（制冷及低温工程专业论文）地源热泵系统关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 本文对地源热泵系统的几个关键技术问题进行了研究。通过对大地有效导热 系数测试技术的研究，发现了单位埋深输入热量不同对导热系数测试产生了较大 影响，增幅高达2 8 ；随着单位埋深加热量的增大，u 形管供回水温度均升高， 平均水温升高，测试所得的大地有效导热系数增大。流量变化对大地有效导热系 数测试的影响比较小，流量增大，u 形管供回水的温差减小，但平均水温与原来 相比，变化很小，同时对流换热热阻在整个热阻中所占比重也比较小，因此流量 变化对测试结果的影响不是很大。在相同流量、相同单位埋深输入热量下，对注 入不同回填料的导热系数进行了测试比较，结果发现在回填料中加入砂的比例增 大可以提高导热系数。针对回填料与地层材料的匹配问题，编制了竖直地埋管热 阻计算程序。同时，针对目前工程中不认真用软件进行模拟计算，而是套用每单 位埋深的散热量( w m ) 来估算设计地埋管的管长的问题，通过一个实际工程用 常用的三种软件进行了计算模拟。通过g l h e p r 0 4 0 模拟了不同原始地温、不 同导热系数、不同孔间距对地埋管设计长度的影响，并计算了不同孔间距占用的 面积情况。在原始地温、基本负荷不变的情况下，随着导热系数的增大，埋管总 长度减少。因此，提高土壤有效导热系数，对于降低地源热泵的初投资，提高地 源热泵系统的应用具有重要意义。在导热系数、基本负荷不变的情况下，原始地 温由1 8 下降到1 6 ，埋管长度下降了5 0 0 0 多米，降幅达到1 2 以上。在冷 负荷大于热负荷的工程中，原始地温低的地方更适合做地埋管系统。在导热系数、 原始地温不变的情况下，埋管长度随着孔间距的增加有降低的趋势，但是占地面 积也在增加。因此在工程用地比较宽余时，适当增加地埋管孔间距可以降低地埋 管的设计长度，降低初成本。 关键词土壤源热泵系统；有效土壤导热系数；现场热反应实验技术；回填料； 地埋管设计； a b s t r a c t a b s t r a c t s e v e r a lk e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mw e r es t u d i e d i nt h i sp a p e r t h ei n - s i t ut e s t i n gt e c h n o l o g yf o r t h ee f f e c t i v eg r o u n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yw a sr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h ei n f l u e n c eo ft h eh e a ti n p u tw a t tp e rm e t e r d e p t ho fb o r e h o l eo n t h ee f f e c t i v eg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yw a sl a r g e i t s i n c r e a s i n gc o u l db ea b l et or e a c ht o2 8p e r c e n tw i t ht h ei n c r e a s i n go fh e a ti n p u tw a t t p e rm e t e rd e p t h o fb o r e h o l e s i n c et h ef l u i dt e m p e r a t u r e so fi n p u ta n do u t p u to ft h e v e r t i c a lu s h a p eg r o u n dh e a te x c h a n g e rw e r ei n c r e a s e da n dt h es l o p eo fa v e r a g ef l u i d t e m p e r a t u r ei n c r e a s e df o l l o w i n gt h ei n c r e a s i n go fh e a ti n p u tw a t tp e rm e t e rd e p t ho f b o r e h o l e ，s ot h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h eg r o u n du n d e rt e s ti n c r e a s e d s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo ft h ef l o wr a t eo nt h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yu n d e r t e s tw a sr e l a t i v e l ys m a l l t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u to f t h eu s h a p e dp i p ed e c r e a s e dw i t ht h ef l o wr a t ei n c r e a s i n g ，b u tt h ec h a n g eo ft h e a v e r a g ef l u i dt e m p e r a t u r ew a sv e r ys m a l l t h ep e r c e n to f t h ec o n v e c t i o nr e s i s t a n c ei n t h et o t a lr e s i s t a n c ew a sr e l a t i v e l ys m a l l t h ei n f l u e n c eo ft h ef l o wr a t eo nt h ee f f e c t i v e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yw a sn o tl a r g e t h i r d l y , t a l k i n ga b o u tt h eg r o u t i n gm a t e r i a l s ，t h e l a r g e rt h ep r o p o r t i o no f t h es a n da m o n gt h eg r o u t i n gm a t e r i a l s ，t h el a r g e rt h ee f f e c t i v e t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya tt h es a m ef l o wr a t ea n dt h es a m eh e a ti n p u tw a t tp e rm e t e r d e p t ho fb o r e h o l e f o u r t h l y , t h ep r o g r a mf o rc a l c u l a t i n gt h et h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h e v e r t i c a lu s h a p eg r o u n dh e a te x c h a n g e rw a sp r e p a r e df o rt h es t u d y i n go nt h e m a t c h i n gp r o b l e mb e t w e e nt h eg r o u t i n gm a t e r i a l s a n dt h eg e o l o g i cc o n d i t i o n s s e v e r a le x a m p l e sw e r es h o w ni nt h ep a p e r f i f t h l y , a b o u tt h ec o m p a r i s o n so ft h e s i m u l a t i o ns o f tw a r e sf o rt h eg r o u n dh e a te x c h a n g e r ，i nt h ec u r r e n t ，m a n yp r o j e c t sd i d n o td e s i g n e db yt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e ，b u te s t i m a t e db yt h ee x p e r i e n c et h a tt h eh e a t p e rb o r e h o l ed e p t h ( w m ) t h r e ek i n d so fs o f tw a r e sw e r ei n t r o d u c e dw h i c hw e r e u s e dt oc a l c u l a t ea n ds i m u l a t et h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mt h r o u g ha na c t u a l p r o j e c t u s i n gg l h e p r o4 0t h ed e s i g nl e n g t h so fp i p ea n dt h et e m p e r a t u r eo f g r o u n dw e r es i m u l a t e di nt h ed i f f e r e n ti n i t i a lt e m p e r a t u r e s ，d i f f e r e n te f f e c t i v et h e r m a l c o n d u c t i v i t y ，a n dd i f f e r e n tb o r e h o l es p a c i n g w i t ht h ei n c r e a s eo fe f f e c t i v et h e r m a l c o n d u c t i v i t y ，t h et o t a ll e n g t ho fp i p ew a sr e d u c e da tt h es a m ei n i t i a lt e m p e r a t u r ea n d h e a t i n g c o o l i n gl o a dh o u r - b y h o u r t h e r e f o r e ，r a i s i n gt h ee f f e c t i v eg r o u n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t y , t h ei n i t i a lc o s to fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mw o u l d b er e d u c e d a t t h es a m et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h es a m eh e a t i n g c o o l i n gl o a d ，t h ei n i t i a l t e m p e r a t u r ed r o p p e df r o m18 t o 16 t h ep i p el e n g t hd e c r e a s e dt o5 , 0 0 0m e t e r s i i 北京t 业大学t 学硕十学位论文 m o r e ，d r o p p i n gt o 12p e r c e n tm o r e i fc o o l i n gl o a do fap r o j e c tw a sl a r g e rt h a nt h e h e a t i n gl o a d t h i sp l a c ew h e r e t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ew a sl o ww o u l db em o r es u i t a b l e f o rg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m t h el e n g t ho fp i p ew o u l dd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n go fs p a c i n gb e t w e e nb o r e h o l e sa tt h es a m et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n ds a m e i n i t i a lg r o u n dt e m p e r a t u r e b u tt h ea r e ao c c u p i e dw o u l di n c r e a s e t h e r e f o r e ，t h e l e n g t ho fp i p e w o u l dr e d u c ei ft h e a p p r o p r i a t ei n c r e a s i n go fs p a c i n g b e t w e e n b o r e h o l e sw a sp o s s i b l e a l s ot h ec o s t sw o u l db er e d u c e d k e y w o r d ：g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m ；e f f e c t i v eg r o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ； i n s i t et e s tt e c h n o l o g yf o rt h e r m a lr e s p o n s et e s t ；g r o u t i n gm a t e r i a l s ；d e s i g n o fu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r ； l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 。妒毯。5 j 3 0 躲旌l ：黎嗍幽口 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着工业技术和科学的进步，人类对能源的需求越来越大，但是目前的能源 已无法满足人类的需求。2 0 世纪7 0 年代爆发了全球性的“能源危机”。能源问题 已成为制约社会发展的关键问题。节约能源和开发新能源，成为一代能源工作者 面临的首要任务。当今社会，“节能”已不单单是能源工作者要研究解决的问题， 也成了与每一个人生产和生活息息相关的大事。 中国是一个能源生产和消费大国，而且能源利用率很低，对中国本身而言， 节能就显得更加重要。尤其是改革开放以来，我国的社会生产力、综合国力有了 显著提高。人们的消费水平发生了质的飞跃，已不再单纯追求温饱，而是要求有 一个安静、舒适的工作和生活环境。因而，空调和冰箱等家用电器不再是奢侈品， 而是作为生活必需品“飞入寻常百姓家”。人们在享受安逸、快乐的工作和生活环 境的同时，也使得能源供求矛盾进一步加剧。据统计，仅制冷空调用电量已占总 用电量的2 5 - 4 0 。 仅以北京为例，就可以对中国的能源现状窥豹一斑。2 0 0 3 年能源利用效率 为3 6 5 ，比发达国家( 4 5 ) 低8 5 个百分点；消耗一吨标煤创造的g d p 为 9 4 1 美元，上海为1 1 3 0 美元( 比北京市高出2 0 ) ，仅为美国( 3 0 5 6 美元) 的 1 3 2 5 。五大重点耗能行业的主要产品能耗平均比国外先进水平高4 0 ；主要耗 能设备效率比国外先进水平低五个百分点。单位建筑面积采暖能耗相当于气候条 件相近发达国家的2 至3 倍。北京市大型公共建筑，包括宾馆、饭店、商厦、写 字楼等面积仅占民用建筑的5 4 ，但全年耗电量却接近全市居民生活用电的一 半，单位面积年均耗电量是普通住宅的1 0 至1 5 倍。大型公建内部能源消耗差异 很大，综合考虑有3 0 左右的节能潜力。这一方面说明能源利用效率低；另一方 面，也说明有很大的节能潜力i l j 。 人类的进步伴随着对自然资源的超额开发和对环境的持续性破坏，导致全球 环境的不断恶化，严重危及人类的生存、生产和发展。酸雨、臭氧空洞、温室效 应等一系列环境难题也摆在人类面前。生态环境破坏的主要是由不可再生的化石 燃料的使用造成的。尤其是燃烧化石燃料导致温室气体的大量排放，同时释放大 量硫化物等有害气体。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，表1 1 示出了我国近几年大气污染现状【2 】。 因此，逐步开发推广对环境危害小或无危害的清洁、可再生能源的利用方式， 具有十分重要的时代意义。既可以降低对生态环境的破坏程度，又可以缓解能源 需求的压力，与人类实施可持续发展的要求相一致。 北京t l k 大学t 学硕+ 学何论文 表1 1 全国近年废气中主要污染物排放量f 2 】 t a b l e l 1t h et a b l eo f t h el e to f t h ee x h a u s tg a si nt h el a s ty e a r s 单位：万吨 项目二氧化硫排放量烟尘排放量 工业粉尘 年份合计工业生活合计工业生活 排放量 2 0 0 01 9 9 5 11 6 1 2 53 8 2 。61 1 6 5 49 5 3 3 2 1 2 11 0 9 2 0 2 0 0 11 9 4 7 81 5 6 6 63 8 1 21 0 6 9 88 5 1 92 1 7 99 9 0 6 2 0 0 2 1 9 2 6 6 1 5 6 2 03 6 4 61 0 1 2 78 0 4 22 0 8 59 4 1 0 2 0 0 32 1 5 8 71 7 9 1 4 3 6 7 31 0 4 8 78 4 6 22 0 2 51 0 2 1 o 2 0 0 42 2 5 4 91 8 9 1 43 6 3 51 0 9 5 08 8 6 5 2 0 8 59 0 4 8 2 0 0 52 5 4 9 32 1 6 8 43 8 0 91 1 8 2 59 4 8 92 3 3 69 1 1 2 2 0 0 2 年约翰内斯堡世界可持续发展峰会和2 0 0 4 年波恩国际可再生能源大 会，向世界发出了一个共同的声音：开发和利用可再生能源是消除贫困和实现可 持续发展的重要条件。2 0 0 5 年1 1 月7 日在中国召开了国际可再生能源大会，有 专家认为：对中国来说，首要的是开发水力资源和生物质能，其次是发展地热能、 风能和太阳能，而太阳能和风能的利用存在较大的新材料问题【3 1 。 1 2 研究意义 在能源紧缺的今天，研究、开发和利用可再生能源对人类发展具有重大意义， 同时也是解决能源和环境问题的重要手段。可再生能源包括水能、生物质能、风 能、太阳能、海洋能和地热能等能源，具有资源丰富的特点。地球如一个大的蓄 热( 冷) 容器，能吸收来自太阳的大部分辐射能，蕴藏于地球浅层。合理开发和 利用这部分地热能对于改变能源结构、降低对化石燃料的依赖具有重大意义。这 部分能源的应用主要有两个方面，一部分温度比较高的用于地热发电，像我国建 成的西藏羊八井地热发电站，还有一部分属于低焓能量，主要用于供热、干燥等 生产生活领域【4 5 】。由于浅层地热能属于低品位热能，直接使用达不到一般要求 的温度，通常设置一套热泵系统，组成地热能热泵利用系统，将地下热能的温度 进行一定的提高或降低，从而用于制热和制冷1 6 。以土壤作为热泵系统的冷热源， 具有显著的经济效益和环境效益。土壤源热泵系统的技术优势主要有：节能效果 显著，机组性能系数高，维护费用低；环保无污染，符合社会可持续发展的需要； 一机多用，用途广泛，使用寿命长1 7 j 。但是，土壤源热泵的研究和应用仍然存在 很多不尽如人意的问题，对土壤源热泵系统的设计、施工及运行操作等各个环节 进行深入研究，进一步提高系统的合理性、实用性以及竞争性都有重要意义。应 用和推广土壤源热泵技术，符合国家的能源政策，可以缓解电力部门的压力，实 现建筑节能的目的。 第1 章绪论 1 3 国内外研究及使用现状 1 3 1 国外土壤源热泵的发展及应用 早在1 9 1 2 年，土壤源热泵的概念最早由瑞士人h e i n r i c hz o e l l y 引在一份专利 中提出了关于利用土壤作为热源，设想将热泵装置的室外侧“制冷剂一空气换热 器”改为“制冷剂一中间换热载体( 水或其他抗冻液) 一土壤换热器”一j 。冰岛人早 在1 9 2 8 年，就在雷克雅未克建立了地热供热系统。 对于土壤源热泵的大规模研究和应用在二次世界大战以后首先在北美和欧 洲兴起，但是由于当时的能源价格比较低廉，而土壤源热泵的初投资比较高，在 采暖与供冷领域，与传统的设备相比，不具有竞争性。因此，截止到2 0 世纪5 0 年代，土壤源热泵的研究高潮就基本上停止了。在此期间，人们对土壤源热泵的 许多基础性理论进行了研究。1 9 4 8 年i n g e r s o l l 和p l a s s 根据k e l v i n 线源概念提出 的地下埋管换热的线性源理论【1 0 , 1 1 】，同时还积累了大量的试验数据，为后来的研 究打下了坚实的基础。 1 9 7 3 年爆发了全球性的“能源危机”，这促使人们把注意力再次转移到土壤 源热泵上【1 2 1 。土壤源热泵技术引起了许多国家的重视，特别是北欧国家如瑞典、 冰岛等。欧洲先后召开了5 次大型的地源热泵国际学术会议。1 9 7 4 年，欧洲进 行开发研究了3 0 个工程项目，发展了土壤源热泵的设计方法、安装技术并且积 累了一定的运行经验。在短短的几年时间里，瑞典就安装了1 0 0 0 多个土壤源热 泵系统进行供暖，德国自1 9 9 6 年关于土壤源热泵的工程大量出现，每年安装的 数量稳步增长，在安装的所有系统中，主要以水平埋管为主。无论在工程上还是 在理论研究上，德国为土壤源热泵的发展和应用作出了重要贡献。自1 9 7 7 年开 始，美国对土壤源热泵进行了大量研究，非常重要的一个特点就是政府积极支持 与倡导。资料研究现实表明：几乎所有的研究都是在美国能源部( d o e ) 的支持下， 由美国橡树岭o r n l ( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 和布鲁克海文b n l ( b r o o k _ h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 等国家实验室和俄克拉荷马州立大学( o k l a h o m a s t a t eu n i v e r s i t y ) 等研究机构进行的。这一时期的研究工作主要集中在土壤的导热 性能、地下埋管换热器的传热特性、不同地下埋管换热器形式对换热过程的影响 及其模拟计算方法【8 , 1 3 - 1 9 】。土壤源热泵的很大一部分工作都是在这一阶段完成的， 这就为土壤源热泵的市场化、商品化作了铺垫。 自2 0 世纪8 0 年代以来，在北美开始利用土壤源热泵对建筑进行冷热联供的 研究和工程实践，技术逐渐趋于成熟。这一阶段的地下换热器多采用竖直埋管， 型式有垂直u 型管和套管两种。埋管的深度通常达6 0 2 0 0m ，从而使占地面积 大大减小，使土壤源热泵不单单应用于单独民居的空调，而开始向较大型的公共 建筑扩展。国外在开发竖直埋管换热器时高度重视地下水资源的保护，使其不受 北京t 、l k 大学t 学硕十学f _ 奇：论文 污染。在打井、下管以后，再用水泥、膨润土等材料把井筒密封，防止了地面上 的污染物进入地下水层以及各地下水层之间因互相贯通而导致不同水层相互污 染的可能性【2 0 1 。 2 0 世纪9 0 年代后，在欧美国家土壤源热泵大量应用于实际的工程项目，土 壤源热泵进入了新的发展时期。目前，在土壤源热泵系统的应用已经走向商业化 和市场化，研究工作的重点转向了土壤源热泵系统与整个空调系统的结合运行。 进入2 0 世纪9 0 年代，土壤源热泵的应用和发展进入了一个新的发展阶段， 研究的热点依然集中在地下埋管换热器的换热机理、强化传热等方面1 2 l 刃j 。目前 土壤源热泵在欧美的热泵装嚣市场占有份额大约3 ，且土壤源热泵实际应用工 程和研究报告每年都在不断增长【2 8 1 。1 9 8 7 年，国际土壤源热泵协会( i g s h p a ) 成 立，该协会于1 9 9 6 年报道了土壤源热泵研究的期刊和网上杂志 ( w w w i g s h p a o k s t a t e e d u ) ，土壤源热泵正应用于大型的商业建鲥弱j 。目前用土壤 源热泵供暖和制冷在美国发展很快，仅1 9 9 4 1 9 9 5 年土壤源热泵的应用从1 8 发 展到3 0 。1 9 9 8 年美国商业建筑中土壤源热泵系统已占空调总量的1 9 ，其中 新建建筑占3 0 。到2 0 0 1 年底为止，已安装4 0 多万套1 2 引。根据美国地源热泵 联合会的统计，目前美国每年安装约4 万套地源热泵系统【3 0 1 。全美有各类土壤源 热泵系统6 0 多万套，其中2 0 万套以上为闭式循环系统，开式循环的土壤源热泵 系统有3 5 4 0 万套，每年递增2 0 ，2 0 0 0 年安装5 - 6 万套，其中4 万套以上为闭 式循环系统【”3 3 】。据2 0 0 5 年国际地源会议上的报道，美国土壤源热泵的数量在 6 旺8 0 万套之间，据估计，美国大约可建成9 0 万套p 4 1 。欧洲国家如瑞士、瑞典、 奥地利、德国等国家主要把地下土壤埋管的土壤源热泵系统用于室内地板辐射采 暖和提供生活热水。据1 9 9 9 年统计，在家用供热装置中，土壤源热泵系统占的 比例为：瑞士9 6 ，奥地利3 8 ，丹麦2 7 【3 引。据文献2 1 介绍，在加拿大地源 热泵技术发展较晚，其中封闭循环系统刚刚开始，至19 9 4 年，仅有7 0 0 0 - - - - 8 0 0 0 套封闭循环地源热泵系统投入使用，加上开放系统总数不超过1 万台。瑞典政府 在土壤源热泵应用的初期采取了一定的补贴政策。2 0 世纪9 0 年代以后，政府补 贴取消，但仍以1 0 0 0 套年的速度递增。全国已安装了2 3 万套，其中5 万套为 闭式循环系统。2 0 0 1 年和2 0 0 2 年就建成了2 7 0 0 0 套耦合式土壤源热泵系统博j 。 瑞士是世界上土壤源热泵应用人均占有比例最高的国家，其中以闭式循环系统为 主，且每年以1 5 的速度增加，2 0 0 2 年，有2 5 0 0 0 台正在运行，以竖直埋管式 土壤源热泵居多，占到总数的6 5 列3 6 l 。2 0 0 4 年，有3 0 0 0 0 台土壤源热泵在使用 中1 3 ”。由于土壤源热泵在德国的分布比较分散，具体数据一直没有统计，2 0 0 3 年有s a n n a r 等人保守估计，土壤源热泵可提供4 0 0 m w 的能量，当前有3 0 0 0 0 套 小型分散系统正在使用中【3 引。朝鲜于2 0 0 3 年开始了土壤源热泵的开发和利用 3 9 1 。 表1 2 为目前几个国家土壤源热泵的应用情况的数据【3 6 】。 第1 章绪论 曼曼鼍ii i 皇曼曼曼曼曼曼曼! 蔓曼皇曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼皂皇曼曼曼曼曼曼量蔓曼曼曼鼍曼曼曼鼍曼曼! 曼曼曼曼曼量曼曼曼皇曼! 曼! 曼量 表1 - 2 土壤源热泵应用情况( 2 0 0 1 ) t a b l e l 2t h ei n f o r m a t i o no f a p p l i c a t i o no f t h eh e a tp u m p 国家 m 、肌g w h 建成数量 澳大利亚 2 7 53 7 0 2 3 ，0 0 0 加拿大4 3 53 0 0 3 6 ，0 0 0 德国5 6 08 4 04 0 ，0 0 0 瑞典 2 ，0 0 0 8 0 0 0 2 0 0 ，0 0 0 瑞士 4 4 06 6 0 2 5 ，0 0 0 美国6 ，3 0 06 ，3 0 06 0 0 ，0 0 0 日本地源热泵制造技术非常领先，在一些市政建设项目和公益性建筑中使用 进行供暖和冷热水供应等，效果颇佳。 1 3 2 国内土壤源热泵的发展及应用 我国在开展土壤源热泵系统的研究与应用方面起步较晚。随着国内能源紧张 状况的加剧，国家对可再生能源的重视，到2 0 0 0 年前后，土壤源热泵成为一个 非常“热门”的研究课题，但与国外相比，国内的研究状况相对比较落后。 1 9 8 9 年青岛建筑工程学院建立了土壤源热泵系统的试验台，开始主要从事 水平埋管的研究工作，后来在2 0 0 0 年又进行了垂直u 型埋管地下换热的研究工 作1 9 j 。天津商学院也几乎在同一时间开始了土壤源热泵系统的研究，并结合国外 有关的研究数据的基础上，重点对螺旋管埋地换热器作了研究，但后来没有继续 相关研究【9 , 4 0 。 华中理工大学于9 0 年代在国家自然科学基金的资助下，进行了水平单管的 换热研究，后来又进行了地下浅层井水用于夏季供冷和冬季采暖的研究，后来工 作也停止7 1 9 , 4 0 ，4 1 1 。 1 9 9 8 年原重庆建筑大学和湖南大学也分别建设了浅埋套管换热器和水平埋 管换热器的实验装置。重庆建筑大学在国家自然科学基金的资助下进行了垂直浅 埋套管和水平埋管换热器的采暖和供冷特性研究；湖南大学则进行了多层水平埋 管的换热特性研究。 1 9 9 9 年同济大学在联合技术公司( u t c ) 的资助下，对土壤一太阳复合热 源进行了为期多年的研究，重点针对长江中下游地区含水率较高的土壤进行了蓄 放热特性研究。 2 0 0 0 年天津大学建设了埋地螺旋管式地源热泵实验台，对螺旋盘管地源热 泵冬季供暖和过渡季制冷工况进行实验研究【4 2 】。 2 0 0 1 年北京工业大学的丁良士教授开始进行北京市科委的可持续发展科技 北京t 业大学t 学硕十学何论文 促进中心项目地源热泵技术和工程模式研究，并且建成了土壤源热泵实验 室；还做了大量的实验。主要包括：不同回填料传热性能的对比；单双管换热性 能的对比；地下含水层对换热性能的影响；在建成的系统上进行了长期的运行试 验，改变负荷试验、季节效率试验和热反应试验等；发表文章多篇。在实际工程 应用中，进行了小试、中试和实际工程，并且同国内外做过大量合作。 2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学马最良教授提出了一种新的设想，即土壤蓄冷与 土壤耦合热泵系统研究，将土壤源热泵和蓄冷技术有机的结合起来，取长补短， 提出了一种适合于以空调负荷为主，采暖负荷为辅地区的全新的空调系统形式， 即土壤蓄冷与土壤源热泵系统【4 3 】。 综上所述，国内外对于土壤源热泵的研究主要集中在地下埋管和地下换热器 以及土壤热物性等方面的研究。尤其是国内，土壤源热泵起步比较晚，研究水平 相对落后。近年来，我国的土壤源热泵系统研究和应用有了很大发展，但是研究 仍偏重于理论，如：对地埋管传热模型的研究，地埋管合理间距选取的理论分析 和模拟等。现在的研究热点除了地埋管的换热机理、地埋管换热器与热泵系统的 匹配、埋管形式等方面，更多精力集中于相互耦合的传热、传质模型；开发地源 ( 土壤源) 热泵系统的设计和模拟软件；研究开发具有良好热物性的回填材料， 以强化地埋管与土壤的热交换过程；研究开发更好的测试土壤性能的测量仪器， 进行现场测量土壤的热物性，减小测量误差。 1 4 本课题的研究来源及研究内容 1 4 1 本课题的研究来源 本课题来源于北京市科委项目“低温地热能梯级利用供热技术研究”以及北 京市可持续发展科技促进中心项目“地源热泵技术和工程模式研究”。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题的主要研究内容即：地埋管系统设计中的关键技术问题。 1 ) 地埋管有效导热系数测试技术( e f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t y ) 。包括：单 位埋深加热量对测试的影响及流量对测试的影响； 2 ) 地下换热器一不同土质所配套的不同回填料配方优化及地埋管热阻的计 算； 3 ) 地埋管设计软件的比较。包括：地温对设计结果的影响；导热系数对设 计结果的影响；孔间距对设计结果的影响。 第1 章绪论 1 5 本章小结 本章重点讲述了地源热泵的国内外研究现状、发展历史及应用情况，并对地 源热泵的研究意义做了深刻剖析。在本章中，对硕士期间要做的研究内容做了介 绍。 北京t 业大学t 学硕十学何论文 第2 章土壤导热系数测试、回填料研究及 地埋管设计现状 2 1 大地有效导热系数的研究状况 对于土壤源热泵系统而言，合理地设计地下换热器，使之既可以满足负荷要 求，拥有良好的工作性能，又可以降低成本，减少初投资，增强土壤源热泵在市 场上的竞争力。如果设计的换热器深度不够，就不能满足使用负荷要求；如果深 度过大，就会明显增加投资成本。c a n e & f o r g a s 在1 9 9 1 年指出美国的地源热泵 地下热换热器的长度一般都要超过正常值的1 0 3 0 1 4 4 1 。如果发生这种情况就会 大大增加初投资成本，在短期内没有任何经济性可言。 目前，已经开发出很多地下换热器设计工列1 2 2 0 。但这些设计工具都要求输 入准确的土壤热物性参数r 土壤的导热系数，热扩散率和体积比热( 单位体积热 容量) 。而土壤源热泵地下换热器设计工作最大的困难就在于是不能准确测定土 壤热物性参数。土壤的导热系数决定了地下换热器井孔的数目和深度。如果土壤 导热系数有1 0 的偏差，设计出的井孔深度就会变化约5 3 5 】。而井孔的数目和 深度，以及不同地质结构的钻井成本，就决定了初始投资成本。此处研究的土壤 的导热系数是指土壤、回填材料、管壁以及管内流体的综合导热系数，在此简称 为大地有效导热系数。因而，准确测定土壤的导热系数对于土壤源热泵的应用推 广具有十分重要的意义。 土壤是由不同土质的岩土层组成。不同岩土层的组成成分有很大差别，而且 其含水量也是一直在变化的。因此，土壤导热系数并没有一个确切的固定值。但 是工程上一般都是把土壤视为多孔介质，属于多孔材料，其导热性能与物理性质 有关，描述其物理性质的参数【4 5 j 包括p 、含水率、孔隙比e 、孔隙率n 、饱和 度s r 、导热系数n w k ) 及比热容c p ( k j ( k g k ) ) 等。在描述导热性能的参数中， 导热系数九是最关键的，已有的研究表明它可以表示为与温度、密度、孔隙率、 饱和度和含水率的函数，其关系式为 九= 儿，p ，疗，c o ，跏) ( 2 1 ) 当其物质组成确定时，饱和度和孔隙率也就随之而确定，且在常温下温度对 导热系数的影响并不大，则上式可简化为 允= f ( p ，c o ) ( 2 2 ) 对于土壤的导热系数我们无法精确确定，我们只是在埋管深度范围内寻求土 壤导热系数的一个有效值。 第2 章十壤导热系数测试及同填料研究现状 当前，用于测量土壤导热系数的测试方法主要有四种土壤类型辨别法， 稳态测试法，探针法和现场测试法。 2 1 1 土壤类型辨别法 土壤类型辨别法是种传统的土壤导热系数估算方法。在设计地源热泵地下 换热器时，根据钻井取出的样品，确定井孔周围土壤或岩石的类型，然后通过岩 土热物性参数表查取对应的导热系数取值范围。 然而，不同的地理位置地质结构不同，土壤和岩石类型也不相同。即使在同 一个地理位置，在整个井深范围内，岩土类型、构成也是复杂多变的，很难获得 特别详细的地质资料。另外，同一种土壤类型的导热系数取值范围也很大。例如， 花岗岩和粘土的导热系数分别为：1 7 3w ( m ) 3 9 8w ( m ) ，0 8 5 w ( m ) 一1 1w ( m ) 。因此，通过查表获得的导热系数值范围就很大。设计地 下换热器时，如果选择的导热系数值过小，则设计出的换热器长度偏大，投资成 本大大增加；选择的导热系数值过大，则不能保证满足负荷要求。为了保证系统 的正常运行，设计者通常采取保守的方法，选取较小的导热系数，这导致设计的 换热器长度增加，系统的初始投资成本增加。因此，此种方法只能用大概估算土 壤导热系数的取值范围，不适宜用于地源热泵系统的设计，但可以用于检查其他 方法测试的结果。 2 1 2 稳态测试法 稳态测试法利用傅立叶定律对采集的土壤源样品进行稳态测试。最有代表性 的稳态测试法是热盘法，也就是稳态平板法。此外还有分棒法，多层同心圆柱法 和圆球法等【4 6 1 。 2 1 3 探针法 1 8 3 3 年一位德国物理学家提出了探针法。上世纪五十年代，h o o p e r 和 l e p p e r 4 1 7 】把探针法和线热源模型相结合，测量出了土壤导热系数。这是一种瞬态 法，既可以在工程现场测出井孔周围的土壤导热系数，也可以采集样品在实验室 内测量。与稳态测试法相比，探针法，可以减小测量时间和准备时间，减4 , n 量 结果误差【47 1 。热探针测试法原理就是处于无限大介质中的线热源模型。一般探 针的长度只有0 1 - 0 4 m 长，热探针加热测量的整个过程也只有一两个小时，因 此只能对其周围的很小一部分区域进行加热。所以用探针法现场测量地下换热器 周围土壤导热系数时，测量结果只是探针周围- 4 , 部分土壤表面的导热系数。而 一般的井孔深度为3 0m 9 0m ，在整个井孔深度方向上分布着不同的土壤层，每 层的导热系数都是不同的。显然探针的测量结果不能代表井孔周围土壤的有效导 热系数。 2 14 现场测试法 十壤导热系数的偏差直接影响地下换热器设计。研究青一直在寻求一种更准 确的土壤导热系数测量和计算方法。 1 9 8 3 年7 月，m o g e n r e n 【4 ”提出了试验井现场测试法，也就是大地热反应试 验法。在工程现场，建立一个试验井。试验井要与工程预先设计的井孔尺寸和结 构相同。用加热器以恒定的热功率给循环工质加热，按一定的时间问隔纪录试验 井进出口丁质温度。按照预先设训，控制循环工质的流量与系统实际运行时帽同， 并用流量纪采下该流量值。试验测量温度，模型计算温度相比较，选用适当的分 析传热模型，结合参数估计法，就可以得出土壤的热物性参数值。 按照m o g e n s e n 的试验方案，e s k i l s o n ( 1 9 8 7 ) ”铜h e l l s t r o m ( 1 9 9 4 ) i s o 分别建 立i ：1 的试验测试系统，对试验井周围的岩土导热系数进行了测试，得出了比较 准确的计算结果。为了能够在小同的试验井上做试验，1 9 9 5 年在瑞典和美国分 别建造可以移动的试验测量设备1 5 ”，这两种设备都是采用输入恒定的热功率进 ，测试。瑞典测量设备主要用于岩石中用水回填的井孔，而美国的设备则用十固 体填剃刚填的井孔。图2 1 是摘自于文献5 2 的一个移动测试设备( 热响应测试设 各，f e d ) 。 图2 - 1 瑞典t e d 移动测试车 f i g2 1t h e m o b i l e t e s t i n ge q u i p m e n t i ns w e d e n 2 0 0 1 年，王靖i 5 1 等人在丁良上教授的指导下在实验室设计了一套现场测试 土壤导热系数的系统，利用线热源法对实验数据进行处理，计算出了土壤导热系 第2 章十壤导热系数测试及f 司填料研究现状 数。后期不断对设备及数据采集系统进行了改进，使测试的结果更加准确。2 0 0 7 年，与企业联合，进行了第三代设备的研发，并且开发了便携式测试设备。 2 0 0 2 年西安交通大学的冯健美【5 4 1 等利用探针法对土壤和黄砂在不同含水 量、不同密度的状态下进行了导热系数测试。 2 0 0 4 年同济大学的张旭和高晓兵【5 5 】，利用探针法对不同含水率、不同密度 的土砂混合物的导热系数进行了测量，利用线热源模型进行了数据处理。 2 0 0 5 年浙江大学的庄迎春，谢康和和吉林大学建工学院的孙友宏【5 6 j 利用平 板探针原理研究了砂和澎润土及其与水泥混合材料的导热性能研究。 山东建筑工程学院的方肇鸿教授和于明志在2 0 0 2 年【5 7 】进行了土壤源热泵土 壤导热系数的现场测试，并在线热源模型的基础上作了改进，对实验数据进行分 析计算，得出了土壤导热系数和井内热阻。 2 2 回填材料的研究状况 回填料回填的目的是改善土壤与u 型管之间的传热，同时起到密封作用， 防止外来杂质污染地下水源。回填料的导热系数越大，越能促进换热器与周围土 壤之间的传热。 地源( 土壤源) 热泵空调技术因其节能和环保的优点受到越来越多的关注。 回填是地埋管换热器施工过程中的重要环节，在完成u 型管安置后，向钻孔中 充入回填材料。回填材料介于埋管与钻孔壁之间，间接联系着土壤和地埋管，避 免了空气充满钻孔壁和地埋管的间隙而导致传热效果太差。具有良好热物性的回 填材料可以增强埋管和周围岩土的换热，同时要求回填材料具有良好的防渗透 性，以防止地面水通过钻孔向地下渗透，保护地下环境不受污染，从而防止不同 地