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1、西南交大建环,蓄能技术理论与应用,内容,基本概念发展概述基本传热理论地埋管换热器实验 测试新技术部分研究工作,基本概念名词,地源热泵GSHP（Ground Source Heat Pump）；土壤耦合热泵系统(GCHP)地下水热泵系统(GWHP)地表水热泵系统(SWHP)埋管换热器BHE（Borehole Heat Exchanger）（注：在美国，公认的术语则是“竖直环路”）；地热蓄能UTES（Underground Thermal Energy Storage）。,基本概念定义,地源热泵（ground-source heat pumps）是一种利用地下浅层地热资源（包括地下水、土壤或地表水
2、等）的，既可供热又可制冷的高效节能装置。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，一部分蓄积在排热点附近，一部分通过土壤的导热和土壤中水分的迁移热量扩散出去。冬季供热时，大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器，只是因季节不同而功能不同。可以看到，在地源热泵空调系统中，由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使大地热量基本平衡。,基本概念地源热泵GSHP特点,低运行费用，能效比高，约是传统空调系统的1.21.5倍可不设冷却塔、锅炉地温稳定，不受室外温度影响，高效，运行稳定对环境影响小，绿
3、色环保维护费用较低一机多用，可用于供热、供冷、供生活热水地埋管系统经久耐用，寿命可达20年以上对前期工作中，地质条件探查有较高要求,基本概念 COP与热源温度关系,基本概念地源热泵（GSHP）基本型式,地源热泵（GSHP），又名地热热泵，实际上都是热泵和与大地换热系统的复合物（图1）。他们基本上都含有一个地下换热器（称这种系统为“闭环系统”），或是一个用井中的地下水来运行的系统（称这种系统为“开环系统”）。热量能通过以下几种方式从地下提取：地下水井（即所谓的“开式系统”）；竖直埋管换热器（即BHE）；水平埋管换热器；“地下构造物”（装有换热器的基桩）。图1表示了一个典型的BHE装置。制热工况，
4、以大地作为热源，用液体（通常是水或是水与防冻剂的混合物）作为热媒，以利用地热；制冷工况下，系统则以大地作为冷源。每输出1kWh的热量或冷量，通常只消耗0.220.35kWh的电能，较之使用空气作为热/冷源的空气-空气热泵，在相同时间里节省了3050%的能耗。,发展概述-欧洲,地源热泵是节能项目；采暖中应用较多；大多数的欧洲国家并未拥有足量的可以直接拿来使用的地下热水资源（但像冰岛、匈牙利和法国等国家则不在此例）。应用低焓蓄水层来向大量的用户供暖也只是局限于具有特殊地质背景的地区。在这种情况下，在非集中式的GSHP系统中利用普遍存在的浅层地热资源成为了必然的选择。研究比较深入和实用；,发展概述-
5、美国,到目前为止，全球75%的地源热泵安装在北美地区；直接膨胀(DX)热泵系统：针对住宅(别墅)建筑和小型商用建筑，顾虑主要集中在对环境保护以及系统的使用年限上。目前大部分北美热泵制造商均提供这种直接膨胀的DX热泵系统。混合热源(Hybrid)系统：即采用地源和其它热源的混合方式。最主要的是地源和空气源的混合，这种混合方式运行的效率可以达到和完全埋管方式相当的水平，但埋管的规模却仅为后者的1/31/2。初期投资显著降低，系统的经济性明显提高。运行策略是通过室内需求，当时电价，室外空气温度以及地下循环温度的综合模型优化形成的。垂直立井(StandingColumnWell)系统：这种形式的系统即
6、不同于抽取地下水的开始系统，也不同于封闭的套管系统，而被认为是一种半开半闭式的系统。系统的寿命、可靠性、设备的免维护方面等均不如封闭式系统，但地下系统的投资可大幅度降低。金属板式换热(JimSlim)系统：由于北美的住宅占地大，并且大量的房子临水(湖、河、溪)而建，因此一种平板式的金属(钛)换热器被用来直接沉放在水体里面，作为从浅表水中提取能量的装置。这种方式受欢迎原因在于其安装简便、成本低、运行效果好。热泵和燃料电池(FuleCell)复合系统：正在进行中的技术中，以家庭能源系统和地源热泵的结合最为有挑战性，其中策略之一是将氢电池(FuelCell)和地源热泵、太阳能结合形式成一个独立的无外
7、部能源供应、但可提供电力照明、冷暖气的系统。非常适合远电力输送的地区。,发展概述-GSHP系统的关键技术,埋地换热器传热模型的研究 回填材料的研发 土壤热源热泵系统的合理配置 土壤热物性的研究,基本传热理论-地表活动层初始温度场分布,基本传热理论-开尔文线源理论,根据拉氏变换可得温度解析解的基本型式,热响应实验测试的重要性,与其他空调形式相比，地埋管地源热泵增加了地埋管换热系统，其设计方案直接影响到系统的经济性和可靠性。为了提高地源热泵系统的经济性和可靠性，在建设初期应该掌握项目地的地埋管换热器的换热特性，进行相关的勘察、测试工作。勘察、测试工作获取的参数包括地层岩性、岩土初始平均温度、岩土体
8、热物性参数（主要是平均导热系数）及其他参数（如冬、夏季运行工况单位延米换热量、综合传热系数等）。,热响应实验-实验概况,额定工况下，热泵产出的有效能量与其所耗电能的比定义为“性能系数”COP（CoefficientofPerformance）。COP值主要取决于从地下回路中出来的即将进入热泵的水的温度，而入口水温又主要取决于当地的地质条件（地下热能和地下水的参数，气候环境）和热泵的技术参数（地下换热器的长度、类型，灌浆的原料、类型和质量，等等）。影响一台热泵的COP值的其他因素有热/冷负荷，建筑物供暖/冷系统的类型和相关的设计供给温度。在地表下约10m深处，地下温度全年基本上都是不变的（主要取
9、决于当地天气的情况和周围介质的温度），而且随着距地表处深度的增加温度的增幅却不大，因此，BHE显示出了比水平埋管换热器更好的运行性能和节能效果。,热响应测试,在热响应测试中Sanner等，2000，使BHE承担一个已设定好的热负荷，然后测出在循环中最终的温度变化（图3）。由于通过这项技术确定的埋管尺寸是以可靠的地下数据为基础的，因此从1999年年中起，在欧洲中部的大容量BHE设计中也开始采用了该项技术。热响映测试早在1995年就在瑞典和美国得到了率先发展Eklof和Gehlin，1996；Austin，1998；目前，已经在包括土耳其在内的许多国家得到了应用。在使用了可靠的设计软件之后Hell
10、strom和Sanner，1994；Hellstrom等，1997，即便是在大型的应用中，BHE也能成为一种安全可靠的技术。国内目前也在使用这项技术。,热响应实验-实验流程,测试方法,测试方法1,优点：1）测试设备结构简单；2）相关理论研究成果多，理论依据充分；缺点：1）传热模型存在适用性问题，假设条件与实际地质情况差距较大；2）需要多次模型计算，增加误差累计；3）计算具有较强专业性，从业单位掌握程度参差不齐。,测试方法2,优点：1）测试结果直观；2）设计结果可校核；缺点：1）相关理论研究成果较少，忽略管井间热干扰和非稳态传热因素；2）测试设备复杂。,热响应实验规范要求,在GB50366-20
11、05地源热泵系统工程技术规范（2009年版）中，对地源热泵系统的前期勘察测试工作做了补充规定。1）测试孔数量 30005000m2宜进行测试，5000m2以上应进行测试，10000m2以上测试孔数量不应少于2个；2）测试时间 测试孔安装完成后48小时后进行测试，若回天水泥砂浆则需10天后测试；测试持续时间不宜少于48小时；,热响应实验规范要求,3）测试设备及现场条件 仪器仪表应具有有效期的校准证书，且精度（测量误差）满足一定的要求。测试现场具有稳定的电源，要求波动不大于5%；4）温度要求 地埋管换热器出水温度稳定（不少于12小时内，温度波动小于1）；加热功率大小应满足地埋管换热器出水温度高于岩
12、土初始平均温度5；5）其他 需获取地层岩性；单位延米换热量作为设计参考。,热响应实验数据整理,通过分析稳定工况的试验数据，可以计算出单位长度地埋管换热器平均传热系数，在数值上，它等于单位长度地埋管换热器的换热量与地埋管换热器进出水平均温度和岩土的初始温度的差值的比值，单位为W/mK。单位长度地埋管换热器平均传热系数，W/（mK）；特定工况下单位延米地埋管换热器的换热量，W/m；地埋管换热器进出水平均温度，；岩土的初始温度，；,目前国内对地埋管换热器换热测试设备没有统一的规定，名称也各不相同，常见的有：冷、热响应测试仪（北京华清荣昊）土壤热物性测试仪（建研院空调所）岩土热物性测试仪（山东建工）热
13、响应测试仪（天大、河北工大等）浅层岩土体热物理性能原位测试仪（吉大）其它（北京地质大学、同济、北工大等）,测试设备,热响应实验-初温测定,在众多的设计参数之中，被认为最容易测定也是最容易被忽略的就是岩土初始平均温度。众所周知，温差是热量传递的驱动。对于地源热泵的地埋管换热系统，地埋管换热器的平均温度与岩土平均温度的温差是热量传递的驱动力。因此，做好岩土初始平均温度的测定工作对于地埋管换热器的设计非常重要。规范规定，岩体初始平均温度的测试应采用布置温度传感器的方法。测点的布置宜在地埋管换热器埋设深度范围内，且间隔不宜大于10m；以各测点实测温度的算术平均值作为岩土初始平均温度。我公司根据开发的浅
14、层地温能热（冷）响应测试仪的特点，在实际的现场试验中总结出三种方法，分别是无功循环法、地埋管水温平衡法和垂向布置温度传感器法。,初温无功循环法,无功循环法是在不向地埋管换热器加载冷、热量的情况下，使水在地埋管内形成循环，在循环水的温度达到稳定时，此时循环水与岩土达到热平衡，该温度即为岩土初始平均温度。在实际测试过程中，当地埋管换热器的进水温度Tin和回水温度Tout的温差持续1小时不大于0.1时，即可认为循环水温度达到稳定。,初温地埋管水温平衡法,地埋管水温平衡法是测试孔安装完成后在PE管内充满水，足够时间后，PE管内的水与岩土体的温度达到平衡，此时通过水泵循环将PE管内的水泵出，同时监测水温
15、的变化，分析岩土体的温度的方法。与无功循环法相比，地埋管水温平衡法测试时间短，不受初始条件限制，能够测定不同深度地层的温度。但从理论上PE管内的水流至测温点的过程中将会与岩土体发生热交换，温度会发生变化，因此测定的不同深度地层的温度与实际该地层的温度稍有偏差。,初温布置温度传感器法,垂向布置温度传感器法是沿地埋管换热器深度方向不同的深度布置温度传感器，通过实时监测温度传感器的监测数值，确定不同深度地层的温度。与前两种方法比较，该方法没有水泵驱动，因此没有水泵功耗对地层温度的影响，测定结果更加准确。垂向布置温度传感器法可采取两种形式，一种是在PE管外布置温度传感器，另一种是在PE管内布置温度传感
16、器。,初温,稳定热流模拟试验,线源模型,稳定工况模拟试验,温度恢复,夏季地层温度恢复测试,冬季地层温度恢复测试,新技术地埋管换热器研究,岩土热物性地层岩性地下水参数数值方法,注：Fo 傅里叶数是非稳态导热计算时确定导热系数的准数。在非稳态导热过程中，Fo愈大，热扰动愈能深入地传播到物体内部，使物体内部各点温度趋于均匀一致。并接近于周围介质温度。,新技术地质体建模,一、建模对象主要包括：1.地层岩性 电阻率测井等物探方法2.地下水参数 抽水试验、水文物探方法、地 下水流速流向仪二、建模软件：FeoFlow、GMS、Surfer、Gis等,新技术分层测试,部分研究工作-BHE的研究,尽管现有的地源
17、热泵的COP最高值在4.5左右，但是他们运行时的COP平均值却不高。这个通常也被成为“周期性能因数”即SPF（SeasonalPerformanceFactor）的COP平均值，被定义为在机组运行时的COP值的平均数，一般都在SPF=3.03.8的范围内。对于属于地热热泵范畴的所有系统，或是任何一个有适宜建筑物使用的供暖系统，如果对其应用较高品质的标准，其SPF的值也能达到SPF=4.0的水平，但是如此一来，却不能再从热泵处获得一般都能由此获得的生活热水了。,部分研究工作-BHE的研究,在使用BHE时，能否达到指定的能量产出量在于埋管长度是否足够，而埋管长度则主要取决于土壤的特性，包括温度、含
18、水量、颗粒的形状尺寸和传热系数。BHE的正确尺寸是而且总是设计中所关注的问题，另外与BHE邻近并接触的土壤的地质特性也受到了特别的关注。而最关键之处在于建筑物的负荷，埋管间距，埋管填充材料和当地土壤特性。由于投入了很高的初投资费用，如果埋管的尺寸过大的话，我们将会付出比常规的系统费用更大的代价。近年来很重要的技术发展：能提高导热系数的灌浆材料的应用。,增强导热的灌浆材料在美国已有近10年的应用。这种材料的应用使得埋管热阻有了明显的降低（图4），而埋管热阻则决定着温度恒定的地下和BHE管里面的流体两者之间的温度损失。在图4的表格中给出了典型BHE的一些数据，通过对不同灌浆材料的BHE应用热反映测
19、试，也能在现场证明其使用效果。,提高导热系数的灌浆材料的应用,土壤有效导热系数的试验研究,土壤有效导热的一般表述含水率密度饱和度土温 t空隙比 e,探针测量试验原理,1.加热器引线 2.热电偶 3.陶瓷管 4.热电偶引线 5.不锈钢套管 6.环氧树脂 7.不锈钢管 8.石蜡填料 9.双股加热器绕线 10.焊接封头,式中，是单位长度探针的热容量。是单位长度探针单位时间的发热量。根据拉氏变换可得探针的过余温度,土壤有效导热系数的试验研究,土壤有效导热系数的分形研究,剖面固体颗粒分布分维,面积测量尺度固体颗粒面积无标度空间土壤样品1：10-6mm24mm2 土壤样品2：10-3mm2100mm2,土
20、壤剖面上固体颗粒分布自相似规律,土壤样品粒径分布自相似规律,土壤结构的分形模型,土壤样品有效导热系数的分形表述,土壤样品1,土壤样品2,土壤样品 1,土壤样品 2,土壤样品有效导热系数数据比较,样品1 试验数据 分形计算数据,样品2 试验数据 分形计算数据,部分研究工作-太阳能地源热泵空调系统,必要性 我国北方地区，建筑物冬季热负荷较大，系统设计以热负荷为主。若完全采用地源热泵来供暖的话，则地热换热器和机组的初投资均比较高，连续运行的效率也较低。而在夏季运行时，机组的容量就过大，造成浪费。而且由于这些地区冬季从大地取热多于夏季大地的蓄热，长期运行将造成大地温度降低，热泵系统的cop值也比较低，
21、系统将无法满足设计要求，热泵的节能效果就体现不出来。而采用太阳能作为辅助热源，使热泵系统可以按照夏季工况进行设计，由太阳能集热器承担一部分热负荷，这将大大降低地源部分的初投资。即使在南方地区，对于常年有卫生热水需求的场所，利用太阳能和热水机组+热泵机组，也具有节能和减少初投资的潜力。,太阳能作为辅助热源的可行性,我国拥有丰富的太阳能资源（见表一）。据统计，每年中国陆地接收的太阳辐射总量，相当于24000亿t标煤，全国总面积23地区年日照时间都超过2000h，特别是西北一些地区超过3000h，这就为在热泵系统中利用太阳能提供了宝贵的资源。而且太阳能是取之不尽，用之不竭的一种绿色环保能源，不受任何
22、人控制和垄断，它的利用也比较灵活，规模可大可小。但是太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。然而随着科学技术的不断进步，人们对太阳能的利用技术将不断成熟，从而逐渐使太阳能合理的应用于建筑物的供热供冷系统中，改善人类的居住环境，代替目前的一次石化能源而成为本世纪的重要能源之一。,太阳能系统的结合原则,太阳能系统与地源热泵系统联合供热的原则是：在经济许可的前提下最大限度地利用太阳能。太阳能是完全免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用最低，所以在经济许可的情况下，尽可能增大太阳集热器的面积，以
23、提高太阳能的利用率，以地源热泵系统为主，太阳能系统为辅助热源，但在运行控制上要优先采用太阳能，并加以充分利用。,太阳能+地源热泵,太阳能+水源热泵,案例,跨季节蓄热太阳能集中供热系统（简称CSHPSS）主要是通过一定的存储媒介，如热水型蓄热、砾石-水蓄热、埋管土壤蓄热和蓄水层蓄热等，进行太阳能量存储，以补偿太阳辐射与热量需求的季节性变化，从而达到更高效利用太阳能的目的12。在欧洲，CSHPSS系统中太阳能占总热需求量的比例已达到4060%，CSHPSS系统已成为国际上比较流行、极具发展潜力与大规模利用太阳能的首选系统之一，并相继建造了一些示范工程。,示范工程,总建筑面积5666m2，共3层。包
24、含有办公室、图书室、会议室等常规空调区域，和篮球馆、乒乓球室、重量训练区等休闲区域，还有游泳池、洗浴等常年需要热水供应的娱乐区域。建筑物冬季设计热负荷为433.7kW，夏季设计冷负荷为461.7kW。图1为SGCHPSS系统的组成与示范工程应用。SGCHPSS组合系统由太阳能集热系统、地下埋管、地源热泵、热水和末端系统五部分组成。SGCHPSS系统中，太阳能集热选用600m2的平板型太阳能集热器，蓄热水箱为10m3；地源热泵系统有2台水-水式水源热泵机组，负担1层的大厅、游泳池、篮球馆等大空间的采暖空调负荷；2、3层各房间的采暖空调分别由小型的水-空气式水源热泵机组来承担。地下U型埋管换热器由
25、60口埋深20m的双U型桩埋管和48口埋深120m的双U型井埋管组成，其中井埋管中有8口为蓄热井。,地源热泵空调系统存在的问题,（1）设备容量问题：由于土壤的导热系数小，埋地换热器的面积会比较大，而各个地区由于具体条件的限制，单独依靠地源热泵空调系统无法满足设计要求；（2）初投资较大：地源热泵的初投资不仅包括传统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋地盘管投资、埋地盘管敷设投资等；（3）土壤温度场的恢复问题：随着地源热泵空调系统单独供热或供冷运行时间的延长，土壤内的温度场长期得不到恢复，系统将无法满足建筑物的冷、热负荷要求；尤其是对于冷热负荷相差很大的地区，从地下取热过多或向地下散热过
26、多，常年运行将会对地下温度场产生影响；,地源热泵空调系统存在的问题,（4）维修不便：一旦埋地换热器发生泄漏，很难进行维修；（5）设计问题：由于目前对地源热泵地下换热器的传热模型还没有形成成熟的理论，各个研究机构对地下部分的传热机理依然处于探讨阶段，因此在对埋地盘管进行设计时主要依靠经验数据，而由于各个地区地质情况、地下温度的分布情况等各不相同，使得设计没有可靠的理论依据；（6）污染问题：地热资源主要包括地下水、土壤或地表水等，在利用上或多或少都会对其造成污染，尤其对地下水体的污染问题比较突出，且地下水体一旦污染，恢复周期比较长（根据不同地区、不同地质条件在停止污染后恢复期大约在12年以上）。,研究方向,提高经济性为核心；系统优化；提高系统COP；传热问题；施工问题；可靠性问题；设备研究,
