垂直U形地埋管换热器传热模型和设计方法

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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
本章首先介绍了地埋管地源热泵系统研究的背景和意义，然后综述了地埋管
地源热泵系统的国内外研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。
§1.1 课题的研究背景
§1.1.1 世界能源问题和我国的能源现状
能源是人类赖以生存的重要物质基础，也是国民经济和社会发展必不可少的
重要保障,对实现经济和社会的可持续发展，提高人民生活水平，改善环境质量，
保障国家能源安全具有重要的战略意义。化石燃料——煤炭、石油与天然气，合
计占全球现在使用能源总量的 85%以上。
19 世纪 70 年代的产业革命以来，化石燃
料的消费急剧增大。初期主要以煤炭为主，进入 20 世纪以后，特别是第二次世界
大战以来，石油以及天然气的开采与消费开始大幅度地增加，并以每年 2亿吨的
速度持续增长。虽然经历了本世纪 70 年代的两次石油危机，石油价格高涨，但石
油的消费量却不见有丝毫减少的趋势。据估算与推测，21 世纪化石燃料中有的将
被开采殆尽，有的因开采成本高以及开发使用导致的一系列环境问题而失去开采
价值。地质学家早已明确指出：石油耗竭之日为期不远了。现在，尽管地质学家
和经济学家们在激烈地争论石油开始匮乏的时间，但无论如何，化石燃料终将耗
尽却是无可争辩的事实（参见表 1.1）[1]。
表 1.1 非可再生能源占全球能耗比例及可用年限
能源种类
占全球能耗的比例/%
可使用时间/年
煤
25.0
220
石油
32.0
40
天然气
17.0
60
核能(裂变)
4.0
260
总和
78.0
我国是世界上人口最多的国家，也是能源生产和能源消费大国之一。据统计，
2001 年中国能源生产量为 8.397 亿吨标准油，占世界总量的 21.6%，居世界第三位，
排在美国、俄罗斯之后。同年中国能源消耗量占世界总量的 9.3%，居世界第二位。
2001 年中国煤炭产量居世界第一位，占世界总量的 24.4%；中国发电量居世界第
二，占世界总量的 9.4%；中国石油产量居世界第六位，占世界总量的 4. 6%
（参见
表1.2）[1]。
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中国能源消费量之所以大，除总人口规模大之外，主要是经济持续高速增长、
中国 GDP 占世界总量的比重不断上升的必然结果。据国际能源署（International
Energy Agency，
IEA）估计，按汇率方法计算，中国 GDP 总量占世界总量比重 1983
年为 2%,1993 年上升为 3%。
我国人均能源消费和储量大大低于世界人均水平。据统计，1980 年，我国人均能
源消费量相当于世界人均水平的 30%，1994 年上升为 46%，而美国 1994 年人均
能源消费量相当于世界人均水平的 5.46 倍，日本相当于 2.69 倍，高收入国家相当
于3.45 倍，中等收入国家在 1倍左右。从各类主要能源储量看，中国人均原煤储
量相当于世界人均水平的 45%，人均水电资源储量相当于世界人均水平的 55%，
人均原油储量相当于世界人均水平的 11%，人均天然气储量仅相当于世界人均水
平的 5%。按人均能源消费量和储量看，中国又是能源“小国”，即大大低于世界
人均水平。
表 1.2 各国能源生产量和消费量占世界总数比重（2001 年）%
能源生产量
能源消费量
煤炭产量
发电量
世界总计
100.0
100.0
100.0
100.0
中国
9.2
9.3
23.9
9.4
美国
17.9
24.5
22.3
25.3
日本
0
5.6
0.1
6.9
德国
0.9
3.7
4.4
3.6
俄罗斯
11.9
7.1
5.9
5.7
印度
2.7
3.4
7.5
3.6
能源安全的最重要的标志是能源能否满足国民经济和社会发展的需要。在过
去的 20 多年里，我国经济年均增长 9.7%，而能源消费的增长率仅为 4.6%。据估
计，我国煤炭剩余采储量为 900 亿吨，可供开采不足百年；石油剩余可采储量为
23 亿吨，仅可供开采 14 年；天然气剩余可采储量为 6310 亿m3，可供开采不过
32 年（当然，这种估计的准确性也值得商榷，因为它可能忽略了新的矿藏能源的
不断探明）。到 2010 年，《中国能源战略研究总报告》预测，中国能源（不包括台
湾地区）消费量的需求将达到 19 亿吨标准煤。其中，煤炭 18 亿吨，石油 2.5 亿
吨到 2.7 亿吨，天然气 600 亿吨到 1000 亿吨。然而，到 2010 年时，中国石油产
量仅为 1.6 亿吨到 2.1 亿吨，天然气仅 516 亿吨到 713 亿吨，油气资源供需差距
很大，需要进口填补。
从能源的发展战略来看，人类必须寻求一条可持续发展的能源道路，将能源
与环境有机结合，建立可持续发展的能源系统，开发高效、洁净的利用技术，尝
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试解决能源利用与环境协调相容的难题。积极努力改变我们的能源利用方式，如：
① 改进现有的能源利用技术，合理利用能源，包括提高能源利用效率，降低污染
排放；把能源按质区分，梯级利用。② 开发利用新能源，如太阳能、风能、海洋
能、地热能、核能等。这是人类必须寻求的一条能源环境可持续发展的战略道路。
§1.1.2 我国研究地埋管地源热泵系统的现实意义
在我国的能源消耗中，建筑能耗占有相当大的比例。建筑能耗是指民用建筑
（包括居住建筑和公共建筑以及服务业建筑）使用过程中的能耗，主要包括采暖、
空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯等方面的能耗。全世界建
筑能耗约占能源总消费量的 30%。建筑能耗与人民生活水平关系甚大，工业化国
家建筑能耗占全球建筑能耗总量的 52%，东欧和前苏联占 25%，发展中国家占 23%。
我国建筑能耗比例也将随着人民生活水平的提高而逐步上升。我国建筑能耗的总
量在能源总消费量中所占的比例已从上世纪七十年代末的 10%，上升到近年的
27.45%。
进入 21 世纪以来，我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高。根据
近年的统计，采暖和空调的能耗占建筑总能耗的 55%。建筑节能的重点之一是采
暖和制冷的节能。减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调的能耗、
节约能源是建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标。近年来，空调负荷增长
迅速，炎夏季节多数电网高峰负荷约有 1/3 用于空调制冷，使许多地区用电高度紧
张，拉闸限电频繁。目前，中国房间空调器和单元式空调机的产量已达世界第一，
而且，今后将呈继续上升的趋势。
近年来许多国家推出了绿色建筑标准和评估体系，以健康舒适的居住环境、
节约能源和资源、减少对自然环境影响为目标，从场地规划与土地利用、自然和
生态环境影响、节约资源和资源再利用等方面对建筑产业进行引导，也在客观上
促进了绿色建筑的普及。我国政府十分重视绿色、生态型建筑的发展。我国成功
申办 2008 年奥林匹克运动会的部分原因正是其“绿色奥运”的概念。北京将展示
给全世界一次真正意义上的“绿色奥运”。“北京奥林匹克行动计划”中制定了详
细计划，在 2008 年之前改善北京市空气和水污染状况。计划提倡使用太阳能、地
热能和风能、光电街灯、清洁交通和绿色建筑。绿色建筑的核心在于最低限度能
源、资源消耗，即建筑物的高保温性和节能性；对环境无污染，即清洁能源和新
能源的利用；和优良的室内环境质量。地埋管地源热泵不仅是节能技术，而且是
清洁能源和新能源的利用。因此，地埋管地源热泵的应用与发展正好适应了“绿
色建筑”的发展，二者相得益彰的结合符合以绿色为主题的“能源、环境与可持
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续发展”的背景。
地表浅层像一个巨大的太阳能集热器，收集了 47%的太阳能，比人类每年利
用能量的 500 倍还多。并且地表能不像太阳能受气候的影响，也不像深层地热受
资源和地质结构的限制。这种近乎无限、不受地域、资源限制的低焓热能，是人
类可以利用的清洁可再生能源。
地埋管地源热泵系统（Ground-Coupled Heat Pump systems，GCHPs）是随全
球能源危机和环境问题的出现逐渐兴起的一门节能环保技术。这种空调系统以大
地为冷源（热源），以中间介质（通常为水或防冻液）为载热体，使介质在埋设在
大地中的封闭环路中作循环流动，从而实现与大地进行热交换的目的，进而通过
热泵实现对建筑物的空气调节。
地埋管地源热泵系统冬季供暖时，把地表中的热量“取”出来，供给室内采
暖，同时向地下蓄存冷量量，以备夏用；夏季制冷时，把室内余热“排”到地表
中，同时蓄存热量，以备冬用。因此说地埋管地源热泵是可再生能源利用技术。
地埋管地源热泵系统只取热，不取水，没有地下水位下降和地面沉降问题，不存
在腐蚀和开凿回灌井问题，也不存在对大气排热、排冷的热污染和排烟、排尘、
排水等污染问题，是真正的绿色能源（Green Energy）利用。因此积极开展地埋管
地源热泵的研究具有较高的理论意义、实用价值和社会及环保效益。
地埋管地源热泵技术在欧洲和北美己有几十年的发展历史，技术已相当成熟，
针对地埋管地源热泵机组、地埋管换热器的设计和安装制订了一整套的标准、规
范。该项技术已成为一种广泛采用的供热空调方式，并以每年 10%的速度增长。
可以预计，该项技术将会成为 21 世纪建筑环境供暖和空调的最有效技术，并可实
现真正意义上的环境保护和资源的再利用。然而我国地埋管地源热泵的研究起步
不久，由于不同地区、不同地方的土壤类型、岩土含水率、原始地温、日照强度
等条件不尽相同，基础资料缺乏，要推广这一“绿色空调技术”，还需要进行大量
的研究，不断积累基础资料和完善理论计算模型，为设计提供可靠的参考依据。
§1.1.3 地埋管地源热泵的发展进程[2]
1912 年瑞士人 H.Zoelly 首次提出了利用土壤作为热泵系统热源的设想，随后
申请了专利。冰岛人早在 1928 年，就在雷克雅未克建立了地热供热系统。随后一
段时间直至 20 世纪 50 年代，欧美各国开始了研究地埋管地源热泵的第一次高潮，
1948 年Ingersoll 等人提出了 Kelvin 线热源理论来解决地下埋管的传热问题，同时
提供了大量实验数据，为后续研究打下了坚实的基础。但是，由于当时的常规能
源价格低廉及地埋管地源热泵采用的地下金属盘管的严重腐蚀问题，地埋管地源
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热泵的研究与应用陷入了低潮期。
1973 年爆发了全球性的“能源危机”，人们把目光重新投向了地埋管地源热泵
的研究与应用上。地埋管地源热泵技术引起了许多国家的重视，特别是北欧国家
如瑞典、冰岛等。欧洲先后召开了 5次大型的地源热泵国际学术会议。瑞典在短
短的几年中共安装了地源热泵装置 1000 多台套。冰岛己在雷克雅未克铺设了 370
英里长的热水管道，其中 1个区的热水来自地热供热，此外还建立了 10 个自动化
热水站，为全市居民提供热水和暖气，地热能的有效利用每年为该市节约了几十
亿冰岛克朗。美国在能源部（DOE）的资助下由 Brookhaven、Oak Ridge 国家实
验室和 Oklahoma 州立大学、Louisiana 州立大学等研究机构开展了大规模的研究，
为地埋管地源热泵的推广起到了重要的作用。这一时期的主要工作是对地埋管换
热器的换热过程进行研究，建立了相应的数学模型并进行数值仿真。
二十世纪 80 年代，在北美形成了利用地埋管地源热泵对建筑进行冷热联供的
研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。这一阶段的地埋管地源热泵
主要采用垂直埋管的换热器，埋管型式有垂直 U形管和套管两种。埋管的深度通
常达 60～200 米，因此占地面积大大减小，应用范围也从单独民居的空调向较大
型的公共建筑扩展。
二十世纪 90 年代后，欧美国家地埋管地源热泵大量应用于实际的工程项目，
地埋管地源热泵进入了新的发展阶段。目前，在欧美地热源热泵系统的应用逐步
走向商业化，市场化，研究工作转向了地埋管地源热泵系统与整个空调系统结合
运行的研究。
我国对地埋管地源热泵的研究始于 1989 年，青岛建筑工程学院建立了国内第
一台地埋管地源热泵实验系统，先后从事了水平埋管、垂直地埋管换热器的实验
研究。随后，天津商学院对螺旋埋管换热器进行了研究。进入 90 年代以后，华中
理工大学、湖南大学、重庆建筑大学、同济大学先后在相应地区建立了不同形式
的地下换热器，进行了大量的地埋管地源热泵实验研究，取得了这些地区的土壤、
太阳辐射、气温等关键性参数，为地埋管地源热泵在我国的发展奠定了坚实的基
础。由于地埋管地源热泵系统具有高效、环保、适用范围、不受区域限制等优点，
从上世纪 90 年代开始逐渐引起了建设部门的重视，在 20 世纪 90 年代末，地埋管
地源热泵开始在国内投入商业使用[3]。
垂直 U形地埋管换热器传热模型和设计方法
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§1.2 地埋管地源热泵系统原理和分类
§1.2.1 地埋管地源热泵系统的基本结构及其原理
地埋管地源热泵系统主要由地上部分和地下部分组成，图 1.1 为垂直埋管式地
埋管地源热泵示意图。图 1.2 为水平埋管式地埋管地源热泵示意图。地上部分与常
规的水源热泵系统相类似。地下部分主要是在地表以下设置高密度聚乙烯管（或
铝塑管等）构成地下换热器，通过管道与地上热泵换热器连接成闭式系统。在系
统内充注水或防冻液作为热载体，在地下换热器与地上热泵换热器（蒸发器或冷
凝器）间循环流动，通过热泵提取地下的热量（或冷量）输送到有热（冷）负荷
的区域。
图1.1 垂直埋管式地埋管地源热泵系统
图1.2 水平埋管式地埋管地源热泵系统
图1.3 示意了地埋管地源热泵系统的工作原理。在制冷状态下，地埋管地源热
泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换
器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时
再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最
第一章 绪 论
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终由水路循环转移至土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空
气热交换器，以 13℃以下的冷风的形式为房间供冷。在制热状态下，地埋管地源
热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通换向阀使冷媒流动方向改变。由地
下的水路循环吸收土壤里的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循
环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的
冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过
程中，以 35℃以上热风的形式向室内供暖。在夏季制冷状态下，地埋管地源热泵
系统还可以通过增加一个水/水热交换器提供生活热水，如图中所示。
图1.3 地埋管地源热泵系统工作原理图
§1.2.2 地埋管地源热泵的分类
按地埋管换热器形式的不同，地埋管地源热泵可分为水平埋管式地埋管地源
热泵（Horizontal Ground-Coupled Heat
Pump，HGCHP）和垂直埋管式地埋管地
源热泵（Vertical Borehole Ground-Coupled
Heat Pump，VGCHP）。水平埋管式地埋管
地源热泵的地下换热器结构有单管换热
器、多管换热器和螺旋盘管换热器。所谓
螺旋盘管，是将连续管线盘成圆并叠在一
起的结构（参见图 1.4）。这种螺旋盘管换
热器减少了占地面积，同时提高了换热效
率，在实际工程中应用较多[4]。垂直埋管式 图 1.4 螺旋盘管换热器
垂直 U形地埋管换热器传热模型和设计方法
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地埋管地源热泵的地下换热器结构有单管换热器、U形管换热器、双 U形管换热
器和套管换热器。
水平埋管系统施工简单，在整个地埋管地源热泵应用中所占的份额也不小，
但是相对而言，受外界气候的影响较大，换热能力较差，施工所占用的场地也比
较大，适合场地比较充分、无坚硬岩石、且易于挖掘的的地方建造，应用范围比
较有限。当埋管深度较浅（2m 以内）时，热泵运行后，地温可在下一个运行季节
到来时通过与地面的传热而恢复，但若埋管较深时，地温却只能部分恢复。我国
夏热冬冷地区制冷和供热天数大致相当，冷暖负荷基本相同，冬夏两季使用有利
于地温恢复。
垂直埋管系统占地面积少，受地面上气候条件的影响很小，所以恒温效果较
好。施工完毕后，需要的维护费用远远低于常规的供热空调系统[5]，用电量也很低，
运行成本得到了大幅度降低。但其初期的钻孔费用较高，同时也要考虑地温恢复
的问题。它比较适合在人多地少的地区建造，同时，它也是国际地埋管地源热泵
协会（IGSHPA）的推荐形式。
§1.2.3 地埋管地源热泵的特点
1) 属可再生能源的利用技术
地埋管地源热泵是利用地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的
供暖空调系统。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储
存于地表浅层近乎无限的可再生能源，符合现今可持续性发展的趋势。土壤具有
较好的蓄热性能，通过地埋管换热器，夏季利用冬季蓄存的冷量供冷，同时蓄存
热量以备冬用；冬季利用夏季蓄存的热量供热，同时蓄存冷量以备夏用。上海地
区属于夏热冬冷地区，近几年最热月平均气温已达 30.2℃、最冷月平均气温为
4.2℃，最冷月与最热月平均相对湿度分别为 75%、83%，高于 35℃的酷热天气长
达半个月到一个月，日平均温度低于 5℃的天数长达两个月以上，因此每年传给土
壤的冷热量基本相同，可以实现冷、热互为补偿。
2) 属经济有效的节能技术
地下土壤温度随季节变化的波动较小，特别是地面 5米以下的土壤，其温度
基本不随季节变化。夏季土壤中的温度低于对应气候条件下的地面空气温度，冬
季土壤温度高于对应气候条件下的地面空气温度。这样夏季就降低了热泵的冷凝
温度，冬季提高了热泵的蒸发温度，结果使热泵的效率提高，达到了节能的效果。
3) 环境效益显著
地埋管地源热泵的室外换热器设在地下，不存在换热导致的室外热环境污染
第一章 绪 论
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问题。地埋管地源热泵没有室外风机，不会由于风机运行而产生噪音，并且降低
了能耗。机组的地埋管换热器可以布置在花园、草坪及建筑物周围地下，不占地
上建筑面积。这些都带来显著的环境效益。
4) 一机多用、应用范围广
地埋管地源热泵系统可供暖、制冷，还可在夏季提供免费生活热水，一机多
用，一套系统可以替换原来的锅炉与空调两套装置或系统。可应用于宾馆、商场、
办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、制冷。此外，机组使用寿命长，
平均在 50 年以上。
§1.3 地埋管地源热泵系统国内外研究现状
§1.3.1 地埋管地源热泵系统国内研究现状
我国对地埋管地源热泵的研究起始于 20 世纪 80 年代，到了 20 世纪 90 年代
末，这项技术不但成了国内空调界热门的研究课题，而且开始应用于工程实践中，
与此相关的产品也应运而生。近年来，国内科研机构对地埋管地源热泵的研究主
要集中在：地埋管换热器的传热模型、土壤特性测定、地埋管地源热泵系统的设
计和施工、地埋管地源热泵系统的经济性能和运行特性、其他能源如太阳能、水
电等与地热源联合应用等方面。进行地埋管地源热泵系统研究的单位主要有天津
商学院、重庆建筑大学（现已并入重庆大学）、山东建筑工程学院、同济大学、浙
江大学、清华大学等。
由于采用地下换热器，地埋管地源热泵系统具有较高的技术难度。推广和普
及地埋管地源热泵系统需要基础理论、实验研究和工程实践的有机结合。其中基
础理论研究主要包括大地初始温度的确定、地埋管换热器的埋深及管间距、以及
地埋管换热器的传热模型等方面。国内在基础理论研究上已经取得了丰硕的成果
[3]，有些方面已经处于国际领先水平[6]。实验研究的重点放在启动工况、土壤热物
性测定方法、单位管长放热量、系统 COP 等方面。在理论和实验研究的基础上，
我国地埋管地源热泵系统的工程应用越来越多，显示了这种高效节能的空调系统
的巨大潜力。
§1.3.2 地埋管地源热泵系统国外研究现状
国外对地埋管地源热泵系统的研究起步较早，其研究成果大多能较快地应用
于实践。许多国外最新的地埋管地源热泵系统研究成果已经开始应用于工程实践。
近几年国外地埋管地源热泵的研究主要集中在：土壤特性测定、回填工艺和回填
摘要：

第一章绪论1第一章绪论本章首先介绍了地埋管地源热泵系统研究的背景和意义，然后综述了地埋管地源热泵系统的国内外研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。§1.1课题的研究背景§1.1.1世界能源问题和我国的能源现状能源是人类赖以生存的重要物质基础，也是国民经济和社会发展必不可少的重要保障,对实现经济和社会的可持续发展，提高人民生活水平，改善环境质量，保障国家能源安全具有重要的战略意义。化石燃料——煤炭、石油与天然气，合计占全球现在使用能源总量的85%以上。19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费急剧增大。初期主要以煤炭为主，进入20世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油以及天然气的开采与消...

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