地源热泵介绍 p74

可再再生生能能源源－－－－地地源源热热泵泵同济济大大学学暖暖通通空空调调及及燃燃气气研研究究所所张旭旭教教授授&博导导&所长长&博士士后后地热热资资源源的的利利用用土壤壤热热源源热热泵泵系系统统（（GSHP））综述述土壤壤有有效效导导热热系系数数的的研研究究及及热热响响应应实实验验土壤壤热热源源热热泵泵系系统统地地埋埋管管换换热热器器放放热热量量实实验验GSHP系统统设设计计上海海天天邻邻别别墅墅GSHP系统统分分析析大规规模模地地源源热热泵泵土土壤壤温温度度变变化化模模拟拟国内内GSHP系统统工工程程应应用用目录录地热热资资源源的的利利用用目前前，，建建筑筑节节能能开开展展得得如如火火如如荼荼，，地地源源热热泵泵系系统统作作为为一一种种可可再再生生能能源源系系统统，，正正受受到到前前所所未未有有的的重重视视。。《中华华人人民民共共和和国国可可再再生生能能源源法法》已由由中中华华人人民民共共和和国国第第十十届届全全国国人人民民代代表表大大会会常常务务委委员员会会第第十十四四次次会会议议于于2005年2月28日通通过过，，现现予予公公布布，，自自2006年1月1日起起施施行行。GSHP系统统综综述述GSHP系统统术术语语GSHP系统统类类型型GSHP系统统与与常常规规家家用用空空调调系系统统的的比比较较GSHP系统的的优点点GSHP系统的的关键键技术术大地初初始温温度场场分布布埋地换换热器器传热热数学学模型型GSHP系统综综述地源热热泵系系统(GSHP)土壤耦耦合热热泵系系统(GCHP)地下水水热泵泵系统统(GWHP)地表水水热泵泵系统统(SWHP)GSHP系统供热模式GSHP系统制冷模式系统比比较常规家用空调系统GSHP的优点点低运行行费用用，比比传统统空调调系统统节能能25～50％多余过过热蒸蒸汽经经减温温装置置，夏夏季向向用户户提供供免费费热水水，冬冬季热热水加加热的的费用用减半半低噪声声，运运行安安静不受室室外温温度波波动影影响，，高效效，运运行稳稳定对环境境影响响小，，绿色色环保保提供优优质的的室内内热舒舒适环环境低维护护费用用,为传统统空调调系统统的1/3用于区区域供供热、、供冷冷，调调节性性高经久耐耐用，，寿命命可达达20年以上上结构紧紧凑，，无外外挂设设备，，美观观大方方GSHP系统的的关键键技术术埋地换换热器器传热热模型型的研研究回填材材料的的研发发土壤热热源热热泵系系统的的合理理配置置土壤热热物性性的研研究大地初初始温温度场场分布布埋地换换热器器传热热数学学模型型根据拉拉氏变变换可可得温温度解解析解解t=960h不同土柱半径处土壤温度土壤有有效导导热系系数研研究土壤有有效导导热系系数试试验研研究（（1996～1997）土壤有有效导导热系系数的的分形形研究究（2002～2003）土壤有有效导导热系系数的的试验验研究究土壤有有效导导热的的一般般表述述含水率率密度饱和度度土温t空隙比比e探针测测量试试验原原理

1.加热器引线2.

热电偶3.

陶瓷管4.

热电偶引线5.

不锈钢套管6.

环氧树脂7.

不锈钢管8.

石蜡填料9.

双股加热器绕线10.

焊接封头式中，，是是单位位长度度探针针的热热容量量。是单位位长度度探针针单位位时间间的发发热量量。根据拉拉氏变变换可可得探探针的的过余余温度度土壤有有效导导热系系数的的试验验研究究Fig.1土Fig.2砂Fig.4土砂比2：1Fig.3土砂比1：2土壤有有效导导热系系数的的分形形研究究SectionPlaneofSoilSample1SectionPlaneofSoilSample2剖面固固体颗颗粒分分布分分维面积测测量尺尺度——固体颗颗粒面面积——无标度度空间间土壤样样品1：10-6mm2～4mm2土壤样样品2：10-3mm2～100mm2土壤剖剖面上上固体体颗粒粒分布布自相相似规规律土壤样品1自相似分布规律土壤样品2自相似分布规律土壤样样品粒粒径分分布自自相似似规律律土壤样品1粒径分布规律土壤样品2粒径分布规律土壤结结构的的分形形模型型土壤微结构空间分布微结构分形模型土壤样样品有有效导导热系系数的的分形形表述述土壤样品1土壤样品2土壤样品1土壤样品2土壤样样品有有效导导热系系数数数据比比较样品1试验数数据分形计计算数数据样品2试验数数据分形计计算数数据热响应应实验验热响应应实验验的理理论基基础是是开尔尔文的的线源源理论论，以以下公公式描描述了了线源源理论论，热热响应应实验验就是是在此此公式式基础础上进进行土土壤热热参数数计算算的热响应应实验验原理理图如如右图图所示示热响应应实验验设备备的原原理就就是一一个闭闭式的的加热热设备备，通通过地地下换换热器器给土土壤加加热，，并记记录相相关温温度数数据，，根据据所收收集数数据通通过专专业数数据分分析软软件进进行数数据分分析从从而得得到导导热系系数等等参数数。地下换热器实验设备电源数据采集加热热响应应实验验热响应应实验验装置置外观观图热响应应实验验数据据处理理软件件地埋管管换热热器放放热量量实验验本实验验所处处地点点为同同济大大学文文远楼楼，原原理图图如右右图所所示1－单U型地埋埋管；；2－恒温温水箱箱；3－电加加热器器1；4－电加加热器器2；5－球阀阀；6－水泵泵；7－止回回阀；；8－铂电电阻温温度计计；9－水表表；10－潜水水泵；；11－Y型过滤滤器。。某地源源热泵泵地埋埋管换换热器器试验验原理理图地埋管管换热热器放放热量量实验验对于特特定的的地埋埋管换换热器器，在在保持持其他他量不不变的的情况况下，，单位位井深深放热热量随随着供供水温温度的的提高高而增增大，，通过过最小小二乘乘法拟拟合可可以得得到单单位井井深放放热量量随供供水温温度的的变化化关系系式为为：y=217.26Ln(x)－743.29式中，，y为单位位井深深放热热量，，w/m井深；；x为供水水温度度，℃℃。GSHP系统设设计GSHP系统设设计基基础资资料空调系系统的的冷热热负荷荷室内空空调设设备的的选择择室内空空调系系统的的设计计GSHP系统的的选择择和设设计步步骤GCHP系统地地下换换热器器设计计GSHP系统设设计基基础资资料总平面的的水文文地质质、地地表情情况地质和和水文文地质质的成成分调调查报报告地表水水应用用调查查报告告地下水水系统统试验验井的的调查查报告告垂直地地下换换热器器系统统试验验孔调调查报报告水平地地下换换热器器试验验坑调调查报报告监视井井水的质质量空调冷冷热负负荷分区负负荷高峰负负荷－－用于于地下下换热热器设设计平均负负荷总能耗耗计算算Degreeday法Bin法Hourbyhour法DeST负荷频频率表表地下负负荷室内空空调设设备的的选择择水－空空气水水源热热泵机机组GCHP系统使使用GWHP和SWHP系统使使用美国制制冷学学会（（ARI）的水－－空气气热泵泵标准准GCHP系统的的选择择考虑地地下换换热器器所需需的地地表面面积考虑地地下管管道的的承压压立式热热交换换器一一般限限制在在六层层以下下水平系系统考考虑占占地面面积混合式式GCHP系统（（附加加冷却却塔））游乐场场、草草地、、停车车场可可设置置地下下换热热器管道要要保温温（管管路温温度高高于7.2～10℃℃除外））北方地地区系系统需需加抗抗冻剂剂溶液液美国GSHP系统的的水温温要求求GCHP系统设设计步步骤决定地地下性性质（（钻试试验孔孔洞））确定管管道管管径、、尺寸寸、孔孔洞分分析、、回填填计算所所需孔孔洞长长度及及布置置孔洞洞设计外外部集集管系统的的阻力力计算算及水水泵的的选择择设计清清洁系系统GCHP系统地地下换换热器器设计计地下换换热器器埋管管形式式竖直埋埋管、、水平平埋管管管路连连接方方式串连、、并联联流动动同程、、异程程地下热热交换换器的的组成成供回集集管、、环路路、同同程回回流管管、U型弯管管塑料管管的选选择塑料管管材－－PE、PBGCHP系统地地下换换热器器设计计塑料管管尺寸寸PE3408SDR11PE3408SCH40PB2110SDR13.5PB2110SDR17塑料管管直径径的选选择管道要要大到到足够够保持持最小小输送送功率率管道要要小到到管内内流动动为紊紊流内径小小于50mm，管内流流速0.6～1.2m/s内径大大于50mm，管内流流速小小于1.8m/s地下换换热器器换热热量－－地下下负荷荷地下换换热器器长度度单位管管长换换热量35～55W/m同济大大学试试验单单位管管长换换热量量40～60W/mGCHP系统地地下换换热器器设计计地下换换热器器的钻钻孔数数钻孔间间距—相邻孔孔洞最最小间间距4.5m地下换换热器器的孔孔深根据钻钻孔数数确定定，一一般为为40～90m地下换换热器器阻力力计算算沿程阻阻力局部阻阻力采采用当当量尺尺度法法地下换换热器器环路路水泵泵选型型地下换换热器器水管管承压压能力力校核核水系统统其他他装置置设计计空调系系统全全年运运行能能耗分分析BIN参数全年动动态负负荷计计算GSHP系统全全年运运行能能耗计计算热泵机机组的的能耗耗埋地换换热器器侧循循环水水泵能能耗室内侧侧冷冻冻水循循环水水泵能能耗空调末末端设设备能能耗ASHP系统全年年运行能能耗计算算风冷热泵泵机组能能耗风侧换热热器风机机能耗冬季除霜霜能耗室内侧冷冷冻水循循环水泵泵能耗空调末端端设备能能耗GSHPASHP系统负荷荷侧能耗耗相同忽忽略不计计上海地区区2℃间隔24小时运行行BIN参数BIN-6-4-202468101214hours（h）

1276168351524486440498521478428wetbulbtemperature（℃）

-6.3-5.1-3.3-1.60.11.83.86.28.210.011.5BIN1618202224262830323436hours（h）499589613616537718587361927714wetbulbtemperature（℃）

13.615.517.61921.423.825.025.826.427.027.4天邻别墅墅全年动动态负荷荷计算GSHP系统全年年运行能能耗分析析ASHP系统能耗耗分析埋地换热热器内部部温度分分布埋地换热热器内部部温度模模拟如图图所示，，可以看看出管间间距对温温度变化化的影响响，上图图为间距距52mm，下图间间距72mm，为了防防止供回回水管间间的热干干扰，管管间距应应选择适适宜长度度。土壤源热热泵管群群的模拟拟结果间距4m温升0.401℃间距3m温升0.712℃间距2m温升1.413℃大规模土土壤源热热泵管群群，由于于其埋管管布置密密集，在在中心区区域会造造成土壤壤的热堆堆积，土土壤温度度的升高高如果不不能得到到及时的的恢复，，将对换换热性能能造成很很大影响响，所以以，对热热泵管群群的模拟拟显得尤尤为重要要。模拟了不不同管间间距经过过一年后后的土壤壤温度变变化。选选取点为为中心最最不利点点。间距2m的管群群土壤温温度年变变化间距4m的管群群土壤温温度年变变化桩基式管管群模拟拟目前，工工程中出出现了利利用建筑筑现有桩桩基埋设设换热器器的实例例。在工工程桩中中埋设换换热器，，可以减减少系统统的初投投资，使使地源热热泵能够够得到更更普遍的的使用。。土壤源换热器器埋管方式钻孔埋设单U型管换热器钻孔埋设W型管换热器工程桩内埋设设换热器土壤源换热器器埋管方式武昌对工程桩桩内埋设大直直径螺旋盘管管换热器和W型换热器的形形式进行多次次试验，埋设设W型换热器一次次试验成功，，两次埋设大大直径螺旋盘盘管换热器的的试验均失败败，分析失败败原因主要是是试验桩深45m，存在桩位偏偏差，工程桩桩在放下导管管和用导管捣捣固混凝土时时极易撞断捆捆扎在钢筋网网架内侧的HDPE100塑料管，虽然然设计考虑了了在钢筋网架架内设置井字字型导管舱保保护塑料管，，但吊装20m钢筋网架易变变形，且旋喷喷钻孔桩成孔孔速度快，泥泥浆护壁质量量不高，易造造成塌孔，强强行放下的钢钢筋网架内的的导管舱中心心存在偏差，，造成导管放放下失败。故故工程桩内埋埋设换热器设设计采用W型换热器。桩基式地源热热泵土壤温度度年变化桩基式地源热热泵土壤温度度年变化桩基式地源热热泵土壤温度度年变化管群中心区域域热堆积较显显著，模拟单单管换热量为为50W/m的情况，经过过一年的运行行，温度升高高为1.3度左右。模拟土壤温度度测点布置图图桩基式地源热热泵土壤温度度年变化红色为距离换换热器最近点点其温度波动动随水温的变变化波动最大大；黑色为距距离换热器最最远点其温度度变化滞后于于水温变化国内土壤源换换热器试验研研究武昌某工地测测试井研究杭州某工地测测试井研究武昌站某工地地测试井研究究南京朗诗国际际街区测试井井研究土壤源换热器器试验研究武昌某工地测测试井研究试验选用的井埋管编号1号井单U埋管2号井W型埋管垂直埋管段垂直深度[m]105110垂直管总长度[m]210440回填材料水泥浆＋膨润土水泥浆＋膨润土安装方法自然下管自然下管井口直径400mm500mmPE管外径[mm]2525内径[mm]2020连接管距离[m]2045连接管总长度[m]4090保温材料橡树保温套,厚度20mm试验井埋管的的施工和安装装数据土壤源换热器器试验研究武昌某工地测测试井研究试验井埋管垂垂直段的释热热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]37.20.8815.158.437.360.8856.6872.8试验井埋管垂垂直段的吸热热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]4.30.814.6414.30.8126.352.8试验研究发现现，W型井埋管在深深度相差5m的情况下比单单U型井埋管散热热能力约大20%以上，取热能能力约大25%以上。土壤源换热器器试验研究杭州某工地测测试井研究试验井埋管的的施工和安装装数据试验选用的井埋管编号1号井单Ｕ埋管2号井单Ｕ埋管垂直埋管段垂直深度[m]3060垂直管总长度[m]60120回填材料混凝土水泥浆＋膨润土安装方法300mm钢筋笼自然下管井口直径400mm110mmPE管外径[mm]2525内径[mm]2020连接管距离[m]14.610.1连接管总长度[m]29.220.2保温材料橡树保温套,厚度20mm土壤源换热器器试验研究杭州某工地测测试井研究试验井埋管垂垂直段的释热热量分析试验井埋管垂垂直段的吸热热量分析试验研究发现现，回填材料料混凝土的传传热性能优于于水泥浆＋膨膨润土。其单单位散热能力力增大30％左右，取热热能力增大27％左右。1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]36.90.86264.337.050.862.7344.71号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]5.350.8571.5148.65.350.8422.2636.4土壤源换热器器试验研究武昌站某工地地测试井研究究试验井埋管的的施工和安装装数据试验选用的井埋管编号1号井单U埋管2号井双U埋管工程灌注桩U埋管垂直埋管段垂直深度[m]606036垂直管总长度[m]12012072回填材料泥浆泥浆混凝土安装方法自然下管自然下管自然下管井口直径150mm150mm400mmPE管外径[mm]323232内径[mm]262626连接管距离[m]20306连接管总长度[m]406012保温材料橡树保温套,厚度20mm土壤源换热器器试验研究武昌站某工地地测试井研究究试验井埋管垂垂直段的释热热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析工程桩埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]37.51.1082.56237.51.1552.157836.90.86260土壤源换热器器试验研究武昌站某工地地测试井研究究试验井埋管垂垂直段的吸热热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析工程桩埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]6.91.112.3396.91.1152.15485.350.8422.2641试验研究发现现，管径相同同，流量相当当的情况下，，双U型埋管可以增增大取热量的的散热量约20%，灌注桩的取取散热量与单单U型埋管基本接接近。由于武昌站的的测试时间短短，试验结果果与杭州相差差很大，偏差差与试验方法法有关，试验验结果仅供设设计参考。本本工程土壤源源换热器传热热能力采用距距于武昌站3.5km处某工地的测测试数据，并并用杭州工程程桩的试验研研究结果进行行修正，这样样的结果偏于于安全。

单U型井埋管W型井埋管工程桩W型埋管管径

DN25/DN32DN25/DN32DN32释热量[W/m井深]587395吸热量[W/m井深]415369传热能力表埋管型式总释热量(kW)总吸热量(kW)地块A工程桩加65m单U型井埋管233159地块B工程桩加65m单U型井埋管35622542地块C工程桩加65m单U型井埋管848601工程桩加65m单U和Ｗ型井埋管1014733地块D工程桩加65m单U型井埋管1163833工程桩加75m单U型井埋管1262902地块E工程桩加65m单U型井埋管16751185工程桩加75m单U型井埋管19351368各地块的释热热和吸热能力力表当设计单U型井埋管钻孔孔深度为65m时，地块A、B、C区的总释热量量4633kW,总吸热量3302kW；当地块A、B、D区设计单U型井埋管钻孔孔深度为75m,C区设计W型井埋管钻孔孔深度为75m时，地块A、B、C、D区的总释热量量6471kW,总吸热量4629kW。国内桩基式地地源热泵工程程实例南京朗诗国际际街区占地面积16万平米；建筑面积30万平米；共18层朗诗国际街区区地源热泵系系统朗诗国际街区区采用土壤耦耦合地源热泵泵系统，垂直直埋管方式从从土壤中提取取和释放热量量利用建筑本身身的桩基，在在桩基中埋入入U型或W型土壤换热器器，节省了埋埋设土壤换热热器所需的打打井费用，同同时节省了占占地面积由桩基内换热热器提供的冷冷量不足，剩剩余部分在建建筑周边打井井进行补充土壤源换热器器试验研究南京朗诗国际际街区测试井井研究试验选用的井埋管编号B4号井单U埋管B6号井W型埋管垂直埋管段垂直深度[m]6060垂直管总长度[m]120120回填材料黄沙＋膨润土水泥浆＋膨润土安装方法自然下管采用支承PE管外径[mm]2525内径[mm]2020连接管距离[m]26.22