地埋管地源熱泵理論與應用

（1）原創性高 本書內容為作者研究團隊十余年來在地埋管地源熱泵領域所取得的研究與應用成果的總結，系統分析了不同形式地埋管換熱器傳熱理論、影響因素及傳熱強化措施、復合地源熱泵及系統設計與施工等關鍵理論與技術難點，并列舉了部分工程案例 （2）較強的學術價值與應用價值 本書圍繞地埋管地源熱泵領域所開展的理論研究與技術開發的成果，涵蓋了地埋管地源熱泵的理論與應用研究成果，具有較強的學術價值及應用價值。 （3）系統性與指導性強 本書集中于地埋管地源熱泵應用中有待解決的關鍵理論與技術，具有較強的系統性與連貫性，并融合了工程應用，對地埋管地源熱泵技術具有重要的指導作用。

淺層地熱能是儲存于地球表層的一種儲量大、分布廣的清潔可再生能源資源。積極開發利用淺層地熱能，是深入貫徹生態文明思想、落實“雙碳”戰略的重要舉措，對于推進節能減排、促進綠色低碳發展、助力“雙碳”目標的實現具有重要戰略意義。2021年9月10日，國家能源局發布了《關于促進地熱能開發利用的意見》，要求進一步規范地熱能開發利用管理，推動地熱能產業持續高質量發展。2022年3月1日，住建部發布的《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》中指出，要加強地熱能等可再生能源在建筑中的利用，因地制宜推廣使用地源熱泵技術，到2025年，地熱能建筑應用面積達1億平方米以上。
作為淺層地熱能開發利用技術之一，地埋管地源熱泵因其節能、環保、適應性好等優勢而在建筑節能領域得到推廣，近年來該項技術在我國得到了快速發展，是國家“十四五”能源規劃鼓勵與支持的低碳能源利用技術之一。目前，地埋管地源熱泵技術在國外已有60余年的歷史。近15年來國內對其展開了大規模的研究、開發與工程應用，積累了許多成功應用的經驗，并出現了一些新的概念與應用方式。但是，認識上尚不透徹，實踐經驗還不完善，導致部分工程項目運行多年后出現各種問題，尤其在地埋管地源熱泵相關基礎理論與應用方面尚需進一步理解與完善。
本書著者與地源熱泵結緣于2001年，當年有幸考入青島理工大學（原青島建筑工程學院）暖通專業攻讀碩士學位研究生，并首次接觸到了地源熱泵這一概念。作為國內最早開始地源熱泵研究的單位之一，青島理工大學于1989年同瑞典皇家工學院合作建成國內第一個水平埋管地源熱泵實驗室，隨后又在此基礎上建立了53m埋深單U形垂直埋管地源熱泵實驗臺。作為關于暖通與熱泵的山東省重點實驗室，有著優越的實驗環境與條件，著者有幸在該實驗室完成了碩士研究課題，并汲取了豐富的地源熱泵相關知識，為后續的深入研究打下了重要基礎。2004年，著者有幸考入東南大學繼續攻讀暖通空調專業博士學位研究生，依托東南大學優越的學科平臺資源，搭建了太陽能-地源熱泵系統實驗臺，在導師施明恒教授的諄諄教誨、眾多大師的指點及濃厚學術氛圍的熏陶下，完成了博士課題《太陽能-地源熱泵系統的理論與實驗研究》，使得著者在地源熱泵領域的相關理論得到進一步提升。
2007年7月，著者博士畢業后進入揚州大學從事教學科研工作，當時也正處于地源熱泵在國內大規模推廣應用之時。為了理論聯系實際，進一步推廣地源熱泵技術，著者參與了眾多地源熱泵項目的檢測與技術咨詢服務，有幸接觸并參與到地源熱泵的工程設計與實踐。與此同時，為了響應國家節能減排號召，大力推進可再生能源建筑應用技術，借助揚州大學新校區建設契機，在學校地源熱泵專項等的資助下，建立了一套集本科生教學、研究生培養、科學研究、科技服務及可再生能源應用示范功能于一體的多功能復合式地源熱泵系統實驗示范平臺，依托該實驗平臺，展開了一系列的實驗研究，培養了眾多的本科生與研究生。
2009年3月，著者進入東南大學動力工程及工程熱物理博士后流動站繼續開展研究工作，并有幸拿到了中國博士后科學基金項目“地源熱泵利用中土壤熱平衡控制的傳熱機理研究”，依托該項目深入研究了當時地源熱泵應用中普遍面臨的地下土壤熱失衡問題。2012年，受江蘇省政府留學基金資助，著者有幸以訪問學者的身份來到俄克拉何馬州立大學（OSU）機械與航空學院的Building and Thermal Systems Research Group，師從國際著名地源熱泵專家Dr.Spitler與Dr.Beier，從事地源熱泵及其相關領域的研究。作為國際地源熱泵協會掛靠單位、地源熱泵研究領域國際權威機構及眾多國內地源熱泵研究學者的訪問之地，在這里也很榮幸認識了國際地源熱泵協會的Dr.Bose及OSU的Dr.Fisher等。訪學期間，在Dr.Beier的引薦下參觀了國際地源熱泵協會，并參加了當年舉辦的暑期地源熱泵技術培訓班。通過半年的訪問與交流，進一步拓寬了對于地源熱泵的視野。
作為地源熱泵領域的一名探尋者，著者一直致力于地源熱泵方面的理論研究與工程技術開發，于2015年編寫了《土壤源熱泵技術及應用》（化學工業出版社）一書，依托揚州大學優良的實驗條件，培養了一批地源熱泵研究方向的研究生，研究內容從傳統地埋管拓展到相變回填地埋管及能量樁，從豎直地埋管轉向水平螺旋型地埋管，從單一地源熱泵拓展到各種復合地源熱泵系統，研究內容涵蓋了巖土熱響應測試、地埋管跨季節儲能、地埋管傳熱強化、地埋管滲流及周圍土壤凍結特性、能量樁換熱與熱力耦合特性及各種復合地源熱泵系統運行模式等。研究內容進一步豐富和完善了地源熱泵相關理論與知識，也為本書的出版提供了大量素材來源。
本書內容以地埋管地源熱泵理論與應用為核心，從地埋管換熱器傳熱特性、地埋管換熱器周圍土壤凍結特性、水平螺旋型地埋管換熱器、相變回填地埋管換熱器、能量樁換熱及熱-力耦合特性、冷卻塔-地源熱泵復合系統、太陽能-地源熱泵復合系統、地埋管地源熱泵系統的設計與施工及地埋管地源熱泵系統應用案例等方面來全面闡述地埋管地源熱泵，力求反映前沿的理論研究與應用成果。本書不僅可供從事地埋管地源熱泵的研究、設計、施工及運行管理人員使用，也可供高等學校建筑環境與能源應用工程、能源與動力工程、新能源科學與工程等相關專業師生參考。
本書內容匯聚了著者及研究團隊10余年來歷屆研究生的研究成果，他們是王松松、朱潔蓮、張蘇蘇、梁幸福、孔磊、陳大建、楊晶晶、張恒、徐瑞、楊彬彬、張來軍、孫韜夫、鞠磊、張鈺、嚴超逸等，對他們的辛勤付出表示衷心的感謝。本書在撰寫過程中，研究生強雨晗、張朝陽、楊智鵬、王程蓉等協助進行了部分圖形和文字處理工作，并協助進行公式、插圖與表格的校對，在此一并表示衷心的感謝。
本書由揚州大學出版基金資助，并得到了國內同行與化學工業出版社的大力支持，在此表示衷心的感謝。
本書得到國家自然科學基金（51978599）、自然資源部淺層地熱能重點實驗室開放基金（KLSGE202301-4）、中國博士后科學基金（20090461050）、江蘇省自然科學基金（BK20141278）、深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室開放基金（SKLGDUEK1711）、住房和城鄉建設部科技計劃項目（2008-K1-26）、熱流科學與工程教育部重點實驗室開放基金（KLTFSE2014KF05、KLTFSE2016KF05）、中國科學院可再生能源重點實驗室開放基金（Y507K51001）、揚州市科技計劃項目（YZ2022188、YZ2016248、YZ2015101）等的資助，在此一并致謝。
本書在撰寫過程中引用了大量的參考文獻和部分工程案例，謹向有關文獻的作者和工程案例的設計者表示衷心感謝。限于著者水平，書中不妥之處在所難免，敬請前輩與同行批評指正，以便改正。著者的電子郵箱：yangwb2004@163.com。

著者
2023年8月于揚州大學

楊衛波，1975年出生，湖北安陸市人，揚州大學電氣與能源動力工程學院教授，博士、博士生導師，暖通空調學科負責人、揚州市“綠揚金鳳計劃”領軍人才，《農業工程學報》編委。長期從事地源熱泵與淺層地熱能利用方面的理論研究與技術開發工作，主持國家自然科學基金面上項目、國家星火計劃項目等課題40余項，發表學術論文80余篇，其中SCI、EI收錄40余篇，授權專利20余項，出版地源熱泵方面著作2部，獲青島市科技進步獎二等獎等多項獎勵。

本書系統闡述了地埋管地源熱泵的相關理論與技術應用，主要包括地埋管換熱器傳熱特性、地埋管換熱器周圍土壤凍結特性、水平螺旋型地埋管換熱器、相變回填地埋管換熱器、能量樁換熱及熱-力耦合特性、冷卻塔-地源熱泵復合系統、太陽能-地源熱泵復合系統、地埋管地源熱泵系統的設計與施工、地埋管地源熱泵系統應用案例等內容。本書突出了地埋管地源熱泵領域的相關基礎理論與應用，反映了前沿理論研究成果與技術應用進展。
本書可作為高等學校建筑環境與能源應用工程、能源與動力工程、新能源科學與工程、儲能科學與工程等相關專業師生的參考資料，也可供從事淺層地熱能利用的研究、設計、施工及運行管理人員使用。

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展現狀 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管內循環流體流量與鉆孔深度 54
2.6非連續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 74
3.4.5斯蒂芬數 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 78
4.2.2運行參數 80
4.2.3環境因素 81
4.3水平螺旋型地埋管換熱器傳熱特性的數值模擬 81
4.3.1物理模型 81
4.3.2數學模型 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 91
4.4.2試驗數據處理 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值模擬 105
5.3.1理論模型 105
5.3.2數值模型 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 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 210
7.1冷卻塔-地埋管地源熱泵復合系統形式 210
7.1.1輔助冷卻地源熱泵復合系統工作原理 210
7.1.2冷卻塔-地源熱泵復合系統形式 211
7.2冷卻塔-地源熱泵復合系統設計 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-地源熱泵復合系統土壤溫度恢復特性實驗 223
7.4.1實驗系統簡介 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-地源熱泵復合系統應用中的關鍵問題 231

第8章太陽能-地源熱泵復合系統 233
8.1太陽能-地源熱泵復合系統簡介 233
8.1.1復合系統構成與工作原理 233
8.1.2復合系統的優勢 234
8.2太陽能-地源熱泵復合系統運行模式 235
8.2.1聯合運行模式 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-地源熱泵復合系統運行特性的數值模擬 240
8.3.1聯合供暖運行特性 240
8.3.2交替供暖運行特性 248
8.4太陽能-地源熱泵復合系統運行特性實驗 255
8.4.1實驗系統介紹 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-地源熱泵復合系統參數優化分析 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-地源熱泵復合系統應用中的關鍵 273

第9章地埋管地源熱泵系統的設計與施工 275
9.1現場勘查 275
9.1.1現場資源條件勘探 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 287
9.2.3適宜性評價體系 288
9.3地埋管換熱系統設計 291
9.3.1地埋管管材與規格 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地埋管換熱系統的檢驗與驗收 322
9.5.1水壓試驗 322
9.5.2系統驗收 323

第10章地埋管地源熱泵系統應用案例 325
10.1某住宅小區地埋管地源熱泵系統 325
10.1.1小區概況 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系統運行控制 328
10.1.5地埋管換熱系統設計 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 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地埋管換熱系統設計與布置 340
10.4某職業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地埋管換熱系統設計與布置 348
10.5某康養中心復合地源熱泵系統 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