地源热泵技术

  地源热泵机组是以大地为热源对建筑进行空调的技术，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。由于其环保、节能、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。

  1、垂直套管式埋管地源热泵试验及传热模型

  通过竖埋单管试验，地下套管式换热器较U形管换热器传热效率高20~25%，在单管试验的基础上，建设了10kw的地下套管式地源热泵系统，该系统地下部分为5排15根，深10m的竖埋套管，错排布置，间距1.5m，孔网与套管之间的缝隙用钻孔回收的岩浆回填，套管直径DN75~90mm，水管直径dN15~25mm，管材均为PVC塑料管。地上部分为水-空气热泵空调器；水-水热泵，末端采用立式风机盘管和冷暖地板。

  热泵自98年10月投入使用，经过了两个冬季，两个夏季四个过渡季的连续运行测试，系统运行正常。冬季保持室温18℃以上，夏季保持室温28℃以下，热泵系统间歇运行，平均运行时间每天8~9个小时。通过2年的使用，积累了大量测试数据，并得到了一些有价值的结论。

  （1）冬季运行，地下埋管，进水温度5.5~7.5℃（平均7.15℃），出水温度11.5~13℃（平均12.13℃,温差5℃左右），热泵压缩机吸气压力0.45~0.5Mpa（t0在3~6℃）；水-空气热泵排气压力1.4~1.65Mpa（tk在40~45℃）；水-水热泵排气压力1.60~1.80Mpa（tk在45~50℃）。热泵运行7~10天后，进出水温度趋于稳定。

  （2）冬季运行室内保持18~22℃（平均19.39℃）,热泵间歇运行，月平均运行小时数7.58h，地下埋管单位温度换热量平均为77.93w/m，平均传热系数9.45w/mk。热泵性能系数COP=3.06kw/kw。

  （3）夏天运行，地下埋管进水温度34~43℃（平均41.48℃），出水温度27~34℃（平均32.3℃），温差9℃左右，排气压力1.6~1.8Mpa（tk在45~50℃），热泵压缩机吸气压力，水-空气热泵P吸=0.45~0.5Mpa（t0在3~6℃），水-水热泵P吸=0.40~0.45Mpa（t0在1~3℃）。热泵运行20天后，进出水温度趋于稳定。

  （4）夏季运行，室内保持21~27℃（平均23.38℃），热泵间歇运行，月平均运行小时数8.88h，地下埋管深度换热量90.6w/m，平均传热系数5.70w/mk，热泵制冷系数5.70w/mk，热泵制冷能效比EER=3.46kw/kw。

  （5）地下埋管支路是三根竖管串联，经测试各竖管温差平均为1.9、1.5、1.6℃，表明各竖管传热基本均匀。

  （6）地下埋管系统流量大小对埋管换热器的传热有重要影响，经变水量测试，每个支管环路1200kg/h左右为最佳流量，此流量相当供水支管水流速1m/s，本管内水流速0.1m/s。在最佳水流量下单位埋管深度换热量和EER到达最大值。

  （7）经重庆几个工程实例比较，地源热系统造价比家用分体空调器造价要高40~50%，用节约的电费偿还期约为4~5年。

  （8）经测试分析地下埋管内热短路现象严重，测试结果为0.3~0.4℃，占埋管换热量的20%左右，如何减小热短路，提高竖埋管的传热效率是需进一步研究的手段。

  （9）建立完善的地下埋管传热模型，以确定不同地区，不同岩土性质下的最佳地下埋管换热器尺寸，继推广和发展地源热泵的关键技术，作为参照V.C.Wei地下埋管传热理论，采用系统能量平衡结合热传导方程建立了二维温度场数学模型，其中包括单管间歇（或连续）运行传热模型，串联套管传热模型，管群换热模型。该模型经验证，比实测值偏低10%左右，若经进一步完善和修正，对地源热泵系统设计及运行具有重要的参考及应用价值。

  （10）正确了解热泵冬（夏）季运行终止至夏（冬）季热泵运行开始，这个过渡季期间内，大地温度的变化情况，是建立地下埋管传热模型的重要边界条件，也是保证地源热泵长期有效运行的重要数据。作为采用按径向和管长方向建立二维传热模型计算大地温度恢复情况，并编制了相应的程序，计算值与实测结果有很好的吻合性。

  （11）经模型计算，地源热泵连续运行30天热影响最远的距离（即传热远边界半径）为6m左右，但经计算其不同距离埋管对竖管干扰引起的大地热阻变化已变小，其干扰程度已小于2%，因此认为埋管间距采用3m是可行的，这与实测结果是一致的。

  2、垂直U形埋管地源热泵实验

  青岛建工学院1998年建设了垂直铺设的土壤源冷热两用闭式热泵系统，地面设备采用美国谷轮OM300热泵机组和立式风机盘管；地下垂直埋设一根d45*4mmU形聚乙烯塑料管，深53m，孔网直径1.10m，塑料管总长110m（包括水平埋管4m），为了测试土壤温度变化，距主井每隔0.8m打一深13m的辅井。1998年8月26日开始运行测试，整个试验包含了二个夏季，一个冬季和二个春秋季，共五个季节。通过试验得到了如下结论：

  （1）垂直埋管系统既可作为冬季采暖的热源，又可作为夏季空调的冷源，一机两用是可行的，它同水平敷设的系统比较，只占用极小的室外场地。

  （2）采用一个单井作热泵冷热源时。夏季储热和冬季的储冷不明显，从设计角度可不予考虑。

  （3）经过整个夏天（或冬天）的长期运行，埋管周围温度场发生变化，其作用半径大约3m左右。

  （4）塑料埋管同地下的热交换能力如下：

  a.向地下放热（制冷工况）：按管长计算：20m/kw；按井深计算10m/kw；按管路外表面积计算；2.5m2/kw；

  b.从地下吸热（制热工况）：按管长计算：35m/kw；按井深计算：17~18m/kw；按管路外表面积计算：4.5m2/kw。

  设计管路系统可按冬季工况设计，对夏季工况进行校核。

  （5）在选择R22蒸发器和冷凝器时，建议参数如下：冷凝温度≤60℃，蒸发温度-2~7℃，制热时取低值，地下埋管充液按能抵抗-7℃的低温。地下流体流动温升6~8℃，蒸发器传热平均温差6~12℃，制热时取低值。冷凝器传热平均温差8~14℃，室内液体一般可不充防冻液。

  （6）引进西方国家钻井下管一条成施工作业；开发特殊塑料管件：U型管件，二管接管技术。引进和开发特殊钻井回填填料，西方国家采用特殊的回填料可提高传热效果。

  3、地源热泵采用蓄热水箱的夏季工况分析

  一般地源地下埋管均为直流式水系统，当热泵间歇运行时，会造成压缩机起动负荷大，采用蓄热水箱就是在室外侧水系统上并联一个蓄热水箱，当热泵停止运行的间歇期，室外侧循环水泵继续运行使水流过蓄热水箱，以降低水箱及室外侧水系统的温度，经实验检验和数值模拟计算，采用为上方式可以明显降低水温，也即降低压缩机起动阶段的冷凝温度最终达到节能效果。

  4、土壤及其黄砂混合物导热系数的实验研究

  发展和推广地源热泵关键问题是要根据不同气候条件下及土壤的蓄、放热能力，选择热泵系统的合理容量和土壤中放热量的最佳间距和深度从而确定出最佳安装方案以便得到最大的经济和环境效益。本研究采用针对我国华东地区的有代表性土壤及不同比例的沙土混合物进行测试，其结论是：

  （1）湿土壤及土沙混合物的导热系数，随密度P和含水率W的增加而增加。

  （2）实验的纯土壤、纯黄沙，土沙比分别为1:2的混合物四种不同的测试对象中，以土壤混合物为1:2的导热系数最大，其关联式为K=2.38*10-10W0.79P2.79w/mk。

  湖北地大热能科技有限公司，依托中国地质大学（武汉）地热开发研究所，已成为国内一家专业从事地热资源勘查、开发、利用的高新技术企业；免费为广大客户提供全国地热资源查询和专业技术咨询。 公司主要经营业务领域为：地热勘查，地热应用，温泉开发，节能减排，地质旅游。 主要业务方向：地热资源的勘查、设计与施工、地热能的开发利用以及温泉资源的管理和规划提供专业技术服务。 地大热能坐落于国内地学最高学府的中国地质大学（武汉）校园内，从20世纪60年代成立水文地质组开始，经历了70年代的国内最活跃、最具影响力的地热领域权威机构阶段，再到80-90年代参与国内大量地热资源勘查与开发项目，最终在新世纪正式成立中国地质大学（武汉）地热开发研究所，进行学科集成，实现产、学、研一体化发展，提高地热勘查、开发与应用的技术水平。电话：027—87580888 网址http://www.hbddrn.com