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1、可再生能源 地源热泵 1.地热资源的利用 2.土壤热源热泵系统（GSHP）综述 3.土壤有效导热系数的研究及热响应实验 4.土壤热源热泵系统地埋管换热器放热量实验 5.GSHP系统设计 6.上海天邻别墅GSHP系统分析 7.大规模地源热泵土壤温度变化模拟 8.国内GSHP系统工程应用 地热资源的利用 目前，建筑节能开展得如火如荼，地源热泵系统作为一种可再生能源系统，正 受到前所未有的重视。 中华人民共和国可再生能源法已由中华人民共和国第十届全国人民代表大 会常务委员会第十四次会议于2005年2月28日通过，现予公布，自2006年1月1 日起施行。 GSHP 系统综述 GSHP系统术语 GSHP
2、系统类型 GSHP系统与常规家用空调系统的比较 GSHP系统的优点 GSHP系统的关键技术 大地初始温度场分布 埋地换热器传热数学模型 GSHP 系统综述 地源热泵系统 (GSHP) 土壤耦合热泵系统 (GCHP) 地下水热泵系统 (GWHP) 地表水热泵系统 (SWHP) GSHP系统 供热模式 GSHP系统 制冷模式 系统比较 常规家用空调系统 GSHP的优点 v低运行费用，比传统空调系统节能2550 v多余过热蒸汽经减温装置，夏季向用户提供 免费热水，冬季热水加热的费用减半 v低噪声，运行安静 v不受室外温度波动影响，高效，运行稳定 v对环境影响小，绿色环保 v提供优质的室内热舒适环境
3、v低维护费用,为传统空调系统的1/3 v用于区域供热、供冷，调节性高 v经久耐用，寿命可达20年以上 v结构紧凑，无外挂设备，美观大方 GSHP系统的关键技术 埋地换热器传热模型的研究 回填材料的研发 土壤热源热泵系统的合理配置 土壤热物性的研究 大地初始温度场分布 埋地换热器传热数学模型 根据拉氏变换可得温度解析解 t=960h 不同土柱半径处土壤温度 土壤有效导热系数研究 土壤有效导热系数试验研究（19961997） 土壤有效导热系数的分形研究（20022003） 土壤有效导热系数的试验研究 土壤有效导热的一般表述 含水率 密度 饱和度 土温 t 空隙比 e 探针测量试验原理 1. 加热器
4、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， 是单位长度探针的热容量。 是单位长度探针单位时间的发热量。 根据拉氏变换可得探针的过余温度 土壤有效导热系数的试验研究 Fig.1 土Fig.2 砂 Fig.4 土砂比2：1 Fig.3 土砂比1：2 土壤有效导热系数的分形研究 Section Plane of Soil Sample 1Section Plane of Soil Sample 2 剖面固体颗粒分布分维 面积测量尺度 固体颗粒面积 无标度空间 土壤样品1：10
5、-6mm24mm2 土壤样品2：10-3mm2100mm2 土壤剖面上固体颗粒分布自相似规律 土壤样品1自相似分布规律土壤样品2自相似分布规律 土壤样品粒径分布自相似规律 土壤样品1 粒径分布规律 土壤样品2粒径分布规律 土壤结构的分形模型 土壤微结构空间分布微结构分形模型 土壤样品有效导热系数的分形表述 土壤样品1 土壤样品2 土壤样品 1 土壤样品 2 土壤样品有效导热系数数据比较 样品1 试验数据 分形计算数据 样品2 试验数据 分形计算数据 热响应实验 热响应实验的理论基础是开尔文 的线源理论，以下公式描述了线 源理论，热响应实验就是在此公 式基础上进行土壤热参数计算的 热响应实验原理
6、图如右图所示 热响应实验设备的原理就是一个 闭式的加热设备，通过地下换热 器给土壤加热，并记录相关温度 数据，根据所收集数据通过专业 数据分析软件进行数据分析从而 得到导热系数等参数。 o地 下 换 热 器 o实验设备 o电 源 o数据采集 o加 热 热响应实验 热响应实验装置外观图 热响应实验数据处理软件 地埋管换热器放热量实验 本实验所处地点为同济大学文 远楼，原理图如右图所示 1单U型地埋管； 2恒温水箱； 3电加热器1； 4电加热器2； 5球阀； 6水泵； 7止回阀； 8铂电阻温度计； 9水表； 10潜水泵； 11Y型过滤器。 某地源热泵地埋管换热 器试验原理图 地埋管换热器放热量实验
7、 对于特定的地埋管换热器，在保持其他量不变的情况下 ，单位井深放热量随着供水温度的提高而增大，通过最 小二乘法拟合可以得到单位井深放热量随供水温度的变 化关系式为：y = 217.26Ln(x)743.29 式中，y为单位井深放热量，w/m井深；x为供水温度， 。 GSHP系统设计 GSHP系统设计基础资料 空调系统的冷热负荷 室内空调设备的选择 室内空调系统的设计 GSHP系统的选择和设计步骤 GCHP系统地下换热器设计 GSHP系统设计基础资料 总平面的水文地质、地表情况 地质和水文地质的成分调查报告 地表水应用调查报告 地下水系统试验井的调查报告 垂直地下换热器系统试验孔调查报告 水平地
8、下换热器试验坑调查报告 监视井 水的质量 空调冷热负荷 分区负荷 高峰负荷用于地下换热器设计 平均负荷 总能耗计算 Degree day法 Bin法 Hour by hour法 DeST 负荷频率表 地下负荷 室内空调设备的选择 水空气水源热泵机组 GCHP系统使用 GWHP和SWHP系统使用 美国制冷学会（ARI）的水空气热泵标准 GCHP系统的选择 考虑地下换热器所需的地表面积 考虑地下管道的承压 立式热交换器一般限制在六层以下 水平系统考虑占地面积 混合式GCHP系统（附加冷却塔） 游乐场、草地、停车场可设置地下换热器 管道要保温（管路温度高于7.210除外） 北方地区系统需加抗冻剂溶液
9、 美国GSHP系统的水温要求 GCHP系统设计步骤 决定地下性质（钻试验孔洞） 确定管道管径、尺寸、孔洞分析、回填 计算所需孔洞长度及布置孔洞 设计外部集管 系统的阻力计算及水泵的选择 设计清洁系统 GCHP系统地下换热器设计 地下换热器埋管形式 竖直埋管、水平埋管 管路连接方式 串连、并联流动 同程、异程 地下热交换器的组成 供回集管、环路、同程回流管、U型弯管 塑料管的选择 塑料管材PE 、PB GCHP系统地下换热器设计 塑料管尺寸 PE3408 SDR11 PE3408 SCH40 PB2110 SDR13.5 PB2110 SDR17 塑料管直径的选择 管道要大到足够保持最小输送功率
10、 管道要小到管内流动为紊流 内径小于50mm，管内流速0.61.2m/s 内径大于50mm，管内流速小于1.8m/s 地下换热器换热量地下负荷 地下换热器长度 单位管长换热量3555W/m 同济大学试验单位管长换热量4060W/m GCHP系统地下换热器设计 地下换热器的钻孔数 钻孔间距相邻孔洞最小间距4. 5m 地下换热器的孔深 根据钻孔数确定，一般为4090m 地下换热器阻力计算 沿程阻力 局部阻力采用当量尺度法 地下换热器环路水泵选型 地下换热器水管承压能力校核 水系统其他装置设计 空调系统全年运行能耗分析 BIN 参数 全年动态负荷计算 GSHP系统全年运行能耗计算 热泵机组的能耗 埋
11、地换热器侧循环水泵能耗 室内侧冷冻水循环水泵能耗 空调末端设备能耗 ASHP系统全年运行能耗计算 风冷热泵机组能耗 风侧换热器风机能耗 冬季除霜能耗 室内侧冷冻水循环水泵能耗 空调末端设备能耗 vGSHP ASHP系统负荷侧能耗相同忽略不计 上海地区2间隔24小时运行BIN参数 BIN -6-4-202468101214 hours（h） 12 76 168 351 524 486 440 498 521 478 428 wet bulb temperatur e（） -6.3 -5.1 -3.3 -1.6 0.1 1.8 3.8 6.2 8.2 10.011.5 BIN 1618202224
12、262830323436 hours（h）499 589 613 616 537 718 587 36 192 77 14 wet bulb temperatur e（） 13.6 15.517.6 19 21.4 23.8 25.0 25.8 26.4 27.0 27.4 天邻别墅全年动态负荷计算 GSHP系统全年运行能耗分析 ASHP系统能耗分析 埋地换热器内部温度分布 埋地换热器内部温 度模拟如图所示， 可以看出管间距对 温度变化的影响， 上图为间距52mm ，下图间距72mm ，为了防止供回水 管间的热干扰，管 间距应选择适宜长 度。 土壤源热泵管群的模拟结果 间距4m 温升0.401
13、 间距3m 温升0.712 间距2m 温升1.413 大规模土壤源热泵管群，由于其埋管布置密集，在中心区域会造成 土壤的热堆积，土壤温度的升高如果不能得到及时的恢复，将对换 热性能造成很大影响，所以，对热泵管群的模拟显得尤为重要。 模拟了不同管间距经过一年后的土壤温度变化。选取点为中心最不利点 。 桩基式管群模拟 目前，工程中出现了利用建筑现有桩基埋设换热器的实例。在工程桩中埋设换 热器，可以减少系统的初投资，使地源热泵能够得到更普遍的使用。 土壤源换热器埋管方式土壤源换热器埋管方式 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 换热器 土壤源换热器埋管方式土壤源换热器埋管方
14、式 武昌对工程桩内埋设大直径螺旋盘 管换热器和W型换热器的形式进行多次试 验，埋设W型换热器一次试验成功，两次 埋设大直径螺旋盘管换热器的试验均失 败，分析失败原因主要是试验桩深45m， 存在桩位偏差，工程桩在放下导管和用 导管捣固混凝土时极易撞断捆扎在钢筋 网架内侧的HDPE100塑料管，虽然设计考 虑了在钢筋网架内设置井字型导管舱保 护塑料管，但吊装20m钢筋网架易变形， 且旋喷钻孔桩成孔速度快，泥浆护壁质 量不高，易造成塌孔，强行放下的钢筋 网架内的导管舱中心存在偏差，造成导 管放下失败。故工程桩内埋设换热器设 计采用W型换热器。 桩基式地源热泵土壤温度年变化 桩基式地源热泵土壤温度年变
15、化 桩基式地源热泵土壤温度年变化 管群中心区 域热堆积较 显著，模拟 单管换热量 为50W/m 的情况，经 过一年的运 行，温度升 高为1.3度 左右。 模拟土壤温度测点布置图 桩基式地源热泵土壤温度年变化 红色为距离换 热器最近点其温 度波动随水温的 变化波动最大； 黑色为距离换热 器最远点其温度 变化滞后于水温 变化 国内土壤源换热器试验研究国内土壤源换热器试验研究 武昌某工地测试井研究武昌某工地测试井研究 杭州某工地测试井研究杭州某工地测试井研究 武昌站某工地测试井研究武昌站某工地测试井研究 南京朗诗国际街区测试井研究南京朗诗国际街区测试井研究 土壤源换热器试验研究土壤源换热器试验研究 武昌某工地测试井研究武昌某工地测试井研究 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 m105110 垂直管总长度 m210440 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400mm500mm PE 管外径 mm2525 内径 mm2020 连接管距离 m2045 连接管总长度 m4090 保温材料橡树保温套, 厚度20mm 土壤源换热器试验研究土壤源换热器试验研
