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1、可再生能源地源热泵同济大学暖通空调及燃气研究所地热资源的利用土壤热源热泵系统（GSHP）综述土壤有效导热系数的研究及热响应实验土壤热源热泵系统地埋管换热器放热量实验 GSHP系统设计 上海天邻别墅GSHP系统分析大规模地源热泵土壤温度变化模拟国内GSHP系统工程应用地热资源的利用o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。o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oGSHP系统术语oGSHP系统类型oGSHP
2、系统与常规家用空调系统的比较oGSHP系统的优点oGSHP系统的关键技术o大地初始温度场分布o埋地换热器传热数学模型GSHP 系统综述o地源热泵系统 (GSHP)n土壤耦合热泵系统 (GCHP)n地下水热泵系统 (GWHP)n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2550v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v低维护费用,为传统空调系统的1/3v用于区
3、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o埋地换热器传热模型的研究 o回填材料的研发 o土壤热源热泵系统的合理配置 o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o土壤有效导热的一般表述n含水率n密度n饱和度n土温 tn空隙比 e探针测量试验原理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
4、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2：1Fig.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n土壤样品1：10-6mm24mm2 n土壤样品2：10-3mm2100mm2土壤剖面上固体颗粒分布自相似规
5、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o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 o热响应实验原理图如右图所示o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
6、，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o本实验所处地点为同济大 学文远楼，原理图如右图 所示o1单U型地埋管；o2恒温水箱；o3电加热器1；o4电加热器2；o5球阀；o6水泵；o7止回阀；o8铂电阻温度计；o9水表；o10潜水泵；o11Y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o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
7、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 o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oGSHP系统设计基础资料o空调系统的冷热负荷o室内空调设备的选择o室内空调系统的设计oGSHP系统的选择和设计步骤oGCHP系统地下换热器设计GSHP系统设计基础资料o总平面的水文地质、地表情况o地质和水文地质的成分调查报告o地表水应用调查报告o地下水系统试验井的调查报告o垂直地下换热器系统试验孔调查报告o水平地下换热器试验坑调查报告o监视井o水的质量空调冷热负荷o分区负荷o高峰负荷用于地下换热器设计o平均负荷o总能耗计算nDegre
8、e day法nBin法nHour by hour法nDeSTn负荷频率表o地下负荷室内空调设备的选择o水空气水源热泵机组nGCHP系统使用nGWHP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o考虑地下换热器所需的地表面积o考虑地下管道的承压 立式热交换器一般限制在六层以下o水平系统考虑占地面积o混合式GCHP系统（附加冷却塔）o游乐场、草地、停车场可设置地下换热器o管道要保温（管路温度高于7.210除外）o北方地区系统需加抗冻剂溶液美国GSHP系统的水温要求GCHP系统设计步骤o决定地下性质（钻试验孔洞）o确定管道管径、尺寸、孔洞分析、回填o计算所需孔洞长度及布
9、置孔洞o设计外部集管o系统的阻力计算及水泵的选择o设计清洁系统GCHP系统地下换热器设计o地下换热器埋管形式n竖直埋管、水平埋管o管路连接方式n串连、并联流动n同程、异程o地下热交换器的组成 供回集管、环路、同程回流管、U型弯管o塑料管的选择n塑料管材PE 、PBGCHP系统地下换热器设计n塑料管尺寸oPE3408 SDR11oPE3408 SCH40oPB2110 SDR13.5oPB2110 SDR17n塑料管直径的选择o管道要大到足够保持最小输送功率o管道要小到管内流动为紊流o内径小于50mm，管内流速0.61.2m/so内径大于50mm，管内流速小于1.8m/so地下换热器换热量地下负
10、荷o地下换热器长度n单位管长换热量3555W/mn同济大学试验单位管长换热量4060W/mGCHP系统地下换热器设计o地下换热器的钻孔数o钻孔间距相邻孔洞最小间距4. 5mo地下换热器的孔深n根据钻孔数确定，一般为4090mo地下换热器阻力计算n沿程阻力n局部阻力采用当量尺度法o地下换热器环路水泵选型o地下换热器水管承压能力校核o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n风冷热泵机组能耗n风侧换热器风机能耗n冬季除霜能耗室内侧
11、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 -6-4-202468101214hours（h） 12 76 168 351 524 486 440 498 521 478 428 wet bulb temperature（ ） -6.3 -5.1 -3.3 -1.6 0.1 1.8 3.8 6.2 8.2 10.011.5BIN 1618202224262830323436hours（h）499 589 613 616 537 718 587 36 192 77 14 wet bulb temperature（
12、） 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
13、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o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
14、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
15、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40
16、0mm500mm 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究武昌某工地测试井研究武昌某工地测试井研究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/hKW/m井深m3/hKW/m井深37.20.8815.158.437.360.8856.6872.81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 KW/m井深m3/h KW/m井深4.30.814.6414.30.8126.352.8试验研究
