地源热泵技术及其推广应用

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1、地埋管地源热泵技术集成及其推广应用方肇洪山东方亚地源热泵空调技术有限公司，山东建筑大学摘要本文综述了作者近年来在埋管式地源热泵技术方面的研究：改进和深化了现有的地热换热器传热模型，在国际上首次求得有关地热换热器传热的三个重要问题的解析解，并在此基础上开发了地热换热器设计和模拟计算软件“地热之星”；研制了测定深层岩土热物性的方法和仪器；开发了相关的施工技术、配件和设备；同时进行了地源热泵供热空调技术的工程应用和推广。实践表明，地源热泵系统是实现建筑供热和空调节能的有效和可行的技术。关键词建筑节能供热空调地源热泵地热换热器0引言建筑能耗可占到社会总能耗的25-30%，其中供热和空调是建筑

2、能耗中最主要的部分。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，大量SO2,NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体的排放已日益成为各国政府和公众关注的焦点。热泵就是能有效减少大气污染的供热和空调手段。采用热泵作为供热的手段可以利用低品位的环境能源，仅消耗部分电能提高其温度后对建筑供热，其能效比（供热量与消耗电能之比）可达3.5或更高，因此采用热泵技术对建筑供热具有显著的节能效果。传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。热泵能够实现夏季供冷和冬季供热两种工况。因此，作为空调系统的冷、热源，热泵系统得到了越来越广泛的应用。闭环的地源热泵空

3、调系统是以大地为冷源（或热源），通过中间介质（通常是水或防冻液）作为热载体在埋设于大地中的封闭环路中循环流动，从而实现与大地进行热量交换的目的，并进而通过热泵实现对建筑物的空调。相对于冬、夏季室外气温来讲，较深的地层中常年保持恒定的温度，冬暖夏凉。因此地源热泵可克服地下水源热泵可能浪费、污染地下水的缺陷，以及空气源热泵冬季天气越冷供热量越小的技术障碍，且效率大大提高。地源热泵空调系统与传统空调系统相比具有节能、运行费用低的优点，是实现可持续发展的绿色建筑的有效技术之一。近年来我国对地源热泵技术的研究与应用已成为建筑空调领域的一个热点，而且已相继建设了一批地源热泵的实际工程。山东建筑大

4、学地源热泵研究所和山东方亚地源热泵空调技术有限公司在消化吸收国外先进技术的基础上，坚持基础理论的研究创新和工程技术的开发应用并举的方针，在地源热泵领域不断探索，得到了国内外同行的认可。本文小结了我们在这方面的主要创新和成果。1.地热换热器传热理论及设计和模拟计算软件10地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。建立较为准确的地下传热模型是合理地设计地热换热器的前提。由于地下传热的复杂性，地热换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点和应用基础。地热换热器设计的基本目标是要保证在系统整个运行期内，循环液的温度保持在限定的范围内，以保证系统的性能达到设计要

5、求。对于地热换热器，其整个传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程，所涉及的时间尺度很长，空间区域很大。因此在工程实际应用的模型中通常都以钻孔壁为界，把所涉及的空间区域划分为钻孔以外的岩土部分和钻孔内部两部分，采用不同的简化假定分别进行分析。现有的设计手册和教科书中只能推荐以一维的线热源或圆柱模型为基础的半经验公式[1,2]。在我们近年来的研究中，突破了美国和欧洲研究者未能解决的障碍，导得了地热换热器的几个重要环节的二维或准三维传热问题的解析解[3,4]。由于取消有关的简化假设，提高了模型的精度；而且这些显式的函数关系式可以直接应用于地热换热器设计和模拟计算，使计算工作量大大减少。立足

6、于这些创新性的研究成果，我们开发了有自主知识产权的地热换热器设计和模拟计算软件“地热之星”，并已得到推广应用。1.1钻孔内的传热模型a单U型埋管b双U型埋管图1竖直U型埋管地热换热器示意图竖直U型埋管地热换热器通常有单U型管和双U型管两种形式，见图1所示。在美国通常采用单U型管的配置，而在某些欧洲国家则更多地采用双U型管的配置。这部分传热分析的核心，是要在给定传热量的条件下，通过由钻孔外传热模型得到的孔壁温度和钻孔内的热阻，确定流体介质的进出口温度。工程上采用的最简单的模型是把钻孔中U型管的两个或若干个支管简化为一个当量的单管，由此回避了U型埋管各支管与钻孔不同轴而带来的复杂问题，并

7、进而把钻孔内部的导热简化为一维导热。这些简化模型在几何条件上是不真实的，而且都没考虑流体温度沿程的变化，因此不能区分各个横截面上的传热量，而且忽略了U型管各支管中流体温度的不同而引起的热流“短路”现象。由于这种模型上的过度简化，至今未见到有在理论上探讨单U型管和双U型管这两种配置在技术和经济性方面的优劣的研究。我们在二维模型的基础上，进一步考虑流体温度在深度方向的变化以及轴向的对流换热量。首先由单U型管的钻孔的热平衡分析，求解了两支管的能量微分方程组，得到