浅层地热能利用技术

1. 浅层地热能利用技术 地埋管地源热泵技术的应用 刁乃仁 山东建筑大学热能工程学院 Email:diaonr@yahoo.com.cn

2. 主要内容 • 地源热泵空调 技术的应用 • 暖通空调方案 设计内容 • 方案设计实例

3. 热泵特点与分类 • 热泵-水泵 能应用冷凝器排出的热量进行供热的制冷系统。 　热泵和制冷机的工作原理和过程是完全相同的。如同电冰箱。

4. 地源热泵与水源热泵 • 从热量来源的考虑——“天上地下” 空气源热泵和地源热泵 地源-热量的提取或蓄存都往来于大地之中； • 从与热泵换热器中制冷剂进行热量交换的介质考虑 空气源热泵和水源热泵 水源—与热泵换热器中制冷剂进行热量交换的都是水； • 工程中的称谓—— 土壤源热泵－地源热泵； 地下水源热泵－水源热泵。

5. 地源热泵空调的突出优点 • 节能 性能系数较高，节省运行费用25～50％； • 环保 废除锅炉房，不向室外排热，不用地下水； • 可持续发展 热量冬取夏蓄，利用可再生能源； • 冷暖兼用 均衡用电负荷，节省建筑空间； • 美观 无室外机，不影响建筑外观。

6. 地源热泵空调的制约条件 • 初投资较高 系统中增加地埋管换热器，造价高，受地质条件影响； • 占用土地设置地埋管换热器 在建筑容积率高的场合受限； • 冷热负荷的平衡 冷热负荷不平衡产生地下的热量积累。

7. 地埋管地源热泵空调的应用条件 • 有点地 ——有地埋管 • 有点钱 ——有钱埋管 • 有点冷热负荷 ——用好埋管 • 有眼光 ——因工程制宜，因地制宜，合理利用

8. 深入了解建设单位及项目情况 • 建设单位的资金情况 • 建设项目周围的外部条件 • 冷热源现状 • 能源结构 • 可用于地埋管面积 • 可利用低品位能源情况 • 建设项目特点 • 负荷特点 • 使用情况 • 建设周期等

9. 应用范围 • 影响因素 • 价格：不同地区、不同地质条件、不同能源结构及价格 竞争力：研发深度与广度、设计与施工质量、产业化程度 • 应用范围 • 适量地下空间、一定的资金投入、冬冷夏热地区，中、 小型空调工程。存有下列问题之一者优先考虑： • 热源问题、冷却塔问题、室外挂机问题、节能环保要求高等……，如远离市区的别墅、加油站，古建筑等。 • 任何一种空调方式，都有其应用条件和使用范围，不可能也不应该包打天下

10. 应用中常遇到的问题 • 全年冷热负荷不平衡对换热的影响 全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。 • 应对措施——辅助冷热源 冷负荷大于热负荷：加冷却塔——混合系统 热负荷大于冷负荷：加辅助热源

11. 岩土层热物性的测定 • 测试目的 －热物性地热换热器设计的基础数据； • 测试方法 －现场测试：测定地埋管的温度响应曲线 • 测试结果 －被测地埋管竖直方向上的表观导热系数 • 结果分析与应用 －温度响应曲线是否合理？重现性如何？ －用于地热换热器设计或模拟分析

12. 地下岩土导热系数测试曲线 • 初始温度 14.5 ℃ • 导热系数 1.592W/mk • 容积比热容 2.05×106J/m3k

13. 问题探讨 • 岩土层导热系数与地埋管换热能力 换热量=传热面积×传热温差/传热热阻 • 地埋管换热热阻 • 岩土层导热热阻：导热系数 • 温变热阻：负荷特性、地埋管结构 • 地埋管传热温差 • 可利用温差 • 地埋管循环液平均温度、地层未受干扰的温度

14. 方案设计中的问题 • 向地下释放热量与提取地下热量的不平衡问题 • 单一地埋管系统与复合地源热泵系统 • 集中地源热泵与户式地源热泵 • 集中地埋管循环水泵与分散循环水泵 • 地源热泵空调与地源热泵供热 • 地埋管集中埋设与分散调控

15. 一机多用的优缺点 • 优点 • 初投资省 • 机房面积小 • 利用部分空调余热 • 缺点 • 采暖负荷与生活用热水负荷不匹配 • 过渡季易出现大马拉小车，机组效率低 • 多工况运行，切换频繁，效率低，操作维修量大 ——多数情况下单设热泵热水机组更合理些

16. 方案设计的条件 • 负荷种类、大小及分布 面积冷热指标的大小，生活用热水负荷 • 冷热源方式与设置形式 户式还是集中式机组？是否设置调峰锅炉？ • 地埋管敷设条件 埋管空间，吸放热量大小、初投资水平 • 系统运行调节与管理方式 夏季空调运行方式？生活用热水？热计量方式？

17. 方案利人利己，达到双赢或多赢 • 充分考虑甲方利益，以甲方为本 • 充分考虑工程特点，针对性强 • 充分考虑甲方意图，合理合情 • 多种方案综合比较，选择更合适的

18. 经济技术分析 1.每单位负荷（空调面积）需埋管多长？ 土层热物性、负荷大小、运行方式、埋管布置形式等 2.单位空调面积埋管需要多大的场地？ 孔深、孔间距、布置形式、负荷大小等 3.地源空调单位面积增加的费用有多少？ 钻孔的费用占了地热换热器增加费用的主要部分 地热换热器设计是否合理决定着地源热泵经济性和运行的可靠性

19. 几种空调冷热源方案的经济技术比较

21. 影响初投资的因素 • 空调末端形式及空调负荷的变化 • 施工现场岩土层热物性测试 • 地埋管总量的调整 现场地质情况、岩土热物性测试结果以及建筑冷热负荷的变化，影响地埋管总量和埋设位置。 • 空调设备品牌影响工程初投资

22. 业主的得失 得—— • 高档次暖通空调系统：节能、环保； • 高投入产出比：每平方米增加50～80元， 增加的价值3～5倍，即多卖150～500元； • 得到政府的鼓励与支持，以至财政补贴； • 为用户提供了高档次的住宅，初投资略高，运行费低。 失—— 初投资增加50～80元。

23. 应用中注意的问题 1. 土地换热器的设计是否合理 －决定系统运行的可靠性和经济性 2. 现场地层热物性较为准确的测定 －是土地换热器设计的基础 3. 地源热泵系统是一个系统工程 －设计和运行时应使整个系统优化 4. 地源热泵用作建筑空调冷热源 －是合理可行的首选方案之一

24. 方案设计中存在的主要问题与应对 • 对现行设计规范、规定、标准学习贯彻执行不够，应加强对现行设计规范、规定、标准的学习。 • 缺乏多方案技术经济比较，随意性较大。应进行多方案比较，作出合理的设计。 • 缺乏对工程的深入了解与分析，方案针对性差，千篇一律。方案应因工程而宜

25. 小结 地源热泵技术含量高 • 影响换热的因素多，设计方法复杂 • 施工技术要求高，设备机具多，施工条件苦 • 长期跟踪测试，积累运行经验，提高运行效率 应对措施 • 准确设计---专业人员参与，借助软件、仪器 • 精心施工---培养专业安装队伍，开发专用零配件 • 合理运行---调试、测试、调整、总结相结合