地源热泵读书报告

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一.地源热泵应用背景及其必要性 2••…\o"CurrentDocument"二•地源热泵系统组成与分类 2……\o"CurrentDocument"2.1地源热泵系统组成 2……\o"CurrentDocument"2.2地源热泵系统的分类 3••…2.2.1闭环系统 4.……\o"CurrentDocument"2.2.2开环系统 5•……2.2.3直接膨胀式系统 5••…\o"CurrentDocument"三•土壤源热泵 5…••…3.1简介 5 土壤传热特性 6•……\o"CurrentDocument"土壤温度状况分析 7……\o"CurrentDocument"3.4埋地换热器传热特性分析 8..…\o"CurrentDocument"3.5地埋管换热实验研究 9••…\o"CurrentDocument"3.5.1埋管进水温度的影响 9••…3.5.2运行方式的影响 10\o"CurrentDocument"地下水源热泵 1.1……\o"CurrentDocument"4.1简介 1.…•…\o"CurrentDocument"4.2水源热泵的特点 12\o"CurrentDocument"4.3国内针对地下水源热泵的一些研究 13\o"CurrentDocument"地源热泵工程实例应用 15\o"CurrentDocument"结语 15\o"CurrentDocument"参考文献 15•地源热泵应用背景及其必要性发展地源热泵系统是我国建筑节能发展的需要。目前，建筑用能已占全国总能耗的27.5%。因此，抓紧建筑节能，以较少的能源投入，实现经济增长目标，对于我国的经济社会可持续发展，是一项十分迫切的任务。地源热泵系统和常规的供热空调系统相比大约能节能50%，是一种利用可再生能源的高效节能，无污染的既可供暖又可制冷的空调系统。发展地源热泵系统是确保我国能源结构调整的需要。基于我国的基本国情和经济状况，长期以来我国一直以煤采暖为主，北方地区污染严重，能源利用效率低，发展地源热泵技术是减少环境污染，确保能源安全的重要保障。发展地源热泵系统是利用可再生能源的重要技术手段。目前，用可再生能源逐步替代常规能源是一个世界趋势，随着我国《可再生能源法的颁布》大力加快发展可再生能源是落实国家提出的“建设节约型社会，发展循环经济”方针的主要手段之一。地源热泵供暖空调系统通过吸收大地的能量，再由热泵机组向建筑物供冷供热，可广泛应用于商业楼宇，公共建筑，住宅公寓，学校，医院等建筑物，是可再生能源在建筑中应用的重要组成部分。发展地源热泵在中国有广泛的地域要求。中国国土面积巨大，从北到南可划分为五个主要气候区，其中对冷热量都有需求的地区占绝大部分，同时中国浅层地表能量蕴藏丰富，适宜大力发展地源热泵供暖空调系统。发展地源热泵系统是中国HVAC行业技术发展方向。在中国某些地区，既没有燃煤也没有天然气可以供热，发展地源热泵供暖空调系统是经济发展的需要，也是市场发展的必然趋势。二•地源热泵系统组成与分类2・1地源热泵系统组成地源热泵系统一般由三个子系统组成：热（冷）源系统，热泵机组，热（冷）分配系统（包括需要的热水供应系统）。例如，对用于建筑采暖空调的地源热泵系统主要包括：室外地源换热系统，水环管路与水源热泵机组以及室内采暖空调末端系统。热（冷）源系统包括地下水，江河湖水，岩石和土壤，城市污水，工业污水。美国中部和东部各州政府要求，地下水温度低达4°C时，仍可做为地源热泵的热源。一般的，地下水，江河湖海水，岩石和土壤，夏季温度都低于当地大气温度，作为冷源，肯定优于室外大气。城市污水夏季作为冷源也没有问题。工业污水和排放液，温度变化范围很大，夏季当其温度接近或高于当地大气温度时，则不宜作为热泵夏季工作的冷源，应另设冷源。地源热泵系统中采用的热泵机组都是水源式，既能制冷，也能供热，当然，也可以做成只制冷或只供热的单一功能。除了机组内水一制冷剂侧换热器与空气源热泵不同外，其它部件（压缩机，输出换热器，节流装置，换向阀等），在很大程度上都是通用的（随工作温度不同，控制装置，压缩机部件略有差异）。室内末端输配系统包括加压送风系统或地板盘管，风机盘管等形式。近年来在国内又开始应用顶板辐射和毛细管辐射等末端输配方式。2・2地源热泵系统的分类对于热泵装置本身来说，有多种分类方法，如：按热源分：空气源，土壤一地下水源，太阳能以及工业，生活废热等；按压缩机种类分：活塞式，螺旋式，涡旋式，离心式；按热泵的功能分:单纯供热，交替制冷供热，同时制冷供热；按驱动方式分：电力压缩式，发动机拖动压缩式，热力吸收式按供热温度分：低温V70C，中高温：70—100C，高温〉100C。此外，按热源和冷热媒介质的组合方式划分，热泵还可以分为：空气一空气式热泵，空气一水式热泵，水一水式热泵，水一空气式热泵等类型。根据地下换热系统形式的不同，地源热泵可以分成三种类型：闭环系统，开环系统与直接膨胀系统。对于一定地区，地下换热方式的选择主要取决于水文地质结构，有效的土地面积和系统生命周期费用。2.2.1闭环系统闭环系统指的是通过水或防冻液在预埋地下的塑料管中进行循环流动来传递热量的地下换热系统。闭环系统的具体形式有：垂直环路，水平环路，螺旋盘管环路与池塘湖泊环路，还有一种与建筑桩基结合的桩埋管换热器。垂直环路由高密度聚氯乙烯管组成，这些管还放在直径100—150mm的垂直管孔中，井内埋设U形管或者同心套管，具体长度取决于土壤热特性。所有垂直管孔要用膨润土灌浆。可采用两种系统类型：并联式系统和串联式系统。并联式系统所用管径较小，管环长度较短，所需水泵扬程较低，可用较小的水泵，运行费用较少。一般地，大多数用户都选择并联式系统。垂直环路系统更多地用于土地面积有限，水位较深以及地下为岩石层或岩石地层的地方，是商业用途中最常用的系统形式。水平环路将横管放在深度约为1.2—3.0m深的水平管沟内，比垂直埋管可节省25%—30%。由于受地表温度年波动的影响，环路长度需增加15%—20%。管沟长度取决于土壤条件和管沟中的管子水量。该方式常用于住宅，适用于土地丰富，而且具有较高地下水水位的地区。3•螺旋管环路一种形式是多管水平环路的改进，通常称为“slinky”另一种形式是在窄小的垂直管沟中沿高度方向布置螺旋盘管，通常适用于冷量较小的系统。如果工程设计恰当，将与垂直环路和水平环路一样有效。4•池塘湖泊环路一般地，为使系统运行良好，池塘的大小必须在4000m?以上，深度超过4.6m。这类系统的安装费用不高。管环为盘管状，连接到公共联箱上，然后将它漂浮到池塘或湖泊中，充水后即会沉入水底。这种系统即使水面冬季结冰，仍能正常运行。5•桩埋管环路指利用建筑桩基或在混凝土构件中充满液体的管道系统，奥地利在20世纪80年代末期已将该技术用于建筑采暖和降温。

2.2.2开环系统开环系统通常指利用传统的地下水井传递地下水中或地下土壤中热量的地源热泵系统。此外，地表水热泵中的池塘或湖水直接利用系统也属于开环系统。开环系统有许多特殊因素要考虑，如水质，水量，回灌或排放问题。2.2.3直接膨胀式系统该系统直接将装有制冷剂的铜管埋入地下取热。铜管可以垂直埋也可以水平埋，前者每1KW制冷量需要2.6—4.0土地面积，深约2.7—3.7m；后者占地面积11.9—14.5m2/kw，1.5—3.0m深。在砂质，黏土或较干土壤中不宜米用垂直埋设。由于地下埋管是金属管，容易受腐蚀。系统供热/制冷量在7.0—17.6kw。土壤源热泵土壤源热泵3・1简介土壤源热泵是地源热泵应用技术领域的一个分支，它是一种利用地下土壤能源资源作为热泵冷、热源的热泵系统，通常只要输入少量的高品位能源，通过土壤源热泵即可把土壤中所储存的不能直接使用的低品位能源转化成有用热能。已有研究表明，与空气源热泵相比，由于地下土壤温度全年相对稳定，土壤源热泵的性能系数高于空气源热泵具有明显的节能效果；而且埋地换热器无需除霜，可减少冬季除霜的能耗；由于土壤具有较好的蓄热性，还可与太阳能联用改善冬季运行条件。埋地换热器在地下静态的吸（放）热，减少了传统空调系统对地面环境的噪音污染和冷热污染；土壤对地面的空气温度波动具有延迟与衰减性，即使在最不利的气候条件下仍能提供较高的蒸发温度（制热）与较低的冷凝温度（制冷

未端装置换热器四通阀土背机VJi-i膨胀阀换熱器未端装置换热器四通阀土背机VJi-i膨胀阀换熱器埋地盘管图一土壤源热泵原理图3・2土壤传热特性与传统的空调系统设计相比，土壤源热泵空调系统设计所特有的就是根据所选择的埋地换热器的类型及布置形式设计计算埋地换热器的管长。由土壤源热泵的工作原理可知，系统运行的关键之一在于解决土壤冬夏季吸收热量和放热的平衡性。热量的取用如果不平衡，必然造成土壤的蓄热性变差，因为土壤与埋地换热器进行热交换后，土壤内部进行的是不稳定传热。因此系统的性能与土壤的性能是紧密相关的，对土壤性能的研究是土壤源热泵系统成功的前提，也是进行土壤源热泵方案设计的基础。土壤的性能研究主要包括土壤的能量平衡，热工性能，土壤中的传热，传湿和环境对土壤热工性能的影响等。土壤的物性参数与所含的矿物成分，粒度组成，土壤结构和含水量等有重要关系。某地地下岩层分布比较复杂，土壤试样中有砂质粘土，粘土，粉砂，中砂,细砂，沙砾，粗砂7种土质结构层，每层厚度不均匀且各层交错分布，无规律性。对7种土质中已查出的土质导热率进行加权处理，用于考虑对含水层影响的修正，加权处理公式如下：九二习(九i5i)/习8ii=i i=i式中久一加权处理后的土壤热导率，w/(m・k)n一土质的种类，n=7入i—第i种土质的热导率，w/(m•k)6i—第i种土质的厚度，m加权处理后的土壤热导率入=1.743w/(m・k)，代替等效岩土的热导率。等效原因是：考虑到岩土层的厚度比较大，分布比较均匀；粘土的密度比砂质粘土大，更具有代表性；考虑到其它岩层的热导率都比较大，但其厚度又比较小。土质岩层厚度也热导率/(W- K"1：密度1(kg-m')比热容/(kJ-kg1-K]:砂质粘土41.401.040I80014654粘土3825Q879225014654粉砂S351.200———-中砂2951.340——细砂15.401.633—Q950沙砾&252303——粗砂1.(表.各种土质押物性参数—等效岩土的物性参数：热导率入=1.743w/(m・k),密度为2250kg/m3，比热容为14.654kj/(kg・k)。3.3土壤温度状况分析土壤的温度状况是指土壤温度随时间与空间的变化规律，它是土壤热平衡和热状况的反应。受地面温度年周期性和日周期性变化的影响，土壤温度有两种周期性变化：土壤温度的日周期性变化。土壤表层的土壤温度在日出后开始逐渐上升，至下午1—2h达到最高值，之后又开始逐渐下降；土壤的日变化幅度随土层深度的增加而渐渐减小，温度峰值出现的时间也逐渐延迟。通常，在1—1.5m以下土层的温度日变化就不明显了。土壤温度的年周期性变化。土壤温度的年变化是指土壤温度全年的变化情况。一般来说，土壤温度在3月份开始升高，7月份达到最大值，之后又逐渐下降。随深度的增加，土壤温度的年变化波幅逐渐减小，最大最小值出现的时间也渐渐延迟，在15—25m左右土壤全年温度基本不变。文献中给出了如下温度计算公式:式中T—从地表面温度年波幅出现算起的时间，hZ一从地表面算起的深度，mT(t,z)—T时刻z深处的土壤温度，。CTm—地表面的年平均温度，°CAs—地表面温度年周期性波动的波幅，C®—温度年周期性波动频率，0.000717h-lT—温度年波动周期，8760ha—土壤的导温系数，m?h一般地层深度每增加30m,地温将升高1°C,为此上述公式还应该加上地层深度温度的附加值(z/30)°C，故：zT'(■z)=T(t,z)+30各地区不同时间，不同深度处土壤的原始温度时埋地换热器设计计算的基础。3.4埋地换热器传热特性分析埋地盘管对土壤的取(放)热率大小随着建筑物负荷的大小及室外气象参数的改变而变化，同时取(放)热过程又将改变土壤初始温度的分析；因此，埋地盘管的传热是典型的不稳态传热过程。为简化计算假设：①土壤温度不受外界环境温度的影响；载热流体的平均温度不变，单位长度换热盘管的取热量恒定；埋地盘管管径很小，管长很长；④在整个传热过程中，土壤的物理成分，热特性及土壤中水分的形态保持不变。这样，土壤埋地盘管在土壤中的传热可看做是无限长土壤柱的传热过程；对某一时刻，利用稳态传热理论可得单位长度埋地盘管中流体与周围土壤间的传热计算公式：

11+a兀11+a兀d 2兀九i iAtInd12+Ind 2兀九12IndInd2式中qi—单位长度埋地盘管某一瞬间的取热量£—单位管长的传热系数d d3—埋地盘管的内，外径及土壤的外径a—载热流体与盘管内壁的对流换热系数九］,九2—埋地盘管与土壤的导热系数At—载热流体与土壤柱外壁间温度3・5地埋管换热实验研究3.5.1埋管进水温度的影响以武汉为例，针对冬夏季不同进水条件下地埋管单位井深换热量随时间变化情况。夏季实验过程中地埋管进水温度分别控制在（35±0.5）°C和（30±0.5）°C范围内，管内流速为0.628m/s（管内流量为1200L/h）;冬季实验过程总地埋管进水温度控制在（1O±1）°C和（8±1）°C范围内，管内流速为0.418m/s（管内流量为800L/h）。实验中土壤初始温度均接近于17°C，钻井深度为40m,埋设单U型■II・■I■II・■II匸IIII■I0iO20304U 70图2图2夏季不同进水温度下单位井深换热图3•冬季不同进水温度下单位井深换热从图2和图3可以看出，地埋管单位井深换热量随着运行时间的增加而变化,起始阶段迅速降低，后逐步减少直至相对稳定，但无论冬季降低或夏季增大地埋管进水温度均可有效地增强地埋管换热器，夏季工况中将地埋管进水温度从30°C提高到35°C时，地埋管换热能力变化趋于平缓时，单位井深换热量从44.6W/m上升到52.3W/m,增加了17.3%；冬季工况中将地埋管进水温度从10C降低到8C时，地埋管换热能力变化趋于平缓时单位井深换热量从34.8W/m上升到40.5W/m,增加了16.4%。但是，当地埋管进水温度供热工况较低或制冷工况较高时，虽然可以使换热加强，减小换热器的设计容量，但同时相应的热泵主机换热条件变得恶劣，热泵机组的COP值会变低，甚至不能正常工作。这就需要在实际工程设计中根据热泵机组的出口水温设计合适的地埋管系统。3.5.2运行方式的影响在实际状态中，由于室外气象参数和室内空调负荷发生变化，导致热泵主机的启停以及运行状态不同，在这种条件下，土壤源热泵地埋管换热器换热负荷也是动态的，表现出不同的运行方式。在间歇运行方式下，地埋管换热器周围土壤有一定时间的恢复期，其传热特性较长期连续运行有其自身的特点，地埋管换热性能也不同。图4为不同运行方式地埋管单位井深换热量随时间变化的情况。实验过程中以间歇运行工况先运行72h，地埋管进水温度控制在(35±0.5)°C范围内，接着停止运行72h,再继续运行72h，此时地埋管进水温度控制在(35±0.5)°C范围内，后72h运行中地埋管进水温度控制在(35±0.5)°C范围内。运行时管内流速均为0.628m/s(流量为1200L/h)，土壤初始温度均为17C，钻井深度为40m,埋设单U型管。图4不同运行方式下的单位井深换热量从图4可以看出，在不同运行方式下地埋管换热器单位井深换热量随时间变化逐渐变小。在初始阶段，两种运行方式下的进水温度、流量相同，单位井深换热量变化一致。运行72小时后分成两种方式进行，一种是连续运行，但进水温度从35°C改变为30°C,地埋管内流体继续与周围土壤换热；另一种是间歇运行,地埋管内流体停止运行72h,埋管内流体温度依靠与周围土壤导热来排热，而周围则在此段时间内与其临近的土壤进行热交换，以减小管内流体流动时地埋管排出的大量堆积热量，降低埋管周围土壤自身温度，以利于下一个72h的换热。对于相同的地埋管流量、同一钻井深度，两种运行方式下地埋管换热能力趋于平缓时单位井深换热量分别为54.8W/m和40.9W/m，间歇运行高于连续运行33.9%，可见，采用间歇运行模式可以有效地提高地埋管的换热能力。此外，同济大学针对土壤源热泵冬季工况启动特性进行了实验研究。结果表明，土壤源热泵的冬季启动时间比夏季的短，仅为4—5h。实测获得了单位钻孔长的取热率为40—60W/m，可作为设计参考依据。分析了土壤源热泵冬季制热工况的系统COP值和压缩机COP值，指出要获得好的节能效果，必须优化系统,减少循环泵和风机等的能耗。东南大学（杨卫波）和扬州大学（施明恒，陈振乾）在已建成的太阳能地热能综合利用多功能热泵试验台上对土壤源热泵供冷供热运行特性进行了实验研究。结果表明：实验土壤源热泵夏冬季运行的启动时间分别为8—9h和1Oh,其对应的单位长度埋管放热量与吸热量分别为46与24.6W/m，钻孔平均导热系数分别为3.4与4.95W/（m・°C）。同时，根据建筑负荷特性，采用可控间断运行方式，通过合理调节开停机时间比例，可以在满足建筑负荷要求的前提下，减缓埋管周围土壤温度随时间的变化率，提高单位埋管的换热能力,从而更有利于提咼浅层地热能的利用效率。四•地下水源热泵4・1简介以地下水为热源或冷源的水源热泵有两种形式：一是开式环路，二是闭式环路。所谓开式系统就是通过潜水泵将抽取的地下水直接送入热泵机组。这种形式的系统管路连接简单，初投资低，但由于地下水含杂质较多，当热泵机组采用

板式换热器时，设备容易堵塞。另外，由于地下水所含的成分较复杂，易对管路及设备产生腐蚀和结垢，因此，在采用开式系统时，应采取相应的措施。所谓闭式系统就是通过一个板式换热器将地下水和建筑物内的水系统隔绝开来。膨胀阀压缩机井曲膨胀阀压缩机井曲图5地下水源热泵系统示意图4・2水源热泵的特点水源热泵的优点主要有以下几个方面。（1）高效节能夏季，由于地下水的温度远低于室外空气温度，因此可降低制冷循环的冷凝温度；冬季，由于地下水的温度远高于室外空气温度，因此可提高制冷循环的蒸发温度，所以热泵的性能系数大大提高，一般它比空气源热泵可节约20%—30%的运行费用。（2） 运行稳定可靠地下水的温度一年四季相对稳定，能够保证热泵机组更可靠稳定的运行。（3） 一机多用，应用范围广水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有明显的优点，即减少了设备的初投资。水源热泵不仅能够应用于宾馆，商场等商业建筑，更适合于别墅住宅的采暖空调。水源热泵虽有很多优点，但是由于它存在地下水回灌等问题而影响其作用。因此，只有在获取地下水资源的准确资料前提下，正确的进行地下水系统设计，

才能保证系统长期的正常运行，达到节能环保的目的。4・3国内针对地下水源热泵的一些研究河南省地质调查院（田良河）对地下水源热泵系统布井方案进行分析。他以郑州市儿童医院地下水源热泵系统为例，基于实际水文地质条件和井结构建立了三维地下水热耦合数值模型，并运用实际水位、水温观测资料对模型进行了校正;在此基础上，模拟分析了有区域流场存在的条件下，细颗粒含水层地区不同布井方案下低温场的变化特征，提出了最佳布井方案。实验结果表明：（1）一抽两灌模式下，选择直线型布井，抽灌井连线平行于天然水利坡度由抽水井指向回灌井的方式效果最好，抽水井温度受回灌井影响最小。（2）直线型布井所占用场地较大，当场地因素占主导地位时，可考虑采用折线形布井方式，天然水利坡度方向由抽水井指向回灌井，两水回灌井位于抽水井一侧。（3）在天然水力坡度和热泵系统的共同作用下，径向地温度场分布在水利坡度指向上的范围要明显大于垂直水力坡度方向，在同一地区的多工程建设中需要注意这一问题，避免多工程之间的相互影响。钢管护套、一倪龙，马最良，孙丽颖进行了同井回灌地下水源热泵热力特性分析钢管护套、一廿氐 从换热器来二£二7—去换热器…厂 X/•/顶板岩上层冋水井抽水歸zKr :运卜含水层匸冋水井抽水歸zKr :运卜含水层匸图6同井回灌热力示意图该抽灌同井内含有一套管，从换热器来的水进入套管外管，通过回水井网回灌回含水层，与含水层换热；同时，含水层中的地下水经过抽水井网由潜水泵加压后由套管内管进入换热器，抽水井网与回灌井网之间有一隔断，避免回水直接进入抽水部分，产生较大的热贯通，抽水和回灌在含水层同一径向位置不同深度位置处同时发生，使同井回灌地下水源热泵较异井回灌地下水水源热泵更易发生热贯通。抽水温度的变化:同一含水层中同井回灌地下水源热泵的回水一部分经过渗透进入抽水口是不可避免的，这样就会出现热贯通，热贯通的强弱决定了系统的成败。因此，在使用同井回灌地下水源热泵时更加关注抽水温度随时间的变化。图7同井回灌地下水源热泵抽水平均温度的变化由图可以看出，抽水平均温度随热泵运行时间的延长而逐渐降低，但变化速率随着热泵运行时间的加长有所减小，抽水温度每降低1°C所用的时间更长。经过一个冬季的制热运行，抽水平均温度降低了3.6C。由于对流和热弥散的存在,同井回灌地下水源热泵热影响范围达到了74m。因此，对于地下水初温在13C以上的地区，同井回灌地下水源热泵是适宜的，较大的热影响范围也使得单口抽灌同井具有承担大负荷的能力。此外，张群力，王晋结合地源热泵和地下水源热泵的工程实例详细的介绍了该项技术在应用过程中遇到的问题和解决的方法。上海交通大学的邬小波分析了地下含水层储能和地下水源热泵系统中地下水回路与回灌技术现状。他指出解决地下水回灌的堵塞问题是地下含水层储能和地下水源热泵技术得