地源热泵技术及其推广应用.doc

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，得到支管内流体温度分布无量纲形式的解5, 6。与单U型埋管不同，双U型管地热换热器中循环流体在埋管内的流动可以有多种形式：两组U型管之间可以采用串联或并联的连接方式；按四根支管在钻孔中的几何配置，每种连接方式又可有不同的流程。不同的连接方式和流程都会影响其中的传热过程。对于双U型埋管串联布置的情况，由于涉及四个温度分布函数，求解能量微分方程组要困难得多。我们已求得的解析解的形式相当复杂，但由于是显式的函数关系式，可以方便地在计算机上进行计算。由求得的流体的无量纲出口温度，可以确定钻孔内传热的热阻。该问题的求解过程及结果可参见文献7，8。1.2 半无限大介质中有限长线热源的温度响应埋有管子并与土壤进行着热交换的钻孔，可以被近似地看作是置于半无限大介质中的线热源而进行传热分析，以确定钻孔壁的温度。在很多情况下，地热换热器全年的冷热负荷是不平衡的。如果地热换热器全年的吸热和放热不平衡，多余的热量（或冷量）就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化。由于地表作为一个边界的影响，时间足够长以后，这种不平衡热量的效应就会达到一个基本稳定的状态。这一过程的长短取决于钻孔的深度，通常需要数年至十余年。这种换热器周围土壤年平均温度的变化会影响地热换热器长期的换热性能，这是在设计时所必须考虑的。国外正式推荐的计算钻孔外热阻的模型主要是无限长线热源模型，也即是一维模型，它忽略了钻孔有限深度和地表面作为边界的影响，在处理长时间的传热问题时会造成较大的误差。我们利用格林函数法求得了半无限大介质中有限长线热源的温度响应 9, 10，突破了国外各种模型在时间上的限制。这一半无限长线热源的瞬变温度响应的解具有简明的显函数形式，在各种应用软件中可以直接调用；使我们的模型和计算软件可以考虑20年或更长时间以后地热换热器的传热性能。1.3 有渗流时地热换热器温度响应的解析解虽然很多研究者和工程技术人员认识到地下水渗流可能对地热换热器的换热能力产生重要的影响，也提出过一些定性的分析，但是由于该问题的复杂性，至今很少见到深入的理论分析。地下水的渗流有利于地热换热器的传热，也有利于减弱或消除由于地热换热器吸热和放热不平衡而引起的热量累积效应。在已知的少量文献中，Chiasson11 等人在无法求得解析解的情况下，利用有限元法数值求解了二维的瞬变渗流问题，对一些实际问题进行了计算和比较，但未能找到较一般的规律和结论。作者根据多孔介质中有渗流时的能量方程，首次解析求解得到了有均匀渗流时线热源引起的二维温度响应12, 13。这些理论上的进展更精确地描述了地热换热器中的传热过程，也方便了工程的设计计算和性能模拟，为地源热泵技术的推广创造了条件。1.4地热换热器设计模拟软件“地热之星”利用上述导得的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，我们开发出了地热换热器设计模拟软件“地热之星”14，取得很好的效果。地热换热器传热分析的基础是单个钻孔的传热分析，对于多个钻孔的情况可在单个钻孔分析的基础上采用叠加原理进行分析处理。由于热泵的负荷通常是随时间而变化的，因此地热换热器的放热（吸热）也是随时间变化的。这样的随时间变化的热流可以用一系列连续的矩形脉冲热流来近似。这样，我们就可以计算在任意变化的负荷作用下，任意配置的地热换热器在长达20年或更长的时间里的温度变化以及传热性能15。“地热之星”设计及模拟计算软件的一个功能是模拟计算，允许用户对已存在的地源热泵地热换热器系统进行模拟，模拟结果有循环液进入热泵的月平均温度，循环液进出热泵（或地热换热器）的极值温度，热泵每月消耗的功及单位长度的钻孔平均每月从地下吸取的热量（或每月向地下释放的热量）。其另一个功能是设计计算，该软件可以根据用户给定的温度（即循环液进入热泵的最高温度和最低温度）设计地热换热器的尺寸，也就是钻孔的总长度。该软件以可视化图形界面和对话框的形式面向用户，使用户使用起来简单明了。图2 “地热之星”可视化界面2. 现场测试深层岩土热物性参数的方法及仪器16, 17图3 深层岩土热物性测量仪安装示意图深层地下岩土导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数。确定地下岩土物性参数的传统方法是首先根据钻孔时取出的样本确定钻孔周围的地质构成，再通过有关手册估计每一层的导热系数。然而地下地质结构构成复杂，难以得到整个孔深方向地质结构的详细资料，即使同一种岩石或地质成分，其热物性参数相差也比较大。如果物性参数不准确，则设计的系统有可能不能满足负荷需要；也可能规模过大，从而大大增加初投资。研究结果表明，当地下岩土的导热系数或导温系数发生10%的偏差，则设计的地下埋管长度偏差为4.55.8%，而钻孔的成本是地热换热器总投资的主要组成部分。因此只有在现场直接测量才能得到可靠的地下岩土平均热物性参数。上节提出的地热换热器传热模型为地下岩土热物性的测试奠定了理论基础。测定地下岩土的导热系数需要求解传热反问题。在将要埋设地热换热器的现场钻孔，在钻孔中埋设埋管并按设计要求回填，回路中充满水并与测量装置联结。让水在回路中循环流动，自某一时刻起对水加热，并测量回路中水的温度随时间的变化。为了计算周围岩土的平均热物性参数，可以采用参数估计结合非稳态传热模型的方法。最后根据测得的数据，利用传热学理论反算钻孔周围岩土的平均热物性参数。我们已经根据以上原理开发了用于地源热泵系统的深层岩土热物性测量仪，并在多个实际工程中得到应用，取得了良好的效果。3. 施工技术开发和工程应用我们在施工技术方面的创新性工作包括高性能钻孔回填材料及设备的开发。回填是地埋管换热器施工过程中的重要的环节，即在钻孔完毕、下完U型管后，向钻孔中注入回填材料。它介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间，用来增强埋管和周围岩土的换热；同时防止地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地表污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交叉污染。回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义。回填材料的主要特性包括回填材料的导热系数、是否各向同性及其稳定性、工作性、抗渗性、强度、热压变形、与埋管以及钻孔壁的结合程度、经济性、耐久性以及对环境是否无污染等。由于目前国内对回填材料的研究基本上还是空白。我们通过实验对基于水泥、石英砂的回填材料进行了配比优化选择研究。采用国际上先进的瞬态平面热源技术研究了各种组成物对水泥砂浆回填材料导热系数的影响规律，并对其它工作性、膨胀性、抗渗性等性能进行了研究，开发出了适合国情的具有良好特性的水泥砂浆回填材料20，其导热系数可达2.1 W/m.K以上，超过了美国Brookhaven国家实验室报道的高性能回填材料的水平21。计算和应用实践表明，与传统的膨润土回填材料相比，采用这种新型回填材料可显著节省地埋管换热器钻孔埋管长度；特别是对于在坚硬岩石的地层中设置的地埋管换热器，采用高性能回填材料具有明显的降低地埋管换热器的长度及其初投资的效果。该材料已取得三项国家发明专利，并在国内的几个地源热泵工程中得到了应用。在实际工程中，钻孔回填问题包括两个方面。一是回填材料的选择和高性能回填材料的开发，二是回填的工艺以及适用的机械设备的开发。影响机械回填的一个重要的因素是国内缺乏合适的施工机械。虽然现在市场上有各种现成的混凝土泵、砂浆泵，但它们都不是专为地源热泵的回填设计和制造的，因此不适合钻孔回填的实际需要。钻孔回填的实际工况是每个钻孔的回填量不大，约1-2 m3；受钻孔的限制，回填管很细很长，需要较大的输送压力；工作不连续，常常需要清洗设备。因此迫切需要集搅拌与泵送一体的，轻便灵活，工作可靠而又便于清洗的设备。根据这一市场的需求，我们消化吸收国外先进技术，已经开发出了全液压驱动的地埋管钻孔回填专用的灌浆泵，专门针对地源热泵系统的施工特点，集搅拌与灌浆功能于一体，可以较好地满足地埋管换热器钻孔回填施工工艺的需要。相信随着施工设备问题的解决，规范要求的机械回填将得到更好的推行。此外，山东建筑大学地源热泵研究所和山东亚特尔地源空调有限公司合作于2005年组建了山东方亚地源热泵空调技术有限公司，依托地源热泵研究所在地源热泵理论和应用技术方面的领先优势以及亚特尔地源空调有限公司先进的地质施工设备和强有力的施工能力，成为国内地源热泵推广应用领域重要的生力军。公司在国内率先成规模地引进和开发潜孔锤钻机，具有在各种复杂地质条件下从事钻探和施工的强大技术队伍和先进的设备，可承担包括超硬岩层在内的各种不同地质构造中的钻孔作业。这一产学研结合的产物为地源热泵技术的推广应用构建了一个新的平台。4桩基埋管地热换热器和太阳能-地源热泵复合系统在实际工程中为了能够进一步减少钻孔埋管用地面积,降低地埋管换热器的初投资，可以采取另外一种地热换热器桩基螺旋埋管换热器。桩埋管换热器是将地源热泵系统地埋管换热器的PE管埋于建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，代替传统的地埋管换热器。桩基螺旋管地热换热器中的灌注桩相当于竖直埋管地热换热器中的钻孔回填材料。与竖直埋管地热换热器相比，桩基螺旋管地热换热器的结构特点是桩的直径大大超过钻孔的直径，而桩的深度通常会小于钻孔的深度。此外，作为传热元件的塑料管不是埋设在钻孔内部的U型管，而是设置在靠近桩基外侧的螺旋管。此时继续采用线热源模型或空心圆柱面热源模型是不合适的。针对桩基螺旋埋管换热器的特点，我们提出了实心圆柱面热源、线圈模型和螺旋线模型等更好描述桩基埋管换热器传热过程的数学模型，并在国际上首次求得了桩基螺旋埋管换热器的这些传热模型的三维非稳态传热过程的解析解，为该技术的工程应用奠定了理论基础22,23。同时也进行了桩基埋管地源热泵系统的工程示范。在近年来我国的建筑节能技术中，太阳能热水和地源热泵技术已经得到了充分的重视和推广，但是它们还只是作为各自独立的技术，而且各自存在一定的技术瓶颈。为了更好地利用太阳能和地源热泵这两种可再生能源技术，必须进行技术创新，针对建筑供热空调和热水供应的应用对象，利用地埋管换热器作为季节性蓄热技术的载体把太阳能、地源热泵这两种技术有机的结合在一起。由于融入了季节性蓄热技术，复合新能源系统既可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响的局限性，又可以克服地源热泵系统冷热负荷不平衡而造成地下岩土温度不断降低的局限性。因此，太阳能与地源热泵结合的复合能源系统可以集中两种可再生能源的优点，同时相互弥补各自的不足，是很有潜力的可再生能源建筑应用的新技术。地源热泵与太阳能热利用相结合是解决寒冷地区地热换热器全年冷热负荷不平衡的一个重要途径，也是把太阳能热利用从传统的热水供应扩展到建筑供热空调的重要技术创新。当然两种技术的简单的组合相加并不能充分发挥各自优势。这里讨论的复合系统均指的是融入季节性蓄热技术的太阳能地源热泵复合系统，特别是第三种以地埋管换热器为蓄热手段的季节性蓄热技术，其在经济和技术上均存在较大的优势。太阳能-地源热泵复合系统是充分发挥两种新能源技术的长处，解决北方地区供热能源的新途径24。对该技术的理论研究和工程应用都在进行中。5地源热泵复合系统的设计及运行优化在地源热泵空调系统全年运行过程中，冬季通过热泵把从地下吸收的热量升高温度后对建筑供热，同时地下埋管周围的温度降低；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时地下埋管周围的温度升高。在很多情况下地埋管换热器全年的冷热负荷是不平衡的。例如在北方建筑物冬季的供暖负荷和供暖时间远大于夏季的空调负荷和空调时间；而在南方情况则相反。在这种情况下，地埋管换热器的吸热和放热不平衡，多余的热量（或冷量）就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化，进而影响地埋管换热器的出力。设计使用地源热泵复合系统就是为了解决这一问题，降低全年负荷不平衡地区地源热泵系统的初投资和运行费用。除了准确设计辅助散热装置或辅助加热装置以外，还需设计出整个系统的运行控制方式。这需要对整个地源热泵复合系统的运行进行全年逐时能耗分析，在给定气候条件和电费计价方式下确定出初投资和运行费用最小的系统形式和控制措施。我们已经开发出了这种针对地源热泵复合系统的能耗分析软件，为系统的设计和运行优化提供了手段25。6 地源热泵空调系统示范工程图6 我国第一个竖直埋管地源热泵空调系统示范工程: 山东建筑大学学术报告厅外景在进行理论研究和技术开发的同时，地源热泵研究所十分重视工程实际应用。首先在山东建筑大学学术报告厅中采用了地源热泵空调系统26。该工程于2001年5月正式投入使用，是我国第一个投入实际运行的竖直埋管地源热泵空调系统。经十年运行的检验，效果良好。随后我们又陆续进行了十多个地源热泵空调工程的设计与施工，其中包括：温州世纪广场地下展览厅、宁波凯峰电子有限公司办公楼、宁波圣龙股份有限公司生产车间、胜利油田石油管理局办公楼、胜利油田石油管理局生活服务楼等。我们也正在对其中的一些项目正在进行长期的运行测试，以对理论研究成果进行必要的检验与验证，同时也为地源热泵技术的推广积累经验和基础数据。表 1 部分地源热泵空调系统工程施工项目序号工程名称建筑面积（）地点地源空调系统概要时间1济南市西区指挥部7300济南长清竖直U-型埋管，共220个钻孔，深65m；地埋管工程20051济南燕山工业区职工宿舍楼22360山东济南 竖直U-型埋管，共220个钻孔，深100m；地源热泵+风机盘管系统20062山东轻工学院行政楼13500山东济南竖直U-型埋管，共300个钻孔，深65m；风机盘管+新风系统20063山海关第三调度区长楼1200河北山海关竖直U-型埋管，共28个钻孔，深80m；地源热泵+风机盘管系统20064济南历下工业区办公楼6140山东济南竖直U-型埋管，共65个钻孔，深80m；风机盘管+新风系统20075北京山水文园11700北京竖直U-型埋管，共1