地埋管地源熱泵理論與應用

第1章緒論  1
1.1熱泵與“雙碳”目標  1
1.1.1“雙碳”目標  1
1.1.2建筑能耗與碳排放  2
1.1.3熱泵的節(jié)能減排效益  2
1.2熱泵概述  3
1.2.1熱泵的定義  3
1.2.2熱泵的性能評價  4
1.3熱泵的種類  6
1.3.1空氣源熱泵  6
1.3.2水源熱泵  8
1.3.3地源熱泵  9
1.3.4太陽能熱泵  10
1.3.5復合源熱泵  10
1.4地源熱泵的形式與結構  12
1.4.1地埋管地源熱泵  12
1.4.2地下水源熱泵  16
1.4.3地表水源熱泵  17
1.5地埋管地源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀  18
1.5.1國外  18
1.5.2國內  20
1.6地埋管地源熱泵應用存在的問題  23
第2章地埋管換熱器傳熱特性  25
2.1地埋管換熱器傳熱分析概述  25
2.2地埋管換熱器傳熱模型  26
2.2.1豎直U形地埋管換熱器  26
2.2.2豎直套管式地埋管換熱器  38
2.2.3水平地埋管換熱器  42
2.3地埋管換熱器傳熱特性的影響因素  43
2.3.1回填材料的導熱性能  43
2.3.2管材導熱性能  43
2.3.3U形地埋管兩支管中心間距  44
2.3.4地埋管換熱器形式  44
2.3.5地埋管換熱器埋設深度  44
2.3.6地埋管內流體的流速  45
2.3.7進口水溫  46
2.4地埋管換熱器傳熱特性強化  46
2.4.1傳熱強化措施  46
2.4.2傳熱強化與控制模式試驗  47
2.5不同因素對地埋管換熱器傳熱特性的影響  52
2.5.1回填材料導熱性  52
2.5.2管腳間距  53
2.5.3管材導熱性  54
2.5.4管內循環(huán)流體流量與鉆孔深度  54
2.6非連續(xù)運行對地埋管換熱器傳熱特性的影響  55
2.6.1單工況間歇運行  55
2.6.2雙工況交替運行  57
2.6.3土壤類型的影響  58
2.6.4小結  59
第3章地埋管換熱器周圍土壤凍結特性  60
3.1考慮土壤凍結的必要性  60
3.2土壤凍結相變傳熱模型  61
3.2.1一維模型  61
3.2.2二維模型  64
3.3土壤凍結對地埋管周圍土壤溫度分布的影響  68
3.3.1短期運行影響  68
3.3.2長期運行影響  69
3.4不同因素對土壤凍結特性的影響  71
3.4.1土壤初始溫度  71
3.4.2土壤含水率  72
3.4.3土壤類型  72
3.4.4土壤導溫系數(shù)  74
3.4.5斯蒂芬數(shù)  75
3.5小結  76
第4章水平螺旋型地埋管換熱器  77
4.1水平螺旋型地埋管換熱器的形式  77
4.2水平螺旋型地埋管換熱器傳熱特性的影響因素  78
4.2.1結構與物性參數(shù)  78
4.2.2運行參數(shù)  80
4.2.3環(huán)境因素  81
4.3水平螺旋型地埋管換熱器傳熱特性的數(shù)值模擬  81
4.3.1物理模型  81
4.3.2數(shù)學模型  82
4.3.3網格劃分  84
4.3.4計算結果及分析  85
4.4水平螺旋型地埋管換熱器傳熱特性的試驗研究  91
4.4.1試驗系統(tǒng)  91
4.4.2試驗數(shù)據處理  92
4.4.3試驗結果分析  94
第5章相變回填地埋管換熱器  103
5.1相變回填地埋管換熱器提出的背景  103
5.2相變材料的選擇  105
5.3相變回填地埋管換熱器蓄能傳熱特性的數(shù)值模擬  105
5.3.1理論模型  105
5.3.2數(shù)值模型  107
5.3.3模擬結果及分析  107
5.4相變回填地埋管換熱器蓄能傳熱特性的試驗研究  125
5.4.1試驗系統(tǒng)  125
5.4.2試驗工況  126
5.4.3試驗結果及分析  127
5.5相變回填地埋管換熱器應用中有待解決的問題  138
第6章能量樁換熱及熱-力耦合特性  139
6.1概述  139
6.2能量樁的性能評價  140
6.2.1換熱性能  140
6.2.2力學特性  141
6.3螺旋型地埋管能量樁  143
6.3.1螺旋型地埋管能量樁換熱性能的數(shù)值模擬  143
6.3.2螺旋型地埋管能量樁換熱性能的試驗研究  150
6.3.3螺旋型地埋管能量樁研究結論  157
6.4相變混凝土能量樁  158
6.4.1相變混凝土能量樁的提出  158
6.4.2相變混凝土能量樁熱-力耦合特性的數(shù)值模擬  158
6.4.3相變混凝土能量樁熱-力耦合特性的實驗研究  171
6.4.4相變混凝土能量樁研究結論  178
6.5滲流作用下能量樁  179
6.5.1滲流作用下能量樁熱-力耦合特性的數(shù)值模擬  179
6.5.2滲流作用下能量樁熱-力耦合特性的實驗研究  194
6.5.3滲流下能量樁研究結論  207
6.6土壤分層對能量樁熱力學特性的影響  208
第7章冷卻塔-地源熱泵復合系統(tǒng)  210
7.1冷卻塔-地埋管地源熱泵復合系統(tǒng)形式  210
7.1.1輔助冷卻地源熱泵復合系統(tǒng)工作原理  210
7.1.2冷卻塔-地源熱泵復合系統(tǒng)形式  211
7.2冷卻塔-地源熱泵復合系統(tǒng)設計  212
7.2.1設計內容  212
7.2.2控制策略  212
7.2.3設計方法  214
7.3冷卻塔開啟控制策略研究  216
7.3.1建筑模型  216
7.3.2仿真模型及條件  217
7.3.3計算結果與討論  219
7.4冷卻塔-地源熱泵復合系統(tǒng)土壤溫度恢復特性實驗  223
7.4.1實驗系統(tǒng)簡介  223
7.4.2冷卻塔輔助散熱運行模式  225
7.4.3實驗結果分析  226
7.4.4不同散熱模式的比較  231
7.5冷卻塔-地源熱泵復合系統(tǒng)應用中的關鍵問題  231
第8章太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)  233
8.1太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)簡介  233
8.1.1復合系統(tǒng)構成與工作原理  233
8.1.2復合系統(tǒng)的優(yōu)勢  234
8.2太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)運行模式  235
8.2.1聯(lián)合運行模式  236
8.2.2交替運行模式  238
8.2.3太陽能-地埋管土壤蓄熱模式  239
8.3太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)運行特性的數(shù)值模擬  240
8.3.1聯(lián)合供暖運行特性  240
8.3.2交替供暖運行特性  248
8.4太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)運行特性實驗  255
8.4.1實驗系統(tǒng)介紹  255
8.4.2實驗運行模式  258
8.4.3實驗結果及分析  261
8.5太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析  269
8.5.1模擬建筑  269
8.5.2計算模型  269
8.5.3仿真結果分析  271
8.6太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)應用中的關鍵  273
第9章地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設計與施工  275
9.1現(xiàn)場勘查  275
9.1.1現(xiàn)場資源條件勘探  275
9.1.2巖土熱響應測試  277
9.2地埋管地源熱泵適宜性評價  286
9.2.1適宜性評價的必要性  286
9.2.2適宜性分區(qū)  287
9.2.3適宜性評價體系  288
9.3地埋管換熱系統(tǒng)設計  291
9.3.1地埋管管材與規(guī)格  291
9.3.2地埋管連接形式  293
9.3.3地埋管換熱器長度設計  295
9.3.4土壤熱平衡校核計算  302
9.3.5水力計算  303
9.4地埋管換熱系統(tǒng)施工  306
9.4.1施工前的準備  306
9.4.2豎直地埋管施工  308
9.4.3水平地埋管施工  318
9.4.4管道的連接  321
9.5地埋管換熱系統(tǒng)的檢驗與驗收  322
9.5.1水壓試驗  322
9.5.2系統(tǒng)驗收  323
第10章地埋管地源熱泵系統(tǒng)應用案例  325
10.1某住宅小區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)  325
10.1.1小區(qū)概況  325
10.1.2設計依據  326
10.1.3負荷計算及冷熱源配置  326
10.1.4系統(tǒng)運行控制  328
10.1.5地埋管換熱系統(tǒng)設計  330
10.2某建設大廈地埋管地源熱泵工程  332
10.2.1工程概況  332
10.2.2設計依據  332
10.2.3巖土熱響應測試  333
10.2.4熱泵機組選型與冷熱源方案  334
10.2.5地埋管換熱系統(tǒng)設計  334
10.3某綜合商品城冷卻塔-地埋管地源熱泵復合系統(tǒng)  338
10.3.1工程概況  338
10.3.2設計依據  338
10.3.3空調冷熱負荷及冷熱源方案  338
10.3.4地埋管換熱系統(tǒng)設計與布置  340
10.4某職業(yè)技術學院地埋管地源熱泵工程  343
10.4.1工程概況  343
10.4.2設計依據  343
10.4.3巖土熱響應測試  344
10.4.4冷熱負荷計算及冷熱源方案  345
10.4.5地埋管換熱系統(tǒng)設計與布置  348
10.5某康養(yǎng)中心復合地源熱泵系統(tǒng)  349
10.5.1工程概況  349
10.5.2設計資料  350
10.5.3冷熱源方案及設備選型  350
10.5.4地埋管換熱器設計與布置  353
參考文獻  355