地源热泵系统设计方案

地源热泵系统

什么是地源热泵

地源热泵是一种利用地表或地下浅层地热等低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现既能供热又能制冷、低位热能向高位热能转移的一种技术。

地源热泵研究背景

1、地热能研究现状

近年来，随着我国现代化建设步伐的加快，人民生活水平的提高，能源材料涨价，楼宇、居住建筑在城市建筑中迅速兴建，供暖、空调作为人们追求舒适性的必备工具，已经在我国普遍使用。然而，随着空调设备使用的日益广泛，一直困扰人们的能源问题、环保问题也日益突出。因此，增加可再生新能源利用比例以及减少环境污染成为人们关注的重要课题。

土壤是一个庞大的蓄热(冷)体，其部蕴藏着巨大的地热能，传统意义上的地热能可以归为深层地热能，其能量的来源主要是地球蕴藏着由放射性物质热蜕变等原因所产生的巨大热能。严格地说，深层地热能是不可再生的。在对地热能的开发研究过程中，人们开始意识到一种蕴藏在地表浅层的浅层地热能，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。因此，浅层地热能是真正意义的可再生能源。

为此，一些发达国家如美国、中北欧国家开始关注浅层地热能，美国对于开发浅层地热能的力度最大，几乎占据了地热能直接利用的一半。世界上许多国家不同温度值的浅层地热能储量相当丰富，然而过去这些低焓资源并没有得到充分的利用。随着环保意识的增强以及地源热泵技术的发展，开发浅层地热能已势在必行。

2、地源热泵应用现状与前景

地源热泵已被认为是有效利用浅层地热能的节能装置之一，它其实就是把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，使其与土壤进行热交换，或是通过中间介质（通常是水）作为冷热载体，并使中间介质在封闭环路过土壤循环流动，从而实现与土壤进行热交换的目的。其原理见图1-1。

地源热泵真正意义上的商业应用也只有二十年的历史。尤其是近十年来，地源热泵系统在北美如美国、加拿大以及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展。如美国，到1985年为止全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到目前为止共安装了40万台，而且每年在以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中在新建建筑中占30%。美国正计划达到每年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放100万吨，相当于减少50万辆汽车

图1-1 地源热泵系统示

的污染物排放或种植树木100万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元。

中国的地源热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好，越来越多的用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。近几年来在、、、、、、、、及等地，已有几千个地源热泵工程在实际应用，供热/空调面积达几百余万平方米。与传统空调系统相比，地源热泵系统在运行费用(主要包括能耗费用和维护费用)方面有较大优势。如在商业应用中，使用地源热泵的年均能耗折算成美元为10.44$/m2，而传统空调的相应值为12.59$/m2，节能达到17%。地源热泵之所以能够如此显著地降低能耗，是由于地源热泵的热源（土壤）较传统空调系统的热源（空气）具有明显优势：土壤深度5-10m以下温度稳定且约等于当地全年平均温度，可以为热泵分别在夏、冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度；埋管换热器不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗。在维护费用方面，地源热泵的优势也较明显。表1-2中将地源热泵与传统空气源热泵系统的维护费用进行了比较。可以看出，即使是地源热泵最不具优势的运营方式(由外部承包商负责维护)，也比传统的最具优势的分体式空气源热泵的年均维护费用低22.8%。若将地源热泵在能耗方面节约费用17%计算在，则地源热泵平均可比传统空调系统降低运行费用近40%。

表1-2 地源热泵与传统空气源热泵系统年均维护费用比较单位：10-2$/ft2

由于在全世界围要比以往更加关注能源、环境与可持续发展之间的关系，并且我国由于以燃煤为主的能源结构已经造成了极为严重的大气污染。

因此，要实现经济的可持续发展，必须尽可能多地利用清洁的可再生能源，同时加大节能的力度，而冬季供暖、夏季制冷的地源热泵系统是一个很好的选择。

3、埋管换热器传热理论研究现状

从上世纪70年代末开始，随着对地源热泵的研究逐渐活跃，欧美等国的实验室和研究机构对埋地换热器的地下换热过程开始了较大规模的研究，建立起了相应的数学模型并进行数值仿真，研究成果反映在J.E Bose和J.

D Parker、P.D Metz及V.C Mei等人的论文和研究报告中。

20世纪90年代以来，国外对埋管换热器的研究热点依然集中在换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与换热器匹配和安装布置技术等方面。与前一阶段研究简单的传热模型不同，研究者更多地关注相互藕合的传热、传质，以便更好地模拟埋管换热器的真实换热状况，指导实际应用；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，以强化埋管在土壤中的传热过程，从而降低系统用于安装埋管的初投资；为进一步优化系统，开始研究有关埋管换热器与热泵装置的最佳匹配参数。国际最新研究动态表明，有关埋管换热器的传热强化、地源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究都是土壤源热泵发展的核心技术课题，也是涉及多个基础学科领域且极具挑战性的研究工作。

国对埋管换热器传热理论方面的研究明显滞后于实验研究，主要成果有：大学结合能量守恒定律，采用V.C.Mei三维瞬态远边界传热模型为理论基础，建立了地下埋管换热器的传热模型，对运行期和过渡期进行模拟，其计算结果与实测值均较吻合；建工学院芃等人建立了U型竖埋管周围土壤温度场的二维非稳态传热模型，计算结果与实测值吻合较好，并计算得到了U 型埋管换热器的热作用半径；同济大学旭等人建立了一维非稳态传热模型；建工学院曾和义等人对埋管换热器传热模型进行了深入的研究，提出了U 型埋管换热器中介质轴向温度的数学模型。

归纳国外对埋管换热器的传热理论研究有如下几个特点：

（1）研究方法以现场测试为主，理论分析为辅；

（2）换热器传热模型过于简化，U型埋管换热器常常简化为一个当量

的单管；

（3）忽略土壤深度方向温度的影响，土壤传热过程往往被视为纯导热过程，没有考虑土壤的热湿迁移过程。

4、我公司对地下换热器的研究

我公司利用前期理论研究的成果，在对U型管桩埋换热器进行长期实验研究的基础上，着重研究土壤层U型管桩埋换热器的传热规律。

具体研究容有：

1）简单阐述三种传热模型的特点，并进行比较，指出完善传热模型的思路；

2）引入埋管管脚热影响因子，分别对土壤层U型埋管换热器的稳态和非稳态传热过程进行研究；

3）结合工程应用实例，模拟计算U型管桩埋换热器的传热规律，重点计算不同参数下U型管桩埋换热器的传热性能，以及各参数对换热器传热性能的影响，得到U型管桩埋换热器周围土壤的温度变化规律及换热器热输出与出口温度的变化规律；

4）得出了U型管桩埋换热器周围土壤热湿迁移过程；

5）实验研究方面包括：对U型管桩埋换热器进行长期期实验研究，研究U型管桩埋换热器热输出和出口温度变化规律，以及换热器短期连续运行对周围土壤温度的影响，实验验证一些主要参数如埋管水流量、进口水温、回填材料对埋管换热器换热性能的影响。