地埋管地源热泵理论与应用

浅层地热能是储存于地球表层的一种储量大、分布广的清洁可再生能源资源。积极开发利用浅层地热能，是深入贯彻生态文明思想、落实“双碳”战略的重要举措，对于推进节能减排、促进绿色低碳发展、助力“双碳”目标的实现具有重要战略意义。2021年9月10日，国家能源局发布了《关于促进地热能开发利用的意见》，要求进一步规范地热能开发利用管理，推动地热能产业持续高质量发展。2022年3月1日，住建部发布的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》中指出，要加强地热能等可再生能源在建筑中的利用，因地制宜推广使用地源热泵技术，到2025年，地热能建筑应用面积达1亿平方米以上。
作为浅层地热能开发利用技术之一，地埋管地源热泵因其节能、环保、适应性好等优势而在建筑节能领域得到推广，近年来该项技术在我国得到了快速发展，是国家“十四五”能源规划鼓励与支持的低碳能源利用技术之一。目前，地埋管地源热泵技术在国外已有60余年的历史。近15年来国内对其展开了大规模的研究、开发与工程应用，积累了许多成功应用的经验，并出现了一些新的概念与应用方式。但是，认识上尚不透彻，实践经验还不完善，导致部分工程项目运行多年后出现各种问题，尤其在地埋管地源热泵相关基础理论与应用方面尚需进一步理解与完善。
本书著者与地源热泵结缘于2001年，当年有幸考入青岛理工大学（原青岛建筑工程学院）暖通专业攻读硕士学位研究生，并首次接触到了地源热泵这一概念。作为国内最早开始地源热泵研究的单位之一，青岛理工大学于1989年同瑞典皇家工学院合作建成国内第一个水平埋管地源热泵实验室，随后又在此基础上建立了53m埋深单U形垂直埋管地源热泵实验台。作为关于暖通与热泵的山东省重点实验室，有着优越的实验环境与条件，著者有幸在该实验室完成了硕士研究课题，并汲取了丰富的地源热泵相关知识，为后续的深入研究打下了重要基础。2004年，著者有幸考入东南大学继续攻读暖通空调专业博士学位研究生，依托东南大学优越的学科平台资源，搭建了太阳能-地源热泵系统实验台，在导师施明恒教授的谆谆教诲、众多大师的指点及浓厚学术氛围的熏陶下，完成了博士课题《太阳能-地源热泵系统的理论与实验研究》，使得著者在地源热泵领域的相关理论得到进一步提升。
2007年7月，著者博士毕业后进入扬州大学从事教学科研工作，当时也正处于地源热泵在国内大规模推广应用之时。为了理论联系实际，进一步推广地源热泵技术，著者参与了众多地源热泵项目的检测与技术咨询服务，有幸接触并参与到地源热泵的工程设计与实践。与此同时，为了响应国家节能减排号召，大力推进可再生能源建筑应用技术，借助扬州大学新校区建设契机，在学校地源热泵专项等的资助下，建立了一套集本科生教学、研究生培养、科学研究、科技服务及可再生能源应用示范功能于一体的多功能复合式地源热泵系统实验示范平台，依托该实验平台，展开了一系列的实验研究，培养了众多的本科生与研究生。
2009年3月，著者进入东南大学动力工程及工程热物理博士后流动站继续开展研究工作，并有幸拿到了中国博士后科学基金项目“地源热泵利用中土壤热平衡控制的传热机理研究”，依托该项目深入研究了当时地源热泵应用中普遍面临的地下土壤热失衡问题。2012年，受江苏省政府留学基金资助，著者有幸以访问学者的身份来到俄克拉何马州立大学（OSU）机械与航空学院的Building and Thermal Systems Research Group，师从国际著名地源热泵专家Dr.Spitler与Dr.Beier，从事地源热泵及其相关领域的研究。作为国际地源热泵协会挂靠单位、地源热泵研究领域国际权威机构及众多国内地源热泵研究学者的访问之地，在这里也很荣幸认识了国际地源热泵协会的Dr.Bose及OSU的Dr.Fisher等。访学期间，在Dr.Beier的引荐下参观了国际地源热泵协会，并参加了当年举办的暑期地源热泵技术培训班。通过半年的访问与交流，进一步拓宽了对于地源热泵的视野。
作为地源热泵领域的一名探寻者，著者一直致力于地源热泵方面的理论研究与工程技术开发，于2015年编写了《土壤源热泵技术及应用》（化学工业出版社）一书，依托扬州大学优良的实验条件，培养了一批地源热泵研究方向的研究生，研究内容从传统地埋管拓展到相变回填地埋管及能量桩，从竖直地埋管转向水平螺旋型地埋管，从单一地源热泵拓展到各种复合地源热泵系统，研究内容涵盖了岩土热响应测试、地埋管跨季节储能、地埋管传热强化、地埋管渗流及周围土壤冻结特性、能量桩换热与热力耦合特性及各种复合地源热泵系统运行模式等。研究内容进一步丰富和完善了地源热泵相关理论与知识，也为本书的出版提供了大量素材来源。
本书内容以地埋管地源热泵理论与应用为核心，从地埋管换热器传热特性、地埋管换热器周围土壤冻结特性、水平螺旋型地埋管换热器、相变回填地埋管换热器、能量桩换热及热-力耦合特性、冷却塔-地源热泵复合系统、太阳能-地源热泵复合系统、地埋管地源热泵系统的设计与施工及地埋管地源热泵系统应用案例等方面来全面阐述地埋管地源热泵，力求反映前沿的理论研究与应用成果。本书不仅可供从事地埋管地源热泵的研究、设计、施工及运行管理人员使用，也可供高等学校建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程、新能源科学与工程等相关专业师生参考。
本书内容汇聚了著者及研究团队10余年来历届研究生的研究成果，他们是王松松、朱洁莲、张苏苏、梁幸福、孔磊、陈大建、杨晶晶、张恒、徐瑞、杨彬彬、张来军、孙韬夫、鞠磊、张钰、严超逸等，对他们的辛勤付出表示衷心的感谢。本书在撰写过程中，研究生强雨晗、张朝阳、杨智鹏、王程蓉等协助进行了部分图形和文字处理工作，并协助进行公式、插图与表格的校对，在此一并表示衷心的感谢。
本书由扬州大学出版基金资助，并得到了国内同行与化学工业出版社的大力支持，在此表示衷心的感谢。
本书得到国家自然科学基金（51978599）、自然资源部浅层地热能重点实验室开放基金（KLSGE202301-4）、中国博士后科学基金（20090461050）、江苏省自然科学基金（BK20141278）、深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金（SKLGDUEK1711）、住房和城乡建设部科技计划项目（2008-K1-26）、热流科学与工程重点实验室开放基金（KLTFSE2014KF05、KLTFSE2016KF05）、中国科学院可再生能源重点实验室开放基金（Y507K51001）、扬州市科技计划项目（YZ2022188、YZ2016248、YZ2015101）等的资助，在此一并致谢。
本书在撰写过程中引用了大量的参考文献和部分工程案例，谨向有关文献的作者和工程案例的设计者表示衷心感谢。限于著者水平，书中不妥之处在所难免，敬请前辈与同行批评指正，以便改正。著者的电子邮箱：yangwb2004@163.com。

著者
2023年8月于扬州大学

本书系统阐述了地埋管地源热泵的相关理论与技术应用，内容包括地埋管换热器传热特性、地埋管周围土壤冻结特性、水平螺旋型地埋管换热器、相变回填地埋管换热器、能量桩换热及热-力耦合特性、冷却塔-地源热泵复合系统、太阳能-地源热泵复合系统、地埋管地源热泵系统的设计与施工、地埋管地源热泵工程应用案例。本书突出了地埋管地源热泵领域的相关基础理论与应用，反映了最新的理论研究成果与技术应用进展。
本书可以作为高等学校建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程、新能源科学与工程、储能科学与工程等相关专业师生的参考，也可供从事浅层地热能利用的研究、设计、施工及运行管理人员使用。

杨卫波，1975年出生，湖北安陆市人，扬州大学电气与能源动力工程学院教授，博士、博士生导师，暖通空调学科负责人、扬州市“绿扬金凤计划”领军人才，《农业工程学报》编委。长期从事地源热泵与浅层地热能利用方面的理论研究与技术开发工作，主持国家自然科学基金面上项目、国家星火计划项目等课题40余项，发表学术论文80余篇，其中SCI、EI收录40余篇，授权专利20余项，出版地源热泵方面著作2部，获青岛市科技进步奖二等奖等多项奖励。

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

本书系统阐述了地埋管地源热泵的相关理论与技术应用，内容包括地埋管换热器传热特性、地埋管周围土壤冻结特性、水平螺旋型地埋管换热器、相变回填地埋管换热器、能量桩换热及热-力耦合特性、冷却塔-地源热泵复合系统、太阳能-地源热泵复合系统、地埋管地源热泵系统的设计与施工、地埋管地源热泵工程应用案例。本书突出了地埋管地源热泵领域的相关基础理论与应用，反映了最新的理论研究成果与技术应用进展。
本书可以作为高等学校建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程、新能源科学与工程、储能科学与工程等相关专业师生的参考，也可供从事浅层地热能利用的研究、设计、施工及运行管理人员使用。

杨卫波，1975年出生，湖北安陆市人，扬州大学电气与能源动力工程学院教授，博士、博士生导师，暖通空调学科负责人、扬州市“绿扬金凤计划”领军人才，《农业工程学报》编委。长期从事地源热泵与浅层地热能利用方面的理论研究与技术开发工作，主持国家自然科学基金面上项目、国家星火计划项目等课题40余项，发表学术论文80余篇，其中SCI、EI收录40余篇，授权专利2