地源热泵介绍

可再生能源－－地源热泵同济大学暖通空调及燃气研究所张旭教授&博导&所长&博士后1.地热资源的利用2.土壤热源热泵系统（GSHP）综述3.土壤有效导热系数的研究及热响应实验4.土壤热源热泵系统地埋管换热器放热量实验5.GSHP系统设计6.上海天邻别墅GSHP系统分析7.大规模地源热泵土壤温度变化模拟8.国内GSHP系统工程应用地热资源的利用目前，建筑节能开展得如火如荼，地源热泵系统作为一种可再生能源系统，正受到前所未有的重视。《中华人民共和国可再生能源法》已由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议于2005年2月28日通过，现予公布，自2006年1月1日起施行。GSHP系统综述GSHP系统术语GSHP系统类型GSHP系统与常规家用空调系统的比较GSHP系统的优点GSHP系统的关键技术大地初始温度场分布埋地换热器传热数学模型GSHP系统综述地源热泵系统(GSHP)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)GSHP系统供热模式GSHP系统制冷模式系统比较常规家用空调系统GSHP的优点低运行费用，比传统空调系统节能25～50％多余过热蒸汽经减温装置，夏季向用户提供免费热水，冬季热水加热的费用减半低噪声，运行安静不受室外温度波动影响，高效，运行稳定对环境影响小，绿色环保提供优质的室内热舒适环境低维护费用,为传统空调系统的1/3用于区域供热、供冷，调节性高经久耐用，寿命可达20年以上结构紧凑，无外挂设备，美观大方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土壤热物性的研究大地初始温度场分布])(2(2cos[])(exp[),(21021aTzTaTzATzTms埋地换热器传热数学模型0,2,,011320322rtrrtrqdrtttaqrtrrtll根据拉氏变换可得温度解析解dzezqttazrl4030214半径m0.01250.51233.5温度℃-5.584.275.997.367.827.91t=960h不同土柱半径处土壤温度土壤有效导热系数研究土壤有效导热系数试验研究（1996～1997）土壤有效导热系数的分形研究（2002～2003）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Sr),,,,(Sretfe),(fe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Lwwooqddcrrrrrrarrr200,0,00,1122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wpwcrc20Lq221ln211214ln4FoOFoFocFoqLw1ln4ddqwL土壤有效导热系数的试验研究Fig.1土Fig.2砂Fig.4土砂比2：1Fig.3土砂比1：2土壤有效导热系数的分形研究SectionPlaneofSoilSample1SectionPlaneofSoilSample2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1：10-6mm2～4mm2土壤样品2：10-3mm2～100mm2jSjX土壤剖面上固体颗粒分布自相似规律lgS=0.9661lgX-0.06R2=0.9512-7-5-3-113-7-6-5-4-3-2-101lgXlgSlgS=0.9792lgX+0.0897R2=0.9162-4-2024-4-3-2-10123lgXlgS土壤样品1自相似分布规律土壤样品2自相似分布规律土壤样品粒径分布自相似规律lg(mi/ms)=0.5817lg(di/dmax)+0.3321R2=0.8617-2-1.5-1-0.500.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50lg(di/dmax)lg(mi/ms)lg(mi/ms)=0.7605lg(di/dmax)+0.0297R2=0.962-2.5-2-1.5-1-0.500.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50lg(di/dmax)lg(mi/ms)土壤样品1粒径分布规律土壤样品2粒径分布规律土壤结构的分形模型SX土壤微结构空间分布微结构分形模型X1/2S1/212土壤样品有效导热系数的分形表述土壤样品1017.0051.0017.0181.10.2236.0446.0756.0XXXe土壤样品2010.0031.0010.0431.12.2266.0461.0708.0XXXe0.40.60.811.21.40.0000010.000050.00010.00050.0010.0050.010.0514X(mm2)λe（W/mK)土壤样品10.50.60.70.80.90.0010.0050.010.050.10.51410100X(mm2)λe（W/mK）土壤样品2土壤样品有效导热系数数据比较KmWe/835.0KmWmmEXKmWmmEXee/814.0,35/877.0,3122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KmWe/684.0KmWmmXKmWmmXee/679.0,1/692.0,5.022热响应实验热响应实验的理论基础是开尔文的线源理论，以下公式描述了线源理论，热响应实验就是在此公式基础上进行土壤热参数计算的热响应实验原理图如右图所示热响应实验设备的原理就是一个闭式的加热设备，通过地下换热器给土壤加热，并记录相关温度数据，根据所收集数据通过专业数据分析软件进行数据分析从而得到导热系数等参数。地下换热器实验设备电源数据采集加热热响应实验热响应实验装置外观图热响应实验数据处理软件地埋管换热器放热量实验本实验所处地点为同济大学文远楼，原理图如右图所示1－单U型地埋管；2－恒温水箱；3－电加热器1；4－电加热器2；5－球阀；6－水泵；7－止回阀；8－铂电阻温度计；9－水表；10－潜水泵；11－Y型过滤器。供水管回水管排水管补水管某地源热泵地埋管换热器试验原理图地埋管换热器放热量实验对于特定的地埋管换热器，在保持其他量不变的情况下，单位井深放热量随着供水温度的提高而增大，通过最小二乘法拟合可以得到单位井深放热量随供水温度的变化关系式为：y=217.26Ln(x)－743.29式中，y为单位井深放热量，w/m井深；x为供水温度，℃。0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.030.0032.0034.0036.0038.0040.0042.0044.0046.00供水温度(℃)单位井深放热量(w/m井深)GSHP系统设计GSHP系统设计基础资料空调系统的冷热负荷室内空调设备的选择室内空调系统的设计GSHP系统的选择和设计步骤GCHP系统地下换热器设计GSHP系统设计基础资料总平面的水文地质、地表情况地质和水文地质的成分调查报告地表水应用调查报告地下水系统试验井的调查报告垂直地下换热器系统试验孔调查报告水平地下换热器试验坑调查报告监视井水的质量空调冷热负荷分区负荷高峰负荷－用于地下换热器设计平均负荷总能耗计算Degreeday法Bin法Hourbyhour法DeST负荷频率表地下负荷)11(csCOPQ夏季高峰总负荷)11(hwCOPQ冬季高峰总负荷室内空调设备的选择水－空气水源热泵机组GCHP系统使用GWHP和SWHP系统使用美国制冷学会（ARI）的水－空气热泵标准分类ARI320水源ARI325地下水源ARI330地源闭式环路进入水温（℃）供热供冷－21.129.4－10/21.110/21.1－025进入空气温度（℃）供热（干球）供冷（干/湿球）－21.126.7/19.4－21.126.7/19.4－21.126.7/19.4GCHP系统的选择考虑地下换热器所需的地表面积考虑地下管道的承压立式热交换器一般限制在六层以下水平系统考虑占地面积混合式GCHP系统（附加冷却塔）游乐场、草地、停车场可设置地下换热器管道要保温（管路温度高于7.2～10℃除外）北方地区系统需加抗冻剂溶液美国GSHP系统的水温要求GCHP/℃SWHP/℃GWHP/℃模式北方南方北方南方北方南方供热-1.116.7-1.112.84.410供冷3240.626.735--29.4GCHP系统设计步骤决定地下性质（钻试验孔洞）确定管道管径、尺寸、孔洞分析、回填计算所需孔洞长度及布置孔洞设计外部集管系统的阻力计算及水泵的选择设计清洁系统GCHP系统地下换热器设计地下换热器埋管形式竖直埋管、水平埋管管路连接方式串连、并联流动同程、异程地下热交换器的组成供回集管、环路、同程回流管、U型弯管塑料管的选择塑料管材－PE、PBGCHP系统地下换热器设计塑料管尺寸PE3408SDR11PE3408SCH40PB2110SDR13.5PB2110SDR17塑料管直径的选择管道要大到足够保持最小输送功率管道要小到管内流动为紊流内径小于50mm，管内流速0.6～1.2m/s内径大于50mm，管内流速小于1.8m/s地下换热器换热量－地下负荷地下换热器长度单位管长换热量35～55W/m同济大学试验单位管长换热量40～60W/mGCHP系统地下换热器设计地下换热器的钻孔数钻孔间距—相邻孔洞最小间距4.5m地下换热器的孔深根据钻孔数确定，一般为40～90m地下换热器阻力计算沿程阻力局部阻力采用当量尺度法地下换热器环路水泵选型地下换热器水管承压能力校核水系统其他装置设计机组水流量WdvWni,4000275.125.125.075.01582.0vdRim空调系统全年运行能耗分析BIN参数全年动态负荷计算GSHP系统全年运行能耗计算热泵机组的能耗埋地换热器侧循环水泵能耗室内侧冷冻水循环水泵能耗空调末端设备能耗ASHP系统全年运行能耗计算风冷热泵机组能耗风侧换热器风机能耗冬季除霜能耗室内侧冷冻水循环水泵能耗空调末端设备能耗GSHPASHP系统负荷侧能耗相同忽略不计上海地区2℃间隔24小时运行BIN参数BIN-6-4-202468101214hours（h）1276168351524486440498521478428wetbulbtemperature（℃）-6.3-5.1-3.3-1.60.11.83.86.28.210.011.5BIN1618202224262830323436hours（h）499589613616537718587361927714wetbulbtemperature（℃）13.615.517.61921.423.825.025.826.427.027.4天邻别墅全年动态负荷计算02000400060008000100001200014000-6-4-2024681012141618202224262830323436outdoordry-bulbtemperature/centigradeannualdynamicload/kWhGSHP系统全年运行能耗分析0500100015002000250030003500-6-4-202468101214161820222426283032