王沣浩—地埋管地源热泵系统面临的若干问题

1、Xian Jiaotong University西安交通大学建筑节能研究中心目录目录背景背景岩土热物理性能的现场测试方法岩土热物理性能的现场测试方法土壤冷热量平衡土壤冷热量平衡管群的规模布置管群的规模布置目前的研究进展目前的研究进展西安交通大学建筑节能研究中心一、背景一、背景西安交通大学建筑节能研究中心 2002年6月20日印发的建设部建筑节能“十五”计划纲要中列出的18项拟重点开展的科技项目其中的第13项为：“地源热泵及水源热泵技术系统开发与工程应用”。 2005年由建设部颁布的地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)，已经于2006年1月1日起实施。 2006年1月1日通过的中

2、华人民共和国节约能源法第四条规定：“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”，而地源热泵所使用的地热能正是属于可再生能源。 2006年9月4日，国家财政部、建设部联合出台的可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法（财建【2006】460号）第四条专项资金支持的重点领域中包括：利用土壤源热泵和浅层地下水源热泵技术供热制冷。国家相应的政策和法规支持国家相应的政策和法规支持地源热泵系统和常规的供热空调系统相比是一种利用可再生能源的高效节能的新型空调系统。西安交通大学建筑节能研究中心地埋管地源热泵系统形式地埋管地源热泵系统形式竖直地埋管的竖直地埋管的不同形式不同形式西安交通大学建筑节能研究中心土壤源热泵系统

3、原理图土壤源热泵系统原理图西安交通大学建筑节能研究中心问题问题1 1、岩土热物理性能的现场测试方法、岩土热物理性能的现场测试方法地源热泵的性能很大程度上依赖于地下埋管的换热性能，而地下埋管换热性能依靠地下岩土体本身的热物理性质。岩土的热物理特性随地点的变化而有所差别，在不同地区之间甚至同一地区的不同片区之间的研究结果可能完全不能够相互套用，岩土层热物性参数测试的目的，则是测试当地土壤准确的取放热特性，为地源热泵的优化设计和可靠运行提供正确可靠的技术数据。q在20世纪80年代以前，在钻孔中采集岩土样品，实验室中通过稳态测试法确定平均导热系数，但上述过程在取样、分析中误差较大。q随后又提出瞬态测量

4、的探针法确定岩土体的平均导热系数，这在一定程度上减小了测量时间和测量误差。然而，在一些实际工程应用中，探针法在测量区域和测量深度上都存在局限性，其数据的重复性和可靠性都不理想。q20世纪90年代中期以后，随着地源热泵技术在一些欧美国家的推广应用，岩土体热物性现场测试技术应运而生。三个阶段西安交通大学建筑节能研究中心岩土热物理性能的现场测试方法岩土热物理性能的现场测试方法 1996年，瑞典设计出一套可移动的测试设备TED。根据热响应原理，就可以估计出土壤的热容。1998-2000年，美国、挪威、瑞士、法国、英国和日本也相继开发了相近的测试设备并应用于工程实践。 目前，岩土热物性现场测试技术已经推

5、广到欧洲、亚洲、北美和南美等国家，并即将在非洲得以应用。 2000年之后，我国有关科研院所和企业单位也先后开始引进或研制岩土体热物性测试仪。但由于国内当前使用的仪器设备大部分为自行研制，各种技术指标存在较大差别，经常出现在同一地点，不同仪器设备所测试的结果产生较大的差距，迫切需要对测试理论和方法进行评价和规范。西安交通大学建筑节能研究中心恒热流法和恒温法线热源模型和柱热源模型 岩土热物理性能的现场测试方法岩土热物理性能的现场测试方法争论的焦点：西安交通大学建筑节能研究中心恒热流法和恒温法恒热流法和恒温法q “ “恒热流法恒热流法”，即通过电加热器提供一个稳定的加热功率，记录进出口，即通过电加热

6、器提供一个稳定的加热功率，记录进出口温度随时间的变化。在地埋管换热器与土壤的传热过程中，管内流体进出温度随时间的变化。在地埋管换热器与土壤的传热过程中，管内流体进出口温度逐渐升高，经历足够长时间后趋向于稳定状态。根据上述动态变化口温度逐渐升高，经历足够长时间后趋向于稳定状态。根据上述动态变化数据，经过反演数学模型处理后，可以获得当地岩土体的平均导热系数。数据，经过反演数学模型处理后，可以获得当地岩土体的平均导热系数。“恒热流法恒热流法”是国际地源热泵协会（是国际地源热泵协会（IGSHPAIGSHPA）标准和美国采暖制冷与空调）标准和美国采暖制冷与空调工程师学会（工程师学会（ASHRAEASHR

7、AE）手册所推荐的方法，也是国际上通行的做法。）手册所推荐的方法，也是国际上通行的做法。q“恒温法恒温法”，是建立在稳定地埋管换热器运行工况下（，是建立在稳定地埋管换热器运行工况下（进水温度和流量进水温度和流量为某一定值为某一定值），根据岩土体的响应情况逐渐稳定出水温度，可直观获得），根据岩土体的响应情况逐渐稳定出水温度，可直观获得每每米换热量米换热量。q“恒热流法恒热流法”属于动态分析方法，是反问题的研究领域，而属于动态分析方法，是反问题的研究领域，而“恒温法恒温法”则属于正问题的研究问题则属于正问题的研究问题。尽管两种方法在计算出的钻孔长度有一定的差。尽管两种方法在计算出的钻孔长度有一定的

8、差异，但目前还不能说明那种测试方法更加准确，需要在今后的研究和工程异，但目前还不能说明那种测试方法更加准确，需要在今后的研究和工程实践中验证。实践中验证。西安交通大学建筑节能研究中心线热源模型和柱热源模型线热源模型和柱热源模型 不同现场测试数学模型和数据处理方法对比不同现场测试数学模型和数据处理方法对比方法方法模型模型数据处数据处理方法理方法测试得到结果测试得到结果特点特点准确准确 性性1 1线热线热源模源模型型最小二最小二乘法线乘法线性拟合性拟合土壤导热系数土壤导热系数钻孔内热阻钻孔内热阻方法简单，方法简单，且数据处理且数据处理快，计算简快，计算简便。便。 线热源理论应用于地线热源理论应用于

9、地下埋管换热器，对于典型下埋管换热器，对于典型的地下土壤条件，其模拟的地下土壤条件，其模拟的最小时间的最小时间应不小于应不小于3636小小时（时（ASHRAEASHRAE） ，对短时，对短时间尺度上的系统行为，不间尺度上的系统行为，不能简单应用。能简单应用。？2 2双参数双参数估计估计土壤导热系数土壤导热系数钻孔内热阻钻孔内热阻容积比热容容积比热容需要参数估需要参数估计与优化迭计与优化迭代计算，计代计算，计算量相对较算量相对较大。大。？3 3柱热柱热源模源模型型双参数双参数估计估计土壤导热系数土壤导热系数钻孔内热阻钻孔内热阻容积比热容容积比热容需要参数估需要参数估计与优化迭计与优化迭代计算，计

10、代计算，计算量相对较算量相对较大。大。 当测试时间较长，当测试时间较长，F F0 0= =/ /r r2 2较大时，线源较大时，线源模型的解趋向于柱热源模模型的解趋向于柱热源模型的解，二者吻合较好。型的解，二者吻合较好。？注：土壤导热系数注：土壤导热系数：（：（W/mK），容积比热容），容积比热容scs（J/m3K），钻孔内热阻），钻孔内热阻R0（Km/W)。西安交通大学建筑节能研究中心需要进行的工作需要进行的工作建立建立“标准地质孔标准地质孔”或者在实验室建立标准地下换或者在实验室建立标准地下换热器的工作环境，对测试方法和仪器进行校核与标热器的工作环境，对测试方法和仪器进行校核与标定。定。采

11、用理论模拟的方法，采用正问题方法评价测试方采用理论模拟的方法，采用正问题方法评价测试方法以及反问题辨识数学模型。法以及反问题辨识数学模型。西安交通大学建筑节能研究中心 众所周知，当地埋管换热器夏季累计向土壤的放热与冬季众所周知，当地埋管换热器夏季累计向土壤的放热与冬季从土壤的取热量不相同时，就造成了土壤内从土壤的取热量不相同时，就造成了土壤内取放热量的不取放热量的不平衡平衡。长期的取放热量不平衡产生的热量堆积会超过土壤。长期的取放热量不平衡产生的热量堆积会超过土壤自身的热量扩散（或吸收）能力，造成地下恒温层温度不自身的热量扩散（或吸收）能力，造成地下恒温层温度不断偏离其初始温度，这会断偏离其初

12、始温度，这会导致地埋管内流体的温度随之变导致地埋管内流体的温度随之变化和系统效率逐年下降化和系统效率逐年下降。 当然从土壤内取放热量的差值若在一定范围内，当然从土壤内取放热量的差值若在一定范围内，不超过土不超过土壤固有的散热能力，也可以保持全年的热平衡壤固有的散热能力，也可以保持全年的热平衡。问题问题2 2、土壤冷热量平衡、土壤冷热量平衡西安交通大学建筑节能研究中心土壤源热泵部分工程项目土壤源热泵部分工程项目工程名称工程名称项目项目北京九华北京九华山庄山庄沈阳武警沈阳武警总队总队西安都市之西安都市之门门河北唐山河北唐山学院学院 北京用友软北京用友软件件开始运行时间开始运行时间2005年年4月月

13、2008年年2008年年2005年年11月月2007年年7月月系统形式系统形式土壤源热泵土壤源热泵+冰蓄冷冰蓄冷土壤源热泵土壤源热泵+锅炉锅炉 （冬季（冬季调峰）调峰） 土壤源热泵土壤源热泵+冷却塔冷却塔+城市城市热网（冬季调热网（冬季调峰）峰） 土壤源热泵土壤源热泵+冰蓄冷冰蓄冷土壤源热泵土壤源热泵+冰蓄冷冰蓄冷 钻孔数量（个）钻孔数量（个）700753550560616钻孔间距（）钻孔间距（）6.06.05.05.03.03.05.05.0埋管形式埋管形式双双U型型双双U型型双双U型型单单U型型双双U型型钻孔深度（）钻孔深度（）10010010045120问题问题3 3、管群的规模布置、管

14、群的规模布置西安交通大学建筑节能研究中心目前的钻孔间距应用情况目前的钻孔间距应用情况地源热泵系统工程技术规范地源热泵系统工程技术规范（GB 50366-2005）：）：间距宜为间距宜为36m实际工程：实际工程：国内国内36m，以以5m居多居多国外国外425m都有采用都有采用美国美国ASHRAE地源热泵工程地源热泵工程技术指南技术指南：推荐最小间距：推荐最小间距15ft（4.572m）存在问题：存在问题： 目前工程应用和设目前工程应用和设计标准不统一；计标准不统一； 目前没有被广泛认目前没有被广泛认可的确定钻孔间距的可的确定钻孔间距的计算方法。计算方法。西安交通大学建筑节能研究中心管群布置形式应

15、用情况管群布置形式应用情况地源热泵系统工程技术规范地源热泵系统工程技术规范（GB 50366-2005）：）：根据现场条件确定根据现场条件确定美国美国ASHRAE地源热泵工程地源热泵工程技术指南技术指南：原则是大面积管原则是大面积管群布置时要减少热积聚群布置时要减少热积聚实际工程：实际工程：根据工程现场条件确定，根据工程现场条件确定，主要采用主要采用大面积顺排布置大面积顺排布置存在问题：存在问题： 设计标准和规范对管设计标准和规范对管群布置形式的指导不深群布置形式的指导不深入，实际操作性不强；入，实际操作性不强； 大面积管群排布时，大面积管群排布时，未对布置形式进行优化。未对布置形式进行优化。

16、西安交通大学建筑节能研究中心管群传热研究现状管群传热研究现状 国际上对管群的研究主要都是集中在基于单井模型的基础上，利用国际上对管群的研究主要都是集中在基于单井模型的基础上，利用叠叠加原理加原理，建立起计算管群传热的，建立起计算管群传热的模型或方法模型或方法，实现对地源热泵系统长实现对地源热泵系统长时间运行的情况进行模拟，然后对整个系统性能进行评价和优化。时间运行的情况进行模拟，然后对整个系统性能进行评价和优化。 国内的研究则集中在国内的研究则集中在钻孔数量、钻孔布置方式、钻孔尺寸、负荷大小、钻孔数量、钻孔布置方式、钻孔尺寸、负荷大小、运行模式（连续或间歇）等对管群温度场的影响方面运行模式（连

17、续或间歇）等对管群温度场的影响方面。 无论国内国际上研究所无论国内国际上研究所面临的问题是这方面的实验数据比较少，缺少面临的问题是这方面的实验数据比较少，缺少实验数据对比实验数据对比。西安交通大学建筑节能研究中心管群的附加热阻分析管群的附加热阻分析 对于钻孔间这种相互的热影响产生的附加热阻，目前工程上的应用软对于钻孔间这种相互的热影响产生的附加热阻，目前工程上的应用软件和理论计算方法的基础都是基于叠加原理。件和理论计算方法的基础都是基于叠加原理。 基于叠加原理的方法计算附加热阻是基于叠加原理的方法计算附加热阻是2020世纪八十年代瑞典的学者首先世纪八十年代瑞典的学者首先提出来的。提出来的。 影

18、响影响附加热阻附加热阻的因素包括：钻孔的数量、的因素包括：钻孔的数量、钻孔间距、布置形式、岩土岩土的热物性、地下水渗流、系统运行时间等。的热物性、地下水渗流、系统运行时间等。 叠加原理方法大大减少了半经验模型中所做的假设，提高了计算速度。叠加原理方法大大减少了半经验模型中所做的假设，提高了计算速度。但是采用叠加方法来分析管群换热时，其但是采用叠加方法来分析管群换热时，其准确性受制于单井传热模型准确性受制于单井传热模型的准确性的准确性。由于目前国内外关于单井的传热模型大多都基于土壤为常。由于目前国内外关于单井的传热模型大多都基于土壤为常物性的纯导热模型，这与实际中土壤内的传热为多孔介质热渗耦合传

19、物性的纯导热模型，这与实际中土壤内的传热为多孔介质热渗耦合传热的真实情况不符，所以模型的计算结果必然存在误差。热的真实情况不符，所以模型的计算结果必然存在误差。 西安交通大学建筑节能研究中心研究进展研究进展为了评价和规范现有为了评价和规范现有土壤热物性现场测试方法土壤热物性现场测试方法，可，可以通过建立以通过建立“标准地质孔标准地质孔”进行，但难度较大。同时进行，但难度较大。同时评价中一定还会碰到如评价中一定还会碰到如加热器功率不稳定加热器功率不稳定带来的误差；带来的误差；传感器测量噪声传感器测量噪声的影响；流的影响；流体速度变化体速度变化的影响等问题。的影响等问题。采用模拟的手段则可以在一定

20、程度上弥补实验中带采用模拟的手段则可以在一定程度上弥补实验中带来的测试误差，有一定的优势。来的测试误差，有一定的优势。p 土壤热物性现场测试方法评价土壤热物性现场测试方法评价西安交通大学建筑节能研究中心表表1 参数设置参数设置参数名称参数名称数值数值钻孔直径钻孔直径/mm300钻孔深度钻孔深度/m60U型管外径型管外径mm32加热水箱加热水箱/mm500500600加热功率加热功率/kW2.0初始温度初始温度/K288.6表表2 数值模拟中的物性参数数值模拟中的物性参数类型类型材料构成材料构成密度密度kg/m3导热系数导热系数W/(m)比热比热cpJ/(kg)U型管型管聚乙烯聚乙烯9500.4

21、42300回填土回填土粗砂土粗砂土16001.81645土壤土壤粗砂土粗砂土16001.81645模型建立模型建立西安交通大学建筑节能研究中心050100150200288290292294296298300进口水温出口水温温度/K时间/h模拟结果模拟结果 系统运行系统运行200h以后，进以后，进出口水温差基本稳定在出口水温差基本稳定在1.30。 采用最后采用最后50h数据取进出数据取进出口水温平均值，计算得口水温平均值，计算得到稳定后的加热功率为到稳定后的加热功率为1887.7W。 用模拟得到的结果代替用模拟得到的结果代替实际测试的数据，用线实际测试的数据，用线热源模型进行线性拟合，热源模型

22、进行线性拟合，通过通过方法方法1得到测试的得到测试的，然后与模拟设置的真值然后与模拟设置的真值进行对比。进行对比。西安交通大学建筑节能研究中心数据处理数据处理891011121314288290292294296298平均温度/K时间对数实验数据点直线拟合y=278.27+1.463x R=0.9991.714QkH1.8 1.71100%5.0%1.8rE导热系数：导热系数：相对误差：相对误差：W/(m)西安交通大学建筑节能研究中心研究进展研究进展2：钻孔间距和布置形式的影响钻孔间距和布置形式的影响建立模型：建立模型：管群布置示意图管群布置示意图远端边界取160倍钻孔直径模型简化假设模型简化

23、假设:1）土壤的初始温度均匀，且被近似限大的传热介质；2）土壤具有常物性，忽略钻孔内热容的影响，将温度响应施加在钻孔壁面；3）不考虑地表的温度影响，忽略地下水的流动（无地下水渗流模型）；4）钻孔壁面温度恒定，只考虑径向导热。西安交通大学建筑节能研究中心无量纲参数无量纲参数热效率热效率E Ei i,1i nii nqEq,1,11ni niii nqnEq单井热效率：单井热效率：管群区域热效率：管群区域热效率：,1i nq为未受到热影响的单井的热流密度，为未受到热影响的单井的热流密度，W/m2。表表1 1 模拟基本参数设置模拟基本参数设置土壤物性=2.3 W/m. C=1195kJ/kg.K钻孔

24、直径120mm钻孔壁温32（305.15K）初始温度15.6（288.75K）模拟时间连续运行5000h模拟结果的评价指标模拟结果的评价指标其中其中西安交通大学建筑节能研究中心不同钻孔间距下管群热效率变化管群布置（36钻孔）钻孔间距对管群传热的影响钻孔间距对管群传热的影响 西安交通大学建筑节能研究中心远端边界远端边界对称边界对称边界7654321顺排1212钻孔布置时钻孔的热效率变化顺排（正方形）1212钻孔布置管群布置形式对传热的影响管群布置形式对传热的影响西安交通大学建筑节能研究中心管群：1212布置钻孔数量相同 顺排（正方形），钻孔间距4.572m； 叉排（正三角形），钻孔间距4.572m； 叉排（正三角形），钻孔间距4.913m，与顺排方式占用地表面积相同。相同钻孔数量，顺排、叉排布置时管群的热效率变化管群布置形式对传热的影响管群布置形式对传热的影响顺排和叉排的对比顺排和叉排的对比西安交通大学建筑节能研究中心36钻孔在不同管排数下的管群平均热效率变化对称边界远端边界远端边界远端边界对称边界远端边界远端边界远端边界对称边界远端边界远端边界远端边界对称边界远端边界远端边界远端边界对称边界远端边界远端边界远端边界相同钻孔数量，不同管排数（钻孔间距相同钻孔数量，不同管排数（钻孔间距4.572m）管群布置形式对传热的影响管群布置形式对传热的影