第1章 绪论 1
1.1 能源、环境与可持续发展 1
1.1.1 能源消费现状 1
1.1.2 可持续发展对能源利用的要求 3
1.2 热泵与节能减排 3
1.2.1 热泵的定义 3
1.2.2 热泵空调系统 4
1.2.3 热泵的驱动能源与驱动装置 5
1.2.4 热泵的节能与环境效益 7
1.3 热泵的理论基础 8
1.3.1 理想的热泵循环 8
1.3.2 热泵的性能评价指标 10
1.4 热泵的低位热源 11
1.4.1 空气 11
1.4.2 水 12
1.4.3 太阳能 14
1.4.4 土壤 15
1.5 热泵的分类 17
1.5.1 热泵的分类方法 17
1.5.2 按热源种类分类 18
1.5.3 按热泵驱动方式分类 23
1.5.4 按热泵制热温度范围分类 24
1.5.5 按载热介质分类 24
1.6 热泵的发展历程与现状 24
第2章 土壤源热泵 27
2.1 土壤源热泵概述 27
2.1.1 土壤源热泵的定义 27
2.1.2 土壤源热泵系统的构成及工作原理 28
2.1.3 土壤源热泵的技术特点 29
2.2 土壤源热泵系统的热力学分析 31
2.2.1 热泵机组 31
2.2.2 用户末端 33
2.2.3 循环水泵 34
2.2.4 地埋管换热器 35
2.2.5 土壤源热泵系统 35
2.3 土壤源热泵的类型 36
2.3.1 土壤源热泵的分类 36
2.3.2 垂直埋管式土壤源热泵 36
2.3.3 水平埋管式土壤源热泵 38
2.3.4 螺旋形埋管式土壤源热泵 38
2.3.5 桩基埋管式土壤源热泵 38
2.3.6 直膨式土壤源热泵 40
2.3.7 复合式土壤源热泵 40
2.4 土壤源热泵适应性评价 42
2.4.1 适应性评价的必要性 42
2.4.2 适应性评价体系 43
2.5 土壤源热泵推广应用中的关键问题 46
2.5.1 认识方面 46
2.5.2 岩土热物性的确定 47
2.5.3 设计方面 47
2.5.4 施工方面 47
2.5.5 运行管理方面 48
2.5.6 能效测评 48
2.6 土壤源热泵技术的发展历史与现状 48
2.6.1 国外 48
2.6.2 国内 49
第3章 土壤源特性分析 53
3.1 土壤能量的来源与平衡 53
3.1.1 土壤能量的来源 53
3.1.2 土壤能量的平衡 54
3.2 土壤源的特点 54
3.2.1 土壤源的优点 54
3.2.2 土壤源的缺点 55
3.3 土壤的孔性 55
3.3.1 土壤密度 55
3.3.2 土壤容重 56
3.3.3 土壤孔隙 56
3.4 土壤的热特性 57
3.4.1 土壤的热容量 58
3.4.2 土壤的热导率 59
3.4.3 土壤的导温性 60
3.5 土壤的温度状况 61
3.5.1 土壤温度状况的影响因素 62
3.5.2 土壤温度的变化规律 62
3.5.3 土壤原始温度场的计算 63
3.5.4 土壤温度的变化特性 63
第4章 地下岩土热响应测试 67
4.1 概述 67
4.1.1 测试目的 67
4.1.2 测试依据 68
4.2 地下岩土热响应测试要求 68
4.2.1 一般规定 68
4.2.2 仪表要求 69
4.2.3 测试要求 69
4.3 常用测试方法 70
4.3.1 土壤地质手册 70
4.3.2 取样测值法 70
4.3.3 探针法 71
4.3.4 现场探测法 72
4.4 现场热响应测试原理 74
4.4.1 恒热流法 74
4.4.2 恒温法 74
4.4.3 两种测试原理比较 75
4.5 现场热响应测试装置及步骤 75
4.5.1 测试装置 75
4.5.2 测试步骤 76
4.5.3 测试结果的影响因素 77
4.6 数据处理方法 79
4.6.1 基于线热源的数据拟合法 79
4.6.2 基于解析解模型的参数估计法 81
4.6.3 三种方法的比较 82
4.6.4 测试实例及分析 85
第5章 地埋管换热器传热理论与模型 88
5.1 概述 88
5.1.1 地埋管传热模拟的意义 88
5.1.2 传热模型的理论基础 88
5.1.3 地埋管换热器的可利用传热温差 89
5.2 常用的地埋管换热器传热模型 89
5.2.1 导热型模型 90
5.2.2 热湿耦合型 99
5.2.3 考虑冻融相变 101
5.2.4 地埋管传热模型的关键 105
5.3 地埋管传热特性影响因素及强化措施 105
5.3.1 地埋管传热特性影响因素 105
5.3.2 地埋管传热强化措施 107
5.4 变热流线源模型 108
5.4.1 变热流线热源模型的提出 108
5.4.2 变热流情况下钻孔壁温的计算 108
5.4.3 变热流情况下埋管流体温度的计算 109
5.4.4 模型的验证 110
5.5 二区域U形埋管传热模型 112
5.5.1 二区域U形埋管传热模型的提出 112
5.5.2 钻孔外土壤区域的传热模型 112
5.5.3 钻孔内的传热模型 114
5.5.4 二区域U形埋管传热模型的应用 119
5.5.5 二区域U形埋管传热模型的实验验证 122
5.6 土壤冻结对地埋管换热特性的影响 123
5.6.1 土壤冻结对土壤温度分布的影响 123
5.6.2 含水率对土壤冻结特性的影响 125
5.6.3 土壤原始温度对土壤温度分布及冻结半径的影响 125
5.6.4 导温系数与Stefan数对土壤冻结半径的影响 126
5.7 地下水渗流对地埋管换热特性的影响 128
第6章 地埋管换热系统设计 130
6.1 设计的基础资料 130
6.1.1 设计原始资料 130
6.1.2 空调负荷的计算 135
6.1.3 现场资源条件勘探 141
6.2 地埋管换热器的管材及传热介质 142
6.2.1 地埋管换热器的管材 142
6.2.2 管材规格与压力级别 143
6.2.3 传热介质 144
6.3 地埋管换热器的形式与连接 146
6.3.1 地埋管换热器的形式 146
6.3.2 地埋管换热器的连接方式 149
6.4 地埋管换热器长度的设计 151
6.4.1 工程概算法 153
6.4.2 半经验公式法 154
6.4.3 计算机动态模拟法 154
6.5 地埋管换热系统的水力计算 155
6.5.1 地埋管换热系统流量的确定 155
6.5.2 地埋管换热系统的阻力计算 156
6.6 地埋管换热系统设计实例 161
6.6.1 工程概况 161
6.6.2 系统分区与机房冷热源配置 161
6.6.3 地埋管换热系统的设计 162
6.6.4 辅助冷却塔容量的确定 164
6.6.5 地埋管系统流量的确定 164
6.6.6 管内流速校核 166
6.6.7 管路系统阻力损失计算与承压能力校核 166
6.6.8 地下热平衡计算 167
6.7 地埋管换热系统专用设计软件 167
第7章 土壤热平衡问题及其控制 170
7.1 土壤热平衡 170
7.1.1 土壤热平衡的概念 170
7.1.2 土壤热失衡的原因 171
7.1.3 土壤热失衡的危害 172
7.2 土壤热平衡的设计与控制 173
7.2.1 土壤热平衡的设计 173
7.2.2 土壤热平衡控制的技术措施 175
7.3 土壤热平衡控制中关键影响因素的分析 176
7.3.1 取放热不平衡率 176
7.3.2 地下释能运行控制模式 178
7.3.3 埋管布置方式 182
7.3.4 岩土类型 183
7.3.5 地下水渗流 184
7.3.6 土壤冻结相变 185
7.4 复合式土壤源热泵系统 187
7.4.1 复合式系统的必要性 187
7.4.2 冷却塔－土壤源热泵复合式系统 187
7.4.3 太阳能－土壤源热泵复合式系统 193
第8章 地埋管换热系统施工 203
8.1 施工工艺流程 203
8.2 施工前的准备 203
8.2.1 现场勘探 203
8.2.2 场地规划 204
8.2.3 水文地质调查 205
8.2.4 测试孔与监测孔 205
8.3 施工设备 206
8.3.1 钻孔与挖掘机械 206
8.3.2 焊接与回填设备 211
8.4 地埋管管道的连接 214
8.4.1 管道的热熔连接 214
8.4.2 管道的电熔连接 218
8.4.3 钢塑管道的转换连接 220
8.4.4 聚乙烯管道连接与施工时应注意事项 221
8.5 地埋管换热器的安装 222
8.5.1 水平式地埋管换热器 222
8.5.2 竖直式U形地埋管换热器 224
8.6 地埋管换热系统的检验与水压试验 230
8.6.1 地埋管换热系统的检验 230
8.6.2 地埋管水压试验 230
第9章 土壤源热泵系统运行能效测评 232
9.1 能效测评的必要性 232
9.1.1 土壤源热泵健康发展的需要 232
9.1.2 土壤源热泵系统的复杂性 233
9.1.3 系统优化运行管理的需要 233
9.1.4 土壤源热泵生态环保的需要 233
9.2 能效测评的依据 234
9.3 能效测评的内容 234
9.3.1 测试条件 234
9.3.2 测试内容 235
9.3.3 评价内容 235
9.4 能效测评的方法 235
9.4.1 测试方法 235
9.4.2 评价方法 240
9.5 能效测评报告 244
9.5.1 基本要求 244
9.5.2 能效测评报告的组成 246
第10章 土壤源热泵系统运行维护管理 249
10.1 土壤源热泵系统的运行管理 249
10.1.1 技术资料 249
10.1.2 运行的规章制度 250
10.1.3 运行人员管理 251
10.1.4 运行技术要求 251
10.1.5 运行节能要求 254
10.1.6 运行安全要求 254
10.2 土壤源热泵系统的运行维护 255
10.2.1 维护保养制度 255
10.2.2 维护保养内容 255
第11章 土壤源热泵系统工程实例 257
11.1 浙江某宾馆复合式土壤源热泵系统 257
11.1.1 工程概况 257
11.1.2 地质勘探与岩土热响应测试 257
11.1.3 总体设计方案 258
11.1.4 热泵机组选型 258
11.1.5 地埋管换热系统设计 259
11.1.6 冷却塔容量确定 262
11.2 扬州大学复合式土壤源热泵实验示范系统 262
11.2.1 实验示范系统概况 262
11.2.2 冷却塔－土壤源热泵复合式系统 263
11.2.3 太阳能－土壤源热泵复合式系统 268
11.3 扬州帝景蓝湾土壤源热泵系统 273
11.3.1 工程概况 273
11.3.2 设计依据 274
11.3.3 空调负荷计算与热泵机组选型 274
11.3.4 地埋管换热器系统设计 275
11.3.5 地埋管换热器的施工 278
11.4 扬州阳光美第土壤源热泵系统 280
11.4.1 工程概况 280
11.4.2 设计依据 280
11.4.3 地下岩土热响应测试 280
11.4.4 空调负荷计算 282
11.4.5 冷热源配置 282
11.4.6 地埋管换热器设计与施工 284
11.4.7 地表水源热泵 286
参考文献 288