地源熱泵機組是以大地為熱源對建筑進(jìn)行空調(diào)的技術(shù)，冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高對建筑供暖，同時蓄存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑進(jìn)行降溫，同時蓄存熱量，以備冬用。由于其環(huán)保、節(jié)能、熱穩(wěn)定等特點，引起了世界各國的重視。歐美等發(fā)達(dá)國家地源熱泵的利用已有幾十年的歷史，特別是供熱方面已積累了大量設(shè)計、施工和運行方面的資料和數(shù)據(jù)。

  1、垂直套管式埋管地源熱泵試驗及傳熱模型

  通過豎埋單管試驗，地下套管式換熱器較U形管換熱器傳熱效率高20~25%，在單管試驗的基礎(chǔ)上，建設(shè)了10kw的地下套管式地源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)地下部分為5排15根，深10m的豎埋套管，錯排布置，間距1.5m，孔網(wǎng)與套管之間的縫隙用鉆孔回收的巖漿回填，套管直徑DN75~90mm，水管直徑dN15~25mm，管材均為PVC塑料管。地上部分為水-空氣熱泵空調(diào)器；水-水熱泵，末端采用立式風(fēng)機盤管和冷暖地板。

  熱泵自98年10月投入使用，經(jīng)過了兩個冬季，兩個夏季四個過渡季的連續(xù)運行測試，系統(tǒng)運行正常。冬季保持室溫18℃以上，夏季保持室溫28℃以下，熱泵系統(tǒng)間歇運行，平均運行時間每天8~9個小時。通過2年的使用，積累了大量測試數(shù)據(jù)，并得到了一些有價值的結(jié)論。

  （1）冬季運行，地下埋管，進(jìn)水溫度5.5~7.5℃（平均7.15℃），出水溫度11.5~13℃（平均12.13℃,溫差5℃左右），熱泵壓縮機吸氣壓力0.45~0.5Mpa（t0在3~6℃）；水-空氣熱泵排氣壓力1.4~1.65Mpa（tk在40~45℃）；水-水熱泵排氣壓力1.60~1.80Mpa（tk在45~50℃）。熱泵運行7~10天后，進(jìn)出水溫度趨于穩(wěn)定。

  （2）冬季運行室內(nèi)保持18~22℃（平均19.39℃）,熱泵間歇運行，月平均運行小時數(shù)7.58h，地下埋管單位溫度換熱量平均為77.93w/m，平均傳熱系數(shù)9.45w/mk。熱泵性能系數(shù)COP=3.06kw/kw。

  （3）夏天運行，地下埋管進(jìn)水溫度34~43℃（平均41.48℃），出水溫度27~34℃（平均32.3℃），溫差9℃左右，排氣壓力1.6~1.8Mpa（tk在45~50℃），熱泵壓縮機吸氣壓力，水-空氣熱泵P吸=0.45~0.5Mpa（t0在3~6℃），水-水熱泵P吸=0.40~0.45Mpa（t0在1~3℃）。熱泵運行20天后，進(jìn)出水溫度趨于穩(wěn)定。

  （4）夏季運行，室內(nèi)保持21~27℃（平均23.38℃），熱泵間歇運行，月平均運行小時數(shù)8.88h，地下埋管深度換熱量90.6w/m，平均傳熱系數(shù)5.70w/mk，熱泵制冷系數(shù)5.70w/mk，熱泵制冷能效比EER=3.46kw/kw。

  （5）地下埋管支路是三根豎管串聯(lián)，經(jīng)測試各豎管溫差平均為1.9、1.5、1.6℃，表明各豎管傳熱基本均勻。

  （6）地下埋管系統(tǒng)流量大小對埋管換熱器的傳熱有重要影響，經(jīng)變水量測試，每個支管環(huán)路1200kg/h左右為最佳流量，此流量相當(dāng)供水支管水流速1m/s，本管內(nèi)水流速0.1m/s。在最佳水流量下單位埋管深度換熱量和EER到達(dá)最大值。

  （7）經(jīng)重慶幾個工程實例比較，地源熱系統(tǒng)造價比家用分體空調(diào)器造價要高40~50%，用節(jié)約的電費償還期約為4~5年。

  （8）經(jīng)測試分析地下埋管內(nèi)熱短路現(xiàn)象嚴(yán)重，測試結(jié)果為0.3~0.4℃，占埋管換熱量的20%左右，如何減小熱短路，提高豎埋管的傳熱效率是需進(jìn)一步研究的手段。

  （9）建立完善的地下埋管傳熱模型，以確定不同地區(qū)，不同巖土性質(zhì)下的最佳地下埋管換熱器尺寸，繼推廣和發(fā)展地源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)，作為參照V.C.Wei地下埋管傳熱理論，采用系統(tǒng)能量平衡結(jié)合熱傳導(dǎo)方程建立了二維溫度場數(shù)學(xué)模型，其中包括單管間歇（或連續(xù)）運行傳熱模型，串聯(lián)套管傳熱模型，管群換熱模型。該模型經(jīng)驗證，比實測值偏低10%左右，若經(jīng)進(jìn)一步完善和修正，對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計及運行具有重要的參考及應(yīng)用價值。

  （10）正確了解熱泵冬（夏）季運行終止至夏（冬）季熱泵運行開始，這個過渡季期間內(nèi)，大地溫度的變化情況，是建立地下埋管傳熱模型的重要邊界條件，也是保證地源熱泵長期有效運行的重要數(shù)據(jù)。作為采用按徑向和管長方向建立二維傳熱模型計算大地溫度恢復(fù)情況，并編制了相應(yīng)的程序，計算值與實測結(jié)果有很好的吻合性。

  （11）經(jīng)模型計算，地源熱泵連續(xù)運行30天熱影響最遠(yuǎn)的距離（即傳熱遠(yuǎn)邊界半徑）為6m左右，但經(jīng)計算其不同距離埋管對豎管干擾引起的大地?zé)?/a>阻變化已變小，其干擾程度已小于2%，因此認(rèn)為埋管間距采用3m是可行的，這與實測結(jié)果是一致的。

  2、垂直U形埋管地源熱泵實驗

  青島建工學(xué)院1998年建設(shè)了垂直鋪設(shè)的土壤源冷熱兩用閉式熱泵系統(tǒng)，地面設(shè)備采用美國谷輪OM300熱泵機組和立式風(fēng)機盤管；地下垂直埋設(shè)一根d45*4mmU形聚乙烯塑料管，深53m，孔網(wǎng)直徑1.10m，塑料管總長110m（包括水平埋管4m），為了測試土壤溫度變化，距主井每隔0.8m打一深13m的輔井。1998年8月26日開始運行測試，整個試驗包含了二個夏季，一個冬季和二個春秋季，共五個季節(jié)。通過試驗得到了如下結(jié)論：

  （1）垂直埋管系統(tǒng)既可作為冬季采暖的熱源，又可作為夏季空調(diào)的冷源，一機兩用是可行的，它同水平敷設(shè)的系統(tǒng)比較，只占用極小的室外場地。

  （2）采用一個單井作熱泵冷熱源時。夏季儲熱和冬季的儲冷不明顯，從設(shè)計角度可不予考慮。

  （3）經(jīng)過整個夏天（或冬天）的長期運行，埋管周圍溫度場發(fā)生變化，其作用半徑大約3m左右。

  （4）塑料埋管同地下的熱交換能力如下：

  a.向地下放熱（制冷工況）：按管長計算：20m/kw；按井深計算10m/kw；按管路外表面積計算；2.5m2/kw；

  b.從地下吸熱（制熱工況）：按管長計算：35m/kw；按井深計算：17~18m/kw；按管路外表面積計算：4.5m2/kw。

  設(shè)計管路系統(tǒng)可按冬季工況設(shè)計，對夏季工況進(jìn)行校核。

  （5）在選擇R22蒸發(fā)器和冷凝器時，建議參數(shù)如下：冷凝溫度≤60℃，蒸發(fā)溫度-2~7℃，制熱時取低值，地下埋管充液按能抵抗-7℃的低溫。地下流體流動溫升6~8℃，蒸發(fā)器傳熱平均溫差6~12℃，制熱時取低值。冷凝器傳熱平均溫差8~14℃，室內(nèi)液體一般可不充防凍液。

  （6）引進(jìn)西方國家鉆井下管一條成施工作業(yè)；開發(fā)特殊塑料管件：U型管件，二管接管技術(shù)。引進(jìn)和開發(fā)特殊鉆井回填填料，西方國家采用特殊的回填料可提高傳熱效果。

  3、地源熱泵采用蓄熱水箱的夏季工況分析

  一般地源地下埋管均為直流式水系統(tǒng)，當(dāng)熱泵間歇運行時，會造成壓縮機起動負(fù)荷大，采用蓄熱水箱就是在室外側(cè)水系統(tǒng)上并聯(lián)一個蓄熱水箱，當(dāng)熱泵停止運行的間歇期，室外側(cè)循環(huán)水泵繼續(xù)運行使水流過蓄熱水箱，以降低水箱及室外側(cè)水系統(tǒng)的溫度，經(jīng)實驗檢驗和數(shù)值模擬計算，采用為上方式可以明顯降低水溫，也即降低壓縮機起動階段的冷凝溫度最終達(dá)到節(jié)能效果。

  4、土壤及其黃砂混合物導(dǎo)熱系數(shù)的實驗研究

  發(fā)展和推廣地源熱泵關(guān)鍵問題是要根據(jù)不同氣候條件下及土壤的蓄、放熱能力，選擇熱泵系統(tǒng)的合理容量和土壤中放熱量的最佳間距和深度從而確定出最佳安裝方案以便得到最大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。本研究采用針對我國華東地區(qū)的有代表性土壤及不同比例的沙土混合物進(jìn)行測試，其結(jié)論是：

  （1）濕土壤及土沙混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，隨密度P和含水率W的增加而增加。

  （2）實驗的純土壤、純黃沙，土沙比分別為1:2的混合物四種不同的測試對象中，以土壤混合物為1:2的導(dǎo)熱系數(shù)最大，其關(guān)聯(lián)式為K=2.38*10-10W0.79P2.79w/mk。

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