• 电话:0531-55721501
  • 传真:0531-55721513
  • 邮编:250101
  • 邮箱:fangzh_45@163.com
    地埋管地源热泵的技术集成
    2012-12-05 17:01:12

    地埋管地源热泵空调系统是以大地为冷源(或热源),通过中间介质作为热载体在埋设于大地中的封闭环路中循环流动,从而实现与大地进行热量交换的目的,并进而通过热泵实现对建筑物的空调。地源热泵可克服空气源热泵冬季天气越冷供热量越小的技术障碍,且效率大大提高。地源热泵空调系统与传统空调系统相比具有节能、运行费用低的优点,是实现可持续发展的绿色建筑的有效技术之一。

        近年来我国对地源热泵技术的研究与应用已成为建筑空调领域的一个热点,而且已相继建设了一批地埋管地源热泵的工程。在消化吸收国外先进技术的基础上,中国的研究人员和工程技术人员近年来在地源热泵的研究和应用方面都进行了不懈的努力。其中,山东建筑大学地源热泵研究所在消化吸收国外先进技术的基础上,坚持基础理论的研究创新和工程技术的开发应用并举的方针,在地源热泵领域不断探索,得到了国内外同行的认可[12]山东建筑大学完成的山东省重点科技攻关项目“地热综合利用关键技术”在地源热泵空调技术的理论基础、应用技术和工程应用三个方面都取得重要成果;于2001年在山东建筑大学建成我国最早的地埋管地源热泵示范工程之一,并投入实际使用,此后又进一步承担了多个地源热泵工程的设计施工任务,为在我国推广应用这一新技术积累了宝贵的经验。2004年该成果获山东省科技进步二等奖。近年来,山东建筑大学地源热泵研究所和山东方亚地源热泵空调技术有限公司、山东中瑞新能源技术有限公司一起致力于推广地源热泵供热空调技术,在省内外建成了一批公共建筑、住宅和工业建筑的地源热泵示范工程,包括济南市西区建设工程指挥部办公楼(2005)、北京山水文园小区(2007)、瑞典SKF公司济南厂区(2011)、山东济宁医学院校区2011)等,取得了突出的节能和环保效果。

    本文小结了山东建筑大学地源热泵研究所在地埋管地源热泵技术研发方面的主要成果。

    1. 地热换热器传热理论

    地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。由于地下传热的复杂性,地热换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点和应用基础。

    地热换热器设计的基本目标是要保证在系统整个运行期内,循环液的温度保持在限定的范围内,以保证系统的性能达到设计要求。对于地热换热器,其整个传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程,所涉及的时间尺度很长,空间区域很大。因此在工程实际应用的模型中通常都以钻孔壁为界,把所涉及的空间区域划分为钻孔以外的岩土部分和钻孔内部两部分,采用不同的简化假定分别进行分析。现有的设计手册和教科书中只能推荐以一维的线热源或圆柱模型为基础的半经验公式。在我们近年来的研究中,在前人研究成果的基础上,在地埋管换热器的传热理论方面较欧洲和美国的模型有重要的创新,在地埋管换热器的传热分析中提出了基于系列解析解和叠加原理的方法,在国际上首次求得了多个关于地埋管换热器传热问题的重要解析解:半无限大介质中竖直和倾斜的有限长线热源非稳态导热的解析解[3-5];提出了钻孔内传热的准三维模型[67],对单U型管和双U型管换热器中流体温度分布和相应的热阻求得了解析解;有地下水均匀渗流时线热源引起的非稳态温度场的解析解[89]。这些传热理论为地源热泵空调技术的推广应用提供了条件。由于取消有关的简化假设,提高了模型的精度;而且这些显式的函数关系式可以直接应用于地热换热器设计和模拟计算,使计算工作量大大减少。

    2. 地热换热器设计模拟软件“地热之星”

    在以上研究的基础上开创性地形成了国内首个地埋管换热器设计软件“地热之星GeoStar”。地热换热器传热分析的基础是单个钻孔的传热分析,对于多个钻孔的情况可在单个钻孔分析的基础上采用叠加原理进行分析处理。由于热泵的负荷通常是随时间而变化的,因此地热换热器的放热(吸热)也是随时间变化的。这样的随时间变化的热流可以用一系列连续的矩形脉冲热流来近似。这样,我们就可以计算在任意变化的负荷作用下,任意配置的地热换热器在长达20年或更长的时间里的温度变化以及传热性能[10]

    最新版本的地热之星包括四部分核心模块:地埋管换热器的传热模型、热泵模型、建筑负荷计算模型与太阳能集热器模型,可以分别对地埋管地源热泵系统和太阳能-地源热泵复合系统的地埋管换热器进行设计计算与性能模拟。“地热之星”设计及模拟计算软件的一个功能是模拟计算,允许用户对已存在的地源热泵地热换热器系统进行模拟,模拟结果有循环液进入热泵的月平均温度,循环液进出热泵(或地热换热器)的极值温度,热泵每月消耗的功及单位长度的钻孔平均每月从地下吸取的热量(或每月向地下释放的热量)。其另一个功能是设计计算,该软件可以根据用户给定的温度(即,循环液进入热泵的最高温度和最低温度)设计地热换热器的尺寸,也就是钻孔的总长度。该软件以可视化图形界面和对话框的形式面向用户,使用户使用起来简单明了。2009年“地热之星(GeoStar)”软件参加了由国际地源热泵协会组织的国际地源热泵设计模拟软件的对比测试[11],取得了满意的结果。

    3. 现场测试深层岩土热物性参数的方法及仪器[12, 13]

    深层地下岩土导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数。通过现场试验确定地下岩土的平均导热系数是国际上通行的做法。这种试验也被称作地热换热器的“热响应试验”。在1995年首先在瑞典和美国几乎同时把该技术应用于工程实际。具体做法是在将要埋设地热换热器的现场钻孔,在钻孔中埋设埋U型管并按设计要求回填;在回路中充满水并与测量装置联结,在地下温度场基本恢复后对循环回路以恒定的功率加热(或冷却),让水在回路中循环流动,并测量回路中水的温度随时间的变化。确定地下岩土的导热系数需要求解传热反问题,通常采用的数学模型是线热源模,或数值分析模型。根据测得的数据,可以采用参数估计方法计算得到钻孔周围岩土的平均热物性参数。现在世界各国大体上都采用这一方法做热响应试验,国际地源热泵协会(IGSHPA)的标准[14和美国采暖制冷与空调工程师学会(ASHRAE)手册[15]都推荐这一方法。国际能源机构(IEA)起草的关于热响应试验的指导文件中同样采用恒热流方法[16]。我国最早的有关地源热泵系统现场热物性测试的报道是2000年山东建筑工程学院的项目[17]。我国2005年颁布的《地源热泵工程技术规GB50366-2005》要求对工程场地岩土体地质条件的勘察应包括岩土体的热物性;2009你的修订版对热响应试验做了进一步的规定。近年来热响应试验已在我国地源热泵应用项目中广泛采用,但一些理论和实际操作问题仍有待进一步研究和规范[13,18]

    4. 钻孔高性能回填材料的及施工设备

    回填材料介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间,用来增强埋管和周围岩土的换热,同时防止地面水通过钻孔向地下渗透,以保护地下水不受地表污染物的污染。回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义。随着地源热泵技术的推广应用,人们越来越关注改善和优化回填材料的性能。改善地埋管换热器钻孔回填材料的性能对于提高地源热泵系统的性能、减少初投资和运行费用具有重大意义。我们对回填材料的导热系数及其稳定性、工作性、保水性、抗渗透性、强度、热压变形、耐久性、经济性等各个方面进行了广泛的实验室研究[21]。回填料试样导热系数的测定采用Hot Disk热常数分析仪精密测定,从上百个实验配比中优选出三种推荐配比,它们具有较好的流动性、传热性、膨胀性及耐久性等,导热系数可分别达2.18-2.34 W/m.K,达到了美国Brookhaven国家实验室报道的高性能回填材料的水平,并且取得了我国的发明专利。

    实现高质量的回填施工不仅要有高性能的回填材料,也要求高性能的施工机械。由于地埋管地源热泵技术在我国的推广应用还刚刚开始,国内还缺乏地埋管钻孔回填的专用设备,这已经成为提高钻孔回填质量的主要障碍。在取得高性能的专业回填料的基础上,为研究钻孔回灌的工艺,我们也引进了具有国际领先水平的美国的地源热泵专用砂浆回填设备,进行消化吸收,迅速缩小我国地源热泵系统施工技术与国外先进水平的差距[22]

    5. 地源热泵复合系统的研究

    地源热泵系统通过竖直埋管地热换热器向土壤释放热量或从土壤中吸收热量,通过热泵实现对建筑物供冷供热。在很多情况下地埋管换热器全年的冷热负荷是不平衡的。在这种情况下,地埋管换热器的吸热和放热不平衡,多余的热量(或冷量)就会在地下积累,引起地下年平均温度的变化,进而影响地埋管换热器的性能。要使地热换热器的吸热和放热基本平衡,切实可行的方法就是在原系统中增加辅助散热设备或辅助加热设备。这种具有辅助散热设备或辅助加热设备的地源热泵系统就是地源热泵复合系统。冷负荷占优地区的地源热泵复合系统是在普通的地源热泵系统中加入辅助散热装置构成。常用的辅助散热装置有冷却塔和地表水系统。热负荷占优地区的地源热泵复合系统是在普通的地源热泵系统中加入辅助加热装置构成。常用的辅助加热装置为锅炉。除了承担建筑物的热负荷和冷负荷,地源热泵复合系统还可用于供应热水。在冷负荷占优的地区采用空调加全年供应生活热水的复合系统是解决地热换热器全年负荷不平衡问题的有效而经济的途径。采用地源热泵复合系统减小了地热换热器的埋管长度,降低了系统的初投资并通过补偿钻孔负荷的年不平衡改善了系统性能。此外,地源热泵复合系统还可用在因地质条件和地面面积限制没有足够的空间安装能满足建筑物冷热负荷的地热换热器的场合。

    我们对地源热泵复合系统的设计和优化运行进行了深入的研究,采用系统全年逐时模拟的计算机模拟技术[23-23],探讨了不同建筑类型和不同气候条件下的地源热泵复合系统的合理设计和运行优化控制策略。我们已经开发出了这种针对地源热泵复合系统的能耗分析软件,为系统的设计和运行优化提供了手段。

    6.太阳能-地源热泵复合系统

    在近年来我国的建筑节能技术中,太阳能热水和地源热泵技术已经得到了充分的重视和推广,但是它们还只是作为各自独立的技术,而且各自存在一定的技术瓶颈。为了更好地利用太阳能和地源热泵这两种可再生能源技术,必须进行技术创新,针对建筑供热空调和热水供应的应用对象,利用地埋管换热器作为季节性蓄热技术的载体把太阳能、地源热泵这两种技术有机的结合在一起。由于融入了季节性蓄热技术,复合新能源系统既可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响的局限性,又可以克服地源热泵系统冷热负荷不平衡而造成地下岩土温度不断降低的局限性。因此,太阳能与地源热泵结合的复合能源系统可以集中两种可再生能源的优点,同时相互弥补各自的不足,是很有潜力的可再生能源建筑应用的新技术,是解决北方地区供热能源的新途径。我们已经开发了太阳能-地源热泵复合系统的设计方法和软件,并进行了示范工程的实践[26]

    7. 桩基埋管地源热泵系统

    为提高天然地基的承载能力或加固软弱地基,以满足建筑物上部荷载的要求,确保建筑物的工程质量,桩基的使用已日益普及。如果在建筑物建造时,直接将地源热泵系统的埋管换热器置于建筑物混凝土桩基中使其与建筑结构相结合,成为桩埋管地热换热器。这样可以省却钻孔工序,节约施工费用,更能有效的利用建筑物的地下面积,不占用地面。因此把竖直埋管与建筑桩基础结合的桩埋管地热换热器已成为应用地源热泵技术的一个新热点。但是此前在国际上还没有见到关于桩埋管换热器传热模型的成熟的研究成果。针对目前已经采用的U型或W型桩埋管地热换热器的不足,我们首先提出了桩埋螺旋管地热换热器[27];然后借鉴竖直埋管地热换热器传热分析的已有成果,并针对它们应用于桩基地热换热器时的缺点提出适合桩基螺旋埋管换热器的新的传热模型及其解析解。我们提出了实心圆柱面热源、线圈模型和螺旋线模型等更好描述桩基埋管换热器传热过程的数学模型,并在国际上首次求得了桩基螺旋埋管换热器的这些传热模型的三维非稳态传热过程的解析解,为该技术的工程应用奠定了理论基础。同时也进行了桩基埋管地源热泵系统的工程示范。这些重要的理论成果已经受到国际学术界的广泛关注[2829]

    桩基埋管地源热泵系统的工程应用不仅与传热问题有关,也涉及复杂的土力学和结构力学问题,属于国际学术界关注的学科交叉的最新前沿科学。我们对这一问题也在重点研究中[30]

    参考文献

    1. 刁乃仁,方肇洪。地埋管地源热泵技术,北京:高等教育出版社,2006

    2. Man Y., Cui P. and Fang Z. Heat Transfer Modeling of the Ground Heat Exchangers for the Ground-Coupled Heat Pump Systems, in Modeling and Optimization of Renewable Energy Systems, Dr. Arzu Şencan (Ed.), ISBN: 978-953-51-0600-5, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/ books/ modeling-and-optimization-of-renewable-energy-systems/ heat-transfer-modeling-of-the-ground- heat-exchangers-for-the-ground-coupled-heat-pump-system

    3. 曾和义,刁乃仁,方肇洪,地源热泵竖直埋管的有限长线热源模型,热能动力工程,200318(2): 166-16

    4. Zeng H., Diao N. and Fang Z. A finite line-source model for boreholes in geothermal heat exchangers, Heat Transfer  Asian Research, 2002, 31(7): 558-567

    5. Cui P., Yang H.and Fang Z. Heat transfer analysis of ground heat exchangers with inclined boreholes. Applied Thermal Engineering. 26(2006): 1169-1175. 

    6. 曾和义,方肇洪,双U型埋管地热换热器的传热模型山东建筑工程学院学报, 2003, 18(1): 11-17.

    7. Zeng H., Diao N. and Fang Z. Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 2003, 46 (23): 4467-4481

    8. 刁乃仁,李琴云,方肇洪,有渗流时地热换热器温度响应的解析解,山东建筑工程学院学报,2003183):1-5

    9. Diao N., Li Q. and Fang Z., Heat Transfer in Ground Heat Exchangers with Groundwater Advection, International Journal of Thermal Sciences, 43 (12): 1203-1211, 2004

    10. Cui P., Yang H.and Fang Z. Simulation Modelling and Design Optimization of Ground Source Heat Pump Systems [J]. HKIE Transactions, 2007, 14(1):1-5. 

    11. Spitler, J., J. Cullin, M. Bernier, M. Kummert, P. Cui, X. Liu, E. Lee, and D. Fisher. Preliminary intermodel comparison of ground heat exchanger simulation models. Proceedings of 11th International Conference on Thermal Energy Storage2009.

    12. 方亮,张方方,方肇洪。关于地埋管换热器热响应试验的讨论,建筑热能通风空调,284):48512009 

    13. 于明志,方肇洪现场测试地下岩土平均热物性参数方法,热能动力工程,175):489-4922002.

    14. IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association). Closed-loop/geothermal heat pump systems, Design and installation standards, 2007 Edition, 1B.3.1, Oklahoma State University, 2007

    15. ASHRAE. 2007 ASHRAE handbook on HVAC applications, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 32.13, 2007

    16. Sanner B., Hellstrom G., Spitler J. and Gehlin S., Thermal response test  current status and world-wide application, Proceedings of World Geothermal Congress 2005, 24-29, 2005

    17. Yu M., Diao N., Su D. and Fang Z. A pilot project of the closed-loop ground- source heat pump system in China, Proceeding of IEA 7th Heat Pump Conference, 356-364, Beijing, 2002.

    18. Rainiri S., Bozzoli F. and Pagliarini G. Modeling approaches applied to the thermal response test: A critical review of the literature, HVAC&R Research, 17(6): 960-977, 2011

    19. Yu M., Peng X., Li X., Fang Z. A simplified model for measuring thermal properties of deep ground soilExperimental Heat Transfer, 17(2): 119-130, 2004.

    20. 于明志,方肇洪现场测量深层岩土热物性方法,工程热物理学报, 2002233):354-356. 

    21. 陈卫翠,刘巧玲,贾立群,孙亮亮,方肇洪。高性能地埋管换热器钻孔回填材料的实验研究,暖通空调,369):1-62006  

    22. 方肇洪,张方方,吴建华,宋子海。地源热泵钻孔回填材料与设备,地源热泵,10: 26-29, 2011

    23. Cui P., Yang H., Spitler J. D. and Fang Z. Simulation of hybrid ground-coupled heat pump with domestic hot water heating systems using HVAVSIM+, Energy and Buildings, 40: 1731-1736, 2008

    24. Man Y., Yang H. and Fang Z. Study on hybrid ground-coupled heat pump systems, Energy and Buildings, 40: 2028-2036, 2008. 

    25. 于玮,樊玉杰,方肇洪。负荷特性对地埋管换热器性能的影响,暖通空调,388):73-772008

    26. 樊玉杰,吴建华,张方方,方肇洪。地源热泵与太阳能供热空调复合系统的工程应用,中国建设信息供热制冷,20103):65-69, 2010

    27. 崔萍,赵衡,方肇洪。能量桩技术机遇与挑战,地源热泵,12: 24-29, 2011

    28. Man Y., Yang H., Diao N., Liu J. & Fang Z. A new model and analytical solutions for borehole and pile ground heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer 53: 2593-2601, 2010

    29. Man Y., Yang H., Diao N., Cui P., Lu L. and Fang Z. Development of spiral heat source model for novel pile ground heat exchangers. HVAC&R Research. 17(6): 1075-1088, 2011

    30. Zhao H., Cui P. and Fang Z. Numerical analysis of the thermo-mechanical behavior of energy piles, Proceedings of the 11th International Conference on Sustainable Energy technologies (SET-2012), 2012.

  • 地址:山东济南高新区天泺路A栋101-2