根據(jù)此時 的 tout 計算 dexsys(4)計算水泵耗功和火用效比 3計算結(jié)果與分析dexwp = wpump = f (p, m& ) = mv( p - p0 )埋管長度根據(jù)冷/熱負荷按下式計算14q(r + r f ) cop 1t - tlimcopl =ps(10)(11)在吸、排熱過程中，熱泵機組按連續(xù)模式工作，即 每日 24 h

22、 無間歇運行3.1環(huán)境溫度對系統(tǒng)火用增量和火用效比的影響火用是以給定環(huán)境狀態(tài)為基準得出的相對量，在有些工業(yè)過程的火用分析中，為簡化計算，多采取假設環(huán)根據(jù)式(1)、(5)和(10)，系統(tǒng)的火用凈增量可表示為dexsys = dexh - wpump = dexth =境參數(shù)(溫度、壓力等)為定值的做法但是，當過程 涉及時間較長，而系統(tǒng)的溫度水平與環(huán)境處于同一量 級時，忽略環(huán)境的變化會造成較大的誤差因此，考mc (t - t- t ln tin )(12)慮環(huán)境溫度的動態(tài)變化對整個吸、排熱過程中火用的影p inout0tout響會更合理圖 2(a)、2(b)分別是不同地區(qū)氣溫變化式中：循環(huán)水的密度

23、、流量為已知；而 t0 為一年中變化 的環(huán)境溫度，計算時為實際氣象參數(shù)的測量數(shù)據(jù)或擬 合的正弦函數(shù)需注意的是，系統(tǒng)獲得火用的凈增量以水泵耗功為 代價，火用增量本身并不能恰當?shù)胤从车芈窆軗Q熱器側(cè) 收益與支出的對比關系因此，按照與熱泵性能系數(shù) 類似的定義方式，本文按下式定義源側(cè)火用效比，即 (13)由式(13)可知，源側(cè)火用效比可以反映從熱源得到 的凈火用與消耗電能的相對大小對于不同熱源形式 (如地表水、地下水和地下巖土等)的水源熱泵機組， 當室內(nèi)熱(冷)負荷側(cè)條件相同時，火用效比可以衡量自 源側(cè)獲取有用能的難易程度火用效比越大，說明在獲 得同樣火用增量時，付出的功越少，在一定程度上也反 映了水源

24、熱泵系統(tǒng)從源側(cè)獲取火用的經(jīng)濟性2.4 計算流程與給定參數(shù)根據(jù)以上分析，有如下 4 個計算步驟(1)輸入熱物性參數(shù)、室內(nèi)負荷、環(huán)境溫度和土壤 溫度(2)確定鉆孔長度、井深、井間距等幾何參數(shù) (3)埋管入口水溫隨運行時間而不斷變化，取時間步長為 1 h，在每一時間步上，以上一時刻的值作為 迭代的初值假設系統(tǒng)最初以設計狀態(tài)運行，因此以 熱泵冷凝器(夏季)或蒸發(fā)器(冬季)出口水溫的設計 值作為埋管入口水溫 tin 的初值，進而確定 cop、鉆 孔熱負荷 q 和埋管出口水溫 tout ；根據(jù) tout 及埋管的循的擬合余弦函數(shù)曲線 ，以及相應氣溫條件下 ，當 h=100 m，s=1.3 w/(m)時的系

25、統(tǒng)火用增量(ne、n、 se 和 s 分別代表我國從北到南的嚴寒、寒冷、過渡和 炎熱等種不同的氣候地區(qū))(a) 環(huán)境溫度(b) 火用增量圖 2 不同環(huán)境溫度下埋管換熱器的火用增量fig.2 dex of ground coupled heat exchanger under different ambient temperatures如圖 2 所示，各地區(qū)無論是冬季吸熱還是夏季排 熱，系統(tǒng)火用增量的變化都呈現(xiàn)出與環(huán)境溫度相反的趨 勢這是由于火用是以環(huán)境氣溫為基準求出的，相對于2009 年 7 月陳 雁等：地埋管地源熱泵系統(tǒng)源側(cè)火用分析571氣溫的季節(jié)性變化和晝夜波動來說，工質(zhì)水的溫度變 化較小

26、，因此，夏季氣溫越高，系統(tǒng)與環(huán)境之間的溫差 就越大，工質(zhì)所處溫位相對更有利，獲得的火用增量也 越多冬季則相反，環(huán)境氣溫越低，系統(tǒng)的相對溫度 越高，火用值就越高與環(huán)境空氣相比，土壤是溫度相對 穩(wěn)定的熱源，系統(tǒng)運行過程中埋管進、出口的水溫變 化也較緩慢，而環(huán)境溫度的日變化與年變化波幅均較 大，因此，系統(tǒng)火用增量的變化趨勢體現(xiàn)了環(huán)境溫度的 影響圖 3 是以天津地區(qū)的實際氣象數(shù)據(jù)作為計算 參數(shù)得出的結(jié)果(h=100 m，s =1.3 w/(m)管在冬季(夏季)從周圍巖土中持續(xù)地吸熱(排熱)，使 土壤溫度不斷降低(升高)，工質(zhì)進出溫度也隨之不斷 降低(升高)，而作為基準的環(huán)境溫度在冬季(夏季)的 后半時

27、段中逐漸上升( 下降) ，高于 ( 低于) 工質(zhì)溫 度雖然此時仍能從土壤中吸熱(排熱)，但與環(huán)境空 氣相比，土壤已失去作為熱源或冷源的優(yōu)勢從獲得 最大的火用增量出發(fā)，這時應停止水源熱泵機組的運 行，或改用其他方式(a) 嚴寒地區(qū)(a) 火用增量 (b) 火用效比圖 3 天津地區(qū)地埋管換熱器火用增量和火用效比fig.3 dex and e of ground coupled heat exchanger at tianjin圖 4 給出了我國 4 個不同地區(qū)、不同埋管深度情 況下，地埋管換熱器熱泵空調(diào)系統(tǒng)的火用效比隨全年月 份的變化從圖中可以看出，在氣候溫和的地區(qū)(se 和 n)，冬季和夏季均可

28、采用地源熱泵，而嚴寒地區(qū) (ne)和炎熱地區(qū)(s)均存在不適于地源熱泵運行的 季節(jié)在嚴寒(ne)地區(qū)，不論何種埋深，在夏季近三 分之一的時段中，系統(tǒng)火用效比為負值在此情況下，系 統(tǒng)運行不僅消耗電功且無法從源側(cè)獲得火用增量而炎 熱地區(qū)(s)埋深達 100 m 時，系統(tǒng)在冬季的火用效比仍 小于 1，也就是說，水從地埋管換熱器獲得的火用增量 小于水泵使其循環(huán)所消耗的電功火用效比為負值或小 于 1 都是不利于熱泵或空調(diào)運行的情況，在熱泵或空 調(diào)系統(tǒng)的設計和運行控制中應盡量避免這是由于埋(b) 寒冷地區(qū)(c) 過渡地區(qū)(d) 炎熱地區(qū)圖 4 不同地區(qū)、不同深度下火用效比隨時間的變化fig.4 seaso

29、nal under different depths and locations572天津大學學報第 42 卷 第 7 期3.2埋深對火用效比的影響從圖 4 還可以看到，火用效比隨深度的增長呈顯著 上升趨勢這是因為地埋管換熱器采用閉式循環(huán)，管 線流動阻力主要取決于管長和管件的局部阻力淺 埋時鉆孔占用場地面積大、水平支路流程加長而且管 路轉(zhuǎn)彎及接頭增多，因此增加了水泵的耗功圖 5(a)和 5(b)分別表示夏季和冬季情況下，從 嚴寒到炎熱的 4 種氣候地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)所得到的 全年累積火用隨不同埋管深度的變化該圖同樣反映了 在不同地區(qū)運行的地源熱泵應注意季節(jié)的適宜性，炎 熱地區(qū)(s)在夏季能夠獲

30、得較高的累積火用，而嚴寒地 區(qū)(ne)則是在冬季此外，累積火用隨深度的變化并不 顯著，當埋深從 50 m 增加至 200 m 時，季節(jié)累積火用僅 增長了約 10%25%根據(jù)工程實踐，50 m 深的鉆孔 安裝費用比 100 m 深的要低 30%50%，考慮到火用增 量的提升并不顯著，因此僅依賴提高埋深來增加鉆孔 的熱(冷)負荷可能并不經(jīng)濟 (a) 空調(diào)工況 (b)供暖工況圖 5 不同地區(qū)、不同埋深下的累積火用fig.5 annually accumulated dex under different depths and locations還需注意的是，圖 5(a)夏季工況下，15 m 埋深比

31、50 m 埋深能獲得更多的累積火用這是因為，在地表以 下約 710 m 處，土壤溫度按余弦規(guī)律變化的滯后時 間恰為半年(相位為 )，即在此深度上土壤溫度與地 面溫度的變化正相反，地溫最低值出現(xiàn)在夏季這是 對埋管排熱最有利的一段深度，但其影響程度隨埋深 的增加而減小，15 m 的埋深充分利用了這段土壤的溫度優(yōu)勢在場地合適的情況下(如單元別墅等小規(guī) 模應用)，確定埋管深度時應考慮這些特點，可以選擇 能夠獲得有利溫度的土壤深度來敷設水平埋管在冬季，土壤溫度越高越有利于埋管吸熱由圖 5(b)可知，累積火用在冬季隨深度而增加因為恒溫帶 以下土壤的溫度變化主要受地溫梯度的影響，在約為 3 /100 m 的

32、地溫梯度下，100200 m 范圍內(nèi)地溫梯 度將起主導作用因此，深埋有利于冬季換熱根據(jù)以上分析 ，在規(guī)模較 大的地埋管工程中， 100 m 是較為合適的安裝深度，這一深度基本消除了 環(huán)境溫度波動對換熱造成的影響，又避免了埋深過大 因鉆孔難度增大和管材承壓性能提高所需的附加 成本4 結(jié) 論(1)環(huán)境大氣溫度對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的源側(cè) 火用增量有顯著影響，火用增量的變化與環(huán)境溫度變化呈 相反趨勢從獲得最大火用增量的角度而言，不同地區(qū) 的地源熱泵適用性因季節(jié)而異，溫地帶有利于地源熱 泵的全年性運行，而嚴寒地區(qū)夏季以及炎熱地區(qū)冬季 采用地源熱泵，獲得的火用增量較少(2)持續(xù)的熱擾動不利于維持熱源(土壤

33、)的穩(wěn)定 性，進而影響到工質(zhì)的溫度，導致在運行一段時間后 火用增量為負值此時，與環(huán)境空氣相比，土壤已失去作 為熱源的優(yōu)勢為此，應合理控制運停時間，以保持 較高的火用增量水平(3)淺埋時，因流程長、管件增多導致水泵耗功增 加，火用效比較深埋時顯著降低，該參數(shù)可以反映地源 熱泵從源側(cè)獲得火用增量與消耗電功的數(shù)量對比，為選 擇合理、經(jīng)濟的埋管深度提出了理論依據(jù)從提高 火用增量出發(fā)，僅靠增加埋深并不經(jīng)濟綜合考慮土壤 溫度和安裝成本，深埋約 100 m 時較有利參考文獻：1 趙 軍，戴傳山. 地源熱泵技術與建筑節(jié)能應用 m.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.zhao jun，dai chuanshan

34、. design and application of ground source heat pump system m. beijing：china architectural industry press，2007(in chinese).2 yavuzturk c，chiasson a d. performance analysis of u- tube，concentric tube，and standing colum well ground heat exchangers using a system simulation approach j. ashrae trans，2002

35、，108(1)：925-938.3 makoto tago ，koji morita ，masahiro sugawara. heat2009 年 7 月陳 雁等：地埋管地源熱泵系統(tǒng)源側(cè)火用分析573extraction characteristics of a single u-tube downhole heat exchanger with square cross section j. heat and mass transfer，2006，42(7)：608-616.4 kavanaugh s p. field tests for ground thermal properties：

36、 methods and impact on ground-source heat pump design j. ashrae trans，1992，98(9)：607-615.5 allan m l，kavanaugh s p. thermal conductivity of ce- mentitious grouts and impact on heat exchanger length design for ground source heat pumps j. hvac&r reach，1999，5(2)：87-98.6 劉憲英，胡鳴明，魏唐棣. 地源熱泵地下埋管換熱器傳 熱模型的綜述j. 重慶建筑大學學報，1999，21(4)： 106-111.liu xianying，hu mingming，wei tangdi. development of modeling of the underground heat exchanger for gshp j. journal of chongqing jianzhu university ，1999， 21