地埋管地源热泵理论与应用

第1章绪论 1
1.1热泵与“双碳”目标 1
1.1.1“双碳”目标 1
1.1.2建筑能耗与碳排放 2
1.1.3热泵的节能减排效益 2
1.2热泵概述 3
1.2.1热泵的定义 3
1.2.2热泵的性能评价 4
1.3热泵的种类 6
1.3.1空气源热泵 6
1.3.2水源热泵 8
1.3.3地源热泵 9
1.3.4太阳能热泵 10
1.3.5复合源热泵 10
1.4地源热泵的形式与结构 12
1.4.1地埋管地源热泵 12
1.4.2地下水源热泵 16
1.4.3地表水源热泵 17
1.5地埋管地源热泵的发展现状 18
1.5.1国外 18
1.5.2国内 20
1.6地埋管地源热泵应用存在的问题 23 第2章地埋管换热器传热特性 25
2.1地埋管换热器传热分析概述 25
2.2地埋管换热器传热模型 26
2.2.1竖直U形地埋管换热器 26
2.2.2竖直套管式地埋管换热器 38
2.2.3水平地埋管换热器 42
2.3地埋管换热器传热特性的影响因素 43
2.3.1回填材料的导热性能 43
2.3.2管材导热性能 43
2.3.3U形地埋管两支管中心间距 44
2.3.4地埋管换热器形式 44
2.3.5地埋管换热器埋设深度 44
2.3.6地埋管内流体的流速 45
2.3.7进口水温 46
2.4地埋管换热器传热特性强化 46
2.4.1传热强化措施 46
2.4.2传热强化与控制模式试验 47
2.5不同因素对地埋管换热器传热特性的影响 52
2.5.1回填材料导热性 52
2.5.2管脚间距 53
2.5.3管材导热性 54
2.5.4管内循环流体流量与钻孔深度 54
2.6非连续运行对地埋管换热器传热特性的影响 55
2.6.1单工况间歇运行 55
2.6.2双工况交替运行 57
2.6.3土壤类型的影响 58
2.6.4小结 59 第3章地埋管换热器周围土壤冻结特性 60
3.1考虑土壤冻结的必要性 60
3.2土壤冻结相变传热模型 61
3.2.1一维模型 61
3.2.2二维模型 64
3.3土壤冻结对地埋管周围土壤温度分布的影响 68
3.3.1短期运行影响 68
3.3.2长期运行影响 69
3.4不同因素对土壤冻结特性的影响 71
3.4.1土壤初始温度 71
3.4.2土壤含水率 72
3.4.3土壤类型 72
3.4.4土壤导温系数 74
3.4.5斯蒂芬数 75
3.5小结 76 第4章水平螺旋型地埋管换热器 77
4.1水平螺旋型地埋管换热器的形式 77
4.2水平螺旋型地埋管换热器传热特性的影响因素 78
4.2.1结构与物性参数 78
4.2.2运行参数 80
4.2.3环境因素 81
4.3水平螺旋型地埋管换热器传热特性的数值模拟 81
4.3.1物理模型 81
4.3.2数学模型 82
4.3.3网格划分 84
4.3.4计算结果及分析 85
4.4水平螺旋型地埋管换热器传热特性的试验研究 91
4.4.1试验系统 91
4.4.2试验数据处理 92
4.4.3试验结果分析 94 第5章相变回填地埋管换热器 103
5.1相变回填地埋管换热器提出的背景 103
5.2相变材料的选择 105
5.3相变回填地埋管换热器蓄能传热特性的数值模拟 105
5.3.1理论模型 105
5.3.2数值模型 107
5.3.3模拟结果及分析 107
5.4相变回填地埋管换热器蓄能传热特性的试验研究 125
5.4.1试验系统 125
5.4.2试验工况 126
5.4.3试验结果及分析 127
5.5相变回填地埋管换热器应用中有待解决的问题 138 第6章能量桩换热及热-力耦合特性 139
6.1概述 139
6.2能量桩的性能评价 140
6.2.1换热性能 140
6.2.2力学特性 141
6.3螺旋型地埋管能量桩 143
6.3.1螺旋型地埋管能量桩换热性能的数值模拟 143
6.3.2螺旋型地埋管能量桩换热性能的试验研究 150
6.3.3螺旋型地埋管能量桩研究结论 157
6.4相变混凝土能量桩 158
6.4.1相变混凝土能量桩的提出 158
6.4.2相变混凝土能量桩热-力耦合特性的数值模拟 158
6.4.3相变混凝土能量桩热-力耦合特性的实验研究 171
6.4.4相变混凝土能量桩研究结论 178
6.5渗流作用下能量桩 179
6.5.1渗流作用下能量桩热-力耦合特性的数值模拟 179
6.5.2渗流作用下能量桩热-力耦合特性的实验研究 194
6.5.3渗流下能量桩研究结论 207
6.6土壤分层对能量桩热力学特性的影响 208 第7章冷却塔-地源热泵复合系统 210
7.1冷却塔-地埋管地源热泵复合系统形式 210
7.1.1辅助冷却地源热泵复合系统工作原理 210
7.1.2冷却塔-地源热泵复合系统形式 211
7.2冷却塔-地源热泵复合系统设计 212
7.2.1设计内容 212
7.2.2控制策略 212
7.2.3设计方法 214
7.3冷却塔开启控制策略研究 216
7.3.1建筑模型 216
7.3.2仿真模型及条件 217
7.3.3计算结果与讨论 219
7.4冷却塔-地源热泵复合系统土壤温度恢复特性实验 223
7.4.1实验系统简介 223
7.4.2冷却塔辅助散热运行模式 225
7.4.3实验结果分析 226
7.4.4不同散热模式的比较 231
7.5冷却塔-地源热泵复合系统应用中的关键问题 231 第8章太阳能-地源热泵复合系统 233
8.1太阳能-地源热泵复合系统简介 233
8.1.1复合系统构成与工作原理 233
8.1.2复合系统的优势 234
8.2太阳能-地源热泵复合系统运行模式 235
8.2.1联合运行模式 236
8.2.2交替运行模式 238
8.2.3太阳能-地埋管土壤蓄热模式 239
8.3太阳能-地源热泵复合系统运行特性的数值模拟 240
8.3.1联合供暖运行特性 240
8.3.2交替供暖运行特性 248
8.4太阳能-地源热泵复合系统运行特性实验 255
8.4.1实验系统介绍 255
8.4.2实验运行模式 258
8.4.3实验结果及分析 261
8.5太阳能-地源热泵复合系统参数优化分析 269
8.5.1模拟建筑 269
8.5.2计算模型 269
8.5.3仿真结果分析 271
8.6太阳能-地源热泵复合系统应用中的关键 273 第9章地埋管地源热泵系统的设计与施工 275
9.1现场勘查 275
9.1.1现场资源条件勘探 275
9.1.2岩土热响应测试 277
9.2地埋管地源热泵适宜性评价 286
9.2.1适宜性评价的必要性 286
9.2.2适宜性分区 287
9.2.3适宜性评价体系 288
9.3地埋管换热系统设计 291
9.3.1地埋管管材与规格 291
9.3.2地埋管连接形式 293
9.3.3地埋管换热器长度设计 295
9.3.4土壤热平衡校核计算 302
9.3.5水力计算 303
9.4地埋管换热系统施工 306
9.4.1施工前的准备 306
9.4.2竖直地埋管施工 308
9.4.3水平地埋管施工 318
9.4.4管道的连接 321
9.5地埋管换热系统的检验与验收 322
9.5.1水压试验 322
9.5.2系统验收 323 第10章地埋管地源热泵系统应用案例 325
10.1某住宅小区地埋管地源热泵系统 325
10.1.1小区概况 325
10.1.2设计依据 326
10.1.3负荷计算及冷热源配置 326
10.1.4系统运行控制 328
10.1.5地埋管换热系统设计 330
10.2某建设大厦地埋管地源热泵工程 332
10.2.1工程概况 332
10.2.2设计依据 332
10.2.3岩土热响应测试 333
10.2.4热泵机组选型与冷热源方案 334
10.2.5地埋管换热系统设计 334
10.3某综合商品城冷却塔-地埋管地源热泵复合系统 338
10.3.1工程概况 338
10.3.2设计依据 338
10.3.3空调冷热负荷及冷热源方案 338
10.3.4地埋管换热系统设计与布置 340
10.4某职业技术学院地埋管地源热泵工程 343
10.4.1工程概况 343
10.4.2设计依据 343
10.4.3岩土热响应测试 344
10.4.4冷热负荷计算及冷热源方案 345
10.4.5地埋管换热系统设计与布置 348
10.5某康养中心复合地源热泵系统 349
10.5.1工程概况 349
10.5.2设计资料 350
10.5.3冷热源方案及设备选型 350
10.5.4地埋管换热器设计与布置 353 参考文献 355