地源热泵耦合地埋管换热计算若干问题的研究
土壤源热泵地埋管换热实验研究
分 析 地埋 管 的换热 能力 。
资料 。根据 有 关理 论求 取单 位长 度换 热量 的准 确
行 性能和经济性 。 关键 词：土壤源热泵 ；地 埋管；单位井深换热量
中 图分 类号 ：Ｔ ０ １ Ｑ ５． ５ 文献标识码：Ａ 文 章 编 号 ： １ ７ —０ ７２０ ）３０ ５ —５ ６ ２７ ３ （０ ８０ —１ ７０
对 于土 壤源 热泵 系统 设计 而言 ，地埋 管 换热
量 一般 很难 获 得详 细 的地 质 结构 和 土壤 热 物性 Ｊ
管换 热 器建 立土 壤源 热 泵系 统实 验 台架 ，用于 土
壤源 热 泵运行 时整个 系统 性 能和 独立 地埋 管换 热 性 能试验 。整 套 实验 装 置和测 试 系统 详细 情况 参
阅文 献 ［，】 ８９。冷 热源 中 的较 高温 度 （ 季 ）或较 夏 低温 度 （ 冬季 ）的循环 水 ，在 循环 水泵 驱 动下 流
行 方式 对 单 位 井 深换 热 量 的 影 响 。实 验 表 明 ，提 高 进 水 温 度 、流 量 、钻 井 深度 以及 选 择 合 适 的埋 管 类 型 可 增 强地 埋 管换 热 能 力 ，间 歇 运 行 方 式 能 够 最 大 程 度 利 用 土 壤 蓄 能 特 性 ，使地 埋 管 始 终 能 够 高 效 换 热 ，相 比连 续 运 行 提 高 了 ３ ．％，但 进 水 温 度 、流 量 和 钻 井 深度 不 能 无 限 增 大 ，其 大 小 的选 择 需 要 考 虑 土 壤 源 热 泵 主 机 运 ３９
地源热泵地埋管换热器传热强化研究分析
地源热泵地埋管换热器传热强化研究综述摘要：根据地源热泵的技术特点以及地埋管换热器的传热特点，表明地埋管换热器与周围土壤间的传热强化是地源热泵系统研究的主要问题之一。
本文将详细介绍了加强地埋管换热器传热的国内外研究成果及研究进展，并在此背景下表明加强地埋管换热器传热有待解决的关键性问题。
关键词：地源热泵、地埋管换热器、传热强化1 前言建筑节能已然成为国家能源战略的一个关键组成部分。
浅层地热能作为建筑空调的冷热源提供者之一，为实现建筑节能提供的新的途径。
地源热泵作为利用浅层地热能的技术手段，具有高效节能、运营成本低、环境效益优异、技术手段多样化等优点，得到广泛应用，其前景非常广阔。
地埋管换热器作为地源热泵系统的核心部件，是与土壤间进行换热的唯一设备。
衡量地源热泵系统的运行效率关键在于地埋管换热器的换热性能。
所以，加强地埋管换热器的传热是提高地源热泵系统运行效率的关键方法。
2 影响地埋管换热的因素地埋管换热器的传热是一个十分复杂的非稳态过程[1]。
地埋管敷设方式、土壤特性、地下水文参数、钻孔相关参数、钻孔回填材料以及地面气象参数都影响着换热器的传热过程。
埋管方式主要有水平埋管和垂直埋管两类，由于水平埋管所占场地面积很大，并且其传热过程受地表温度及大气温度影响较大，所以，实际中往往应用垂直埋管方式。
土壤特性即岩土综合热物性参数及岩土初始平均温度，是地源热泵系统设计和研究过程中的初始参数，直接决定了地埋管换热器的深度、所占场地面积及运行参数。
岩土综合热物性参数主要包括土壤综合导热系数、综合比热容等。
对于某一特定区域而言，岩土的热物性参数和初始平均温度是一定的。
地下水文参数一般指有无地下水渗流。
由于地埋管与土壤的换热过程涉及饱和与非饱和土壤的传热，地下水渗流会及时带走地下土壤中累积的冷热量，影响了地埋管换热器的换热能力，从而影响到整个换热器的长期性能[2]。
钻孔相关参数主要包含钻孔孔径、钻孔间距、钻孔布置形式等，其直接影响地埋管换热器的换热性能。
地源热泵室外地埋管系统冷热不均衡问题解决方案
地源热泵室外地埋管系统冷热不均衡问题解决方案一、冬夏季地下换热量计算：夏季向土壤中排放的热量Q1·= 597KW×（1+1÷5.15) -597KW×（1-1÷3.98)=713-378=335KW冬季从土壤中吸收的热量Q2·= 505KW×（1-1÷3.98)×2=756KW二、埋管孔数计算：冬季地埋管打孔数，口N2=756÷(40×0.045)=420口三、占地面积估算地埋管间距按四米计算，S=420×42=6720m2四、全年冷热不平衡校核计算整个制冷期向土壤排放的总热量：φ1=335KW×18×0.8小时×120×0.9天=整个制热期从土壤吸收的总热量：φ2=756KW×18×0.8小时×120×0.9天=冷热不平衡率U=φ1/φ2=0.443冷热不平衡率取值在0.8—1.15之间，则无需对地埋管系统进行地下温度场的冷热不平衡处理。
冷热不平衡率U＜0.8或＞1.15，则需对地埋管系统进行地下温度场的冷热不平衡处理。
说明：（以机组夏季运行120天、夏季运行120天、每天运行18个小时），空调全负荷使用系数见计算公式，我们按中原地区的气候条件,夏季制冷期为120天(6月1日—9月30日),冬季采暖期为120天(11月15日—3月15日),开动系数(制冷或采暖期内系统的开动天数比率)估算为0.90,主机使用系数为0.8[每天18小时运行,其计算依据是1/(0.17/A+0.39/B+0.33/C+0.11/D),其中A、B、C、D分别是在100%、75%、50%、25%负荷下运转的耗能量。
五、地埋管系统地下温度场的冷热不平衡处理1、冬季采用一台风冷热泵机组供应泳池热水；U=φ1/φ2=0.8862、夏季采用一台风冷热泵机组供应泳池热水；U=φ1/φ2=0.9433、冬季采用一台风冷热泵机组供应游泳馆空调；U=φ1/φ2=0.8864、安装锅炉对地埋系统补充热量:；按需调节5、屋顶布置太阳能，利用太阳能来实现地埋管系统地下温度场的冷热不平衡处理。
地源热泵垂直埋管换热器换热性能的实验研究
回填材料 、 布置形式等 ）地下水渗流等 。 、
本文针 对 以上工 程问题 ， 建 了地源 热泵砂箱 实 搭
验 台 ， 对不 同管 内流量 、 口水 温 的变化 对换 热 器 并 进
收稿 日期 ：０ ０ ｌ—２ ２ １一 １１ 作者简 介 ： 张鑫（ ９ ８ ， ， １ ８～）男 硕士研究生 ； 西安交通大学建筑节 能研究 中 ７０ ４ ）Ｅ— ｉ ｚ ａｇ ｉ． ａ＠ｓ ． ｔ． ｕｃ Ｇ（ １ ０ ９ ； ｍａｌ ｈｎ ｘｎｈ ｃ ｔ ｘ ｕｅ ． ： ｖ ｕｊ ｄ ｎ
关键 词 ： 地源热泵 影响因素 实验研究
Ｅ ｘｐｅｒｍ ｅｎｔ ｕ ｆＶ ｅｒ ｉ ａｌＢｏｒ ｉ ａｌＳｔ ｄｙ ｏ ｔｃ ｅｈｏｌ ｅａｔ ＥｘｃｈａｎｇｅｒｏｆＧＳＨ Ｐ ｅＨ
ＺＨ ＡＮＧ ｎ Ｗ ＡＮＧ ｅ ｇ ｈ ｏ， ＡＮ Ｇ ｉ— ｅ Ｆ Ｘｉ ， Ｆ ｎ —ａ Ｗ Ｘ ｎ ｋ ， ＥＮ Ｇ ｅ — ｈ ｎ， Ｉ Ｃｈ ｎ ｃ ｅ ＪＡＮ Ｇ Ｙｕ－ ｕ ｎ ｇ ａｇ Ｂｕｌ ｉ ｇＥｎｅｇ ｓ ａｃ ｎ ｅ ， ｉ ａ ｉｏ ｏ ｇＵ ｎｖ ｒｉ ｉ ｎ ｄ ｒ ｙＲｅ ｅ ｒ ｈＣｅ ｔｒ Ｘ ’ ｎＪａ ｔｎ ｉｅ ｓｔ ｙ
１ １ １ ｍ（ 宽× ） ．ｍｘ ．ｍｘ ． 长× 高 。箱体 中部（ Ａ— ５ ２ ６ 见 Ａ面 ） 埋设 长度为 ３ 外径为 ２ｍｍ 的复合 铝塑管 ， ｍ， ５ 埋管进 出 口与 电加热水箱相连 。为了模拟有地下水 渗流存 在 的地埋 管换热器 的工作环 境 ， 砂箱 上 、 下均设有 水 箱
的主要 因素有 ： 土壤的物理特性 （ 密度 、 比热 、 等 ） 湿度 、 管内工质流量 、 工质进 口温度 、 Ｌ 钻孑 的相关参数 （ 量 、 数
地源热泵地埋管换热影响因素的实验研究
１ 地层模拟装置 ： ） 采用 ０ ８ｍ×０ ８ｍ Ｘ１２ ｍ木质 箱体 ， ． ． ． 装 满 质量 比为 ２ １的土和砂混合 物模拟实 际的地层 ， ： 同时为 了减少
蠢
蕤 ６ ４
６ ２
热损失 ， 在箱体的顶部和底部用发泡橡 胶保温棉保温 。
２ 换热器模拟装 置 ： ） 模拟换热器 的埋 管采 用导热性 能好 的铜
醛 ６ ｏ
丧 ５ ８
蚌
５ ６ ５ ４
管， 内径为 ０ ５ｃ 外径 ０ ７ ｃ ． ｍ， ． ｍ。埋 管周 围填充实 验所需 的 回填
材料 。 ３ 换热 流体动力装 置 ： ） 进水温度 由 ５ １ ０ Ａ型超 级恒温 器提供 ， 操作方便 ， 控温精确 ； 内换热介质 流量 由转 子流量 计控 制 ； 环 管 循
４ 数据采集装置 ： ） 采用 Ａ ｉ ｎ ３９ ０ ｇ ｅｔ ４ ７ Ａ数据采集仪 ， ｌ 采集 间隔 为 １ ， 以达到 实 验采 集所 要 求 的速 度 和精 度 。铜一康 铜 （ ０Ｓ可 Ｔ 型） 热电耦作为测温元 件 ， 布置在 ｕ形 换热 管和换 热器周 围土壤 中。Ｕ形换 热管上布置 的测点 ， 主要测定埋管 内水温 的变化 。
注 ：一 手 动 调 节 阀 ；－ 流 量 计 ；一 电 加 热 水 箱 ；— 循 环 水 泵 ；一 ｌ ２ ３ ４ ５
温度传感器。连接设备的水管为 Ｐ Ｃ塑料管 ， Ｖ 要进行 管道保温
５ ． ｍ增 至 ７ ． ｍ。相应 的变化趋势如图 ３所示 。 ９ ８Ｗ／ ０ ２Ｗ／
图 １ 试验 台系统连接示意图
强化换热效果 就越 好。
２ 实验 结果 与分 析 ２ １ 回填 材料 导 热性 能对 Ｕ形埋 管换 热性 能的 影响 ．
地源热泵地下埋管换热性能及其影响因素研究
·24·
建筑热能通风空调
2009 年
式中：Q 为热泵的供热量，kWh；P 为热泵消耗的功量， kWh。
2.2.2 数据处理与分析
（1）工况一：连续 72 小时变流量运行 对工况一的单孔换热能力数据进行处理，结果如 图 4 所示。
（变）
（定）
q（W/m）
图 4 单孔换热能力
本实验中变流量设置是通过调节阀门实现的，在 变工况开始将流量变小，随着流量变小，流速变小，水 与岩土热交换的时间加长，换热效果较好，由图 4 可知 单孔换热能力在开始是逐渐变大的，最大到达 80 W/m，随着流量逐渐稳定，换热能力趋向一定值（30 W/m 左右）；与之相比，定流量换热能力趋向稳定，实 际测算值为 27W/m，曲线之所以在后部出现上升趋 势，是由于实验过程中膨胀水箱补水过程中有杂质进 入，同时循环管路系统有一定的结垢，最终导致水流 量变小，出现了类似调小流量泵系统的经济性取决于多种因素，不同地 区，不同地质条件，不同运行状态，不同能源结构及价 格等都将直接影响其经济性。根据国外的经验，地源 热泵比传统空调系统运行效率要高约 40%~60%，由于 地源热泵运行费用低，增加的初投资可在 3~7 年内收 回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低 于传统的空调系统[1]。
热泵系统地下换热器埋管模型理论与计算
低
温
建
筑
技
术
２０ Ｏ８年第 ６期（ 总第 １６期） ２
热 泵 系统 地 下换 热器 埋 管模 型理 论 与计 算
田 刚 李 晓东 ，
（． 滨工业大学建 １ 哈尔 筑设计研究院； 哈 永滨 １ ００２ 黑龙江省 ５ ９；． ０ 建筑设计研究院。 哈 尔滨 １ ０１ ５ ０） ０
体温度 。但 由于地下埋管的材质的传热 系数较小 ， 管壁 内沿 径 向存在温度梯度 ， 地下埋管 的外表 面温度 已不为 常数， 地 下埋管 内的导热 问题不应 为简单 的一维传热 问题而是二维
导 热 问题 。 大 地 表面 温 度 由于 受 到埋 设 的地 下 埋 管 的 影 响 ，
在处理这种复连通问题时 ， Ｋ 采用保形映射的方 法， 文 取
等因素的影响。 １ 模型的建立与求解 土壤源热泵研究 的许 多技术 问题要求对 地下埋管 的温 度场 和热流密度进行 比较精确 的分析 ， 特别是地下埋 管及其
（ ） 忽略地下埋管 内表 面与管 内介 质的换热热 阻 ， ３ 管 内介质温度与地下埋管内表面温度相等。 （ ） 计算 中的大气温度取 当地室外的计算平均温度。 ４ （ ） 忽略 由于土壤中水 分迁移而引起的热迁移。 ５
（ ） 土壤 是均匀 的 ， ２ 地下埋 管的管壁材质 常物性、 向 各
同性。
是合理地设 计土壤源热泵系统 、 顺利投产运行和管理 的重要 科学依据。模拟埋地换热 器的传热 过程主要 是模 拟地下埋 管及其邻域的土壤 温度场 。土壤源 热泵 中地 下水 平埋管是 浅埋构筑物 ， 管道的传热 过程及土壤 温度易受到各地 区气候
＝
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存在较大温度梯 度。土壤 温度必然 随着与地 下埋管的相 对 位置而不同。
地源热泵系统设计中若干问题
地源热泵系统设计中的若干问题探讨【摘要】随着我国能源紧张和环境污染加剧，节能减排和开发可再生新能源已迫在眉睫。
而建筑耗能占据主要部分。
因此，开发和利用节能、环保的地源热泵系统是解决我国能源与环境问题的重要途径之一。
本文主要对地源热泵系统设计中的问题进行探讨。
【关键词】地源热泵系统设计问题【 abstract 】 as for china’s nervous energy and environmental pollution worsening, energy conservation, emissions reduction and develop renewable new energy are imminent. however, the building occupies the main part of the energy consumption. therefore, the development and using of energy saving and environmental protection of ground source heat pump system is one of the important ways to solve china’s energy and environmental problems. this paper mainly talks of ground source heat pump system design of the issues.【 key words 】 ground source heat pump system, design, problem中图分类号：s611文献标识码：文章编号：前言我国建筑耗能大，是节能减排工作的重点方向，而土壤、地表水以及地下水体具有较大的蓄热能力，在冬季的时候其温度比室外平均气温高，在夏季时比室外平均气温低。
地埋管地源热泵水系统的若干问题研究
Ｂ
Ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｆ Ｓｏ ｍｅ Ｐｒ ｏ ｂｌ ｅ ｍｓ ａ ｂｏ ｕｔ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｓｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ Ｇｒ ｏ ｕｎ ｄ Ｃｏ ｕｐｌ ｅ ｄ Ｈｅ ａ ｔ Ｐｕｍｐ Ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ
Ｌ ｉ ａ ｏ Ｘｉ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ Ｌ ｕ Ｊ ｕ ｎ Ｋａ ｎ ｇ Ｓ ｈ ｉ ｍｉ ｎ Ｙ ａ ｎ ｇ Ｌ ｕ ｌ ｕ Ｈｕ ａ ｎ ｇ Ｊ ｕ ｎ ｊ ｉ ｅ
地源热泵系统设计中的若干问题探讨
地源热泵系统设计中的若干问题探讨摘要:地源热泵系统涉及多方面内容,以地埋管式为例,在设计的时候要着重考虑土壤的热响应、换热器长度等问题,同时设计的时候要兼顾土壤的冷热平衡,以确保系统的长期可靠运行。
关键词:地源热泵热响应换热器冷热平衡随着国民经济的高速发展,我国能源供需矛盾愈加突出,因此,我们国家十分重视能源的循环利用、绿色、环保。
而地源热泵技术作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术也越来越受到关注。
这项技术在欧美已经过长期的发展历程,有着成熟的理论和系统,但在我国却刚刚起步,在实际应用中仍然有一些问题需要加以深入研究和探讨。
1 地源热泵系统的工作原理及优势分析地源热泵系统是指以土壤、地下水和地表水作为热源,由地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物系统组成的供热、供冷空调系统。
在制热状态下,热泵机组通过地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量,传至冷凝器,冷凝器产生热水通过循环水泵送至空调末端设备对房间进行供暖。
在制冷状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,使其进行汽-液转化的循环将热泵机组排放的热量带走,由此产生的冷水,通过循环水泵系统送至空调末端,对室内空间进行供冷。
这种系统利用的是清洁能源,不会对自然界的能量系统造成不利影响,不会产生多余的碳排放,环保效果显著;并且,功能齐全,运行可靠,既可以用来供暖、也可以用来制冷,并且还能提供生活热水。
根据地热能交换系统形式的不同,地源热泵系统可以分为分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
其中,地埋管地源热泵系统由于对水环境扰动较小,应用的最为广泛,因此,我们接下来的分析将以地埋管地源热泵系统为主。
2 地源热泵系统设计中相关问题探讨2.1 土壤的热响应测试问题不同的地理位置,其土壤的导热系数也不相同,这会使得换热器的效果也存在着一定的差别。
因此,设计之前,必须首先要知道土壤的导热系数。
目前,确定土壤的导热系数有两种方法,即经验值估算法和热响应测试法。
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图 １ 地质条件及岩土体的情况 图
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刘秋新‘韩进 能 高春雪 孙建 ， ， ，
（． １ 中国地质大学 ， 武汉 ４ ０ ７ ； ２ 武汉科技大学 ， 汉 ４ ０７ ） ３０ ４ ． 武 ３ ００
摘要 ： 针对地质构造特点 ， 进行地 下一定深 度的温度场测试 ； 对耦合地埋管 的换 热设 计计算 中的若干问题进行
了研究 ； 在简化计算换热模型 的基础上 ， Ｅ ｃｌ 在 ｘｅ上用 Ｖ Ａ编写宏 功能 ， Ｂ 得到实用的地埋管换热 的工 程设计计算方
．
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低 温 与超 导
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Ｃｒｏ ＆ Ｓ ｐ ｒ ｏ ｄ ｙ． ｕ ｅｃ ｎ
、ｏ ． ６ Ｎｏ ５ １３ ，
第３ ６卷
第 ５期
地 源 热泵 耦 合 地埋 管 换 热计 算 若 干 问题 的研 究
Ｉ 弱 ２ ０８ ． ０６ ．
Ｔ ｒ ａｌ ｈｅ ｍ
Ｔ ｒ ｈｅ ｍａｌ
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２
１ ７
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６
ｓ ｌｃ ｉ￣ ｙ ｃ ａ ｌ ｙ
ｓ ｌｔ ｉ Ｆ
ｏ０ ５ ． ６２
法， 是一种工程易用的计算软件 。同时将这种计算方法应用到了一个 实际工程 中 ， 并对计算结 果进行 了验证 。
关键词 ： 地源热 泵 ； 温度场 ； 土壤换热器
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｅ ｉｎ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｏ ｒ ｕ ｄ —ｓ ｕ ｃ ｅ ｔｐ ｍ ｐ ｂ ｒｅ ｉ ｅ ｔ ｄ ｎ ｄ ｓ ｇ ａ ｃ ｌ ｔ ｆｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｆ ｒ ｇ ｏ ｎ － ｏ ｒ ｅ ｈ ａ ｕ ｏ ｕ ｉｄ ｐｐ ｓ
ｇ ｕ ｄｂ ｒ ｉ ｓａｄａ ｎ ｎｅｉ ａｃ ａ ｏ ｏｗ ｒ ｅｅａｑｉ ｄｂ ｓ ｇＶ ａｒ ｎ ｔｎｉ Ｅ ｃｌ ａｅ ｎｓ ｌ ｒ ｕｉ ｐ ｅ ｅｇ ｅｒ ｇｃ ｕ ｔ ｎｓｆ ａ ｗ ｒ ｃｕｒ ｙｕｉ Ｂ ｍ ｃｏｆ ｃ ｏ ｘｅ ｓ ｄｏ ｉ ｅ ｏ ｎ ｄ ｅ ｐ ｎ ｎ ｉ ｎ ｌ ｌｉ ｔ ｅ ｅ ｎ ｕ ｉ ｎ ｂ ｍｐ