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本书主要阐述了土壤源热泵的基本原理、相关理论、设计方法以及应用技术，内容包括土壤源热泵的概念、土壤源特性分析、岩土热响应测试、地埋管换热器传热理论与模型、地埋管换热系统设计、土壤热平衡问题及其控制、地埋管换热系统施工、系统运行能效测评及运行维护管理，并介绍了部分土壤源热泵工程实例。本书系统性与实用性相结合，反映了土壤源热泵领域新的科学研究成果和工程应用进展。

本书可供从事土壤源热泵的研究、设计、施工及运行管理人员使用，也可供建筑、环境与能源应用工程等相关专业院校师生参考。

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

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编辑推荐

1.作者长期致力于土壤源热泵利用方面的理论研究与工程应用技术开发，经验丰富；

2.本书以土壤源热泵技术为核心，在详述理论、技术的基础上，对经典的工程实例进行了分析，难能可贵，有极大的参考价值，方便读者学以致用。

书摘插图

前言

随着经济的快速发展和人们生活水平的逐步提高，能源与环境问题日益突出，并成为各国在发展经济的同时急需解决的全球性问题，因此，寻求一种节能、环保、可持续性能源利用模式是世界各国能源建设与发展战略的重点。土壤源热泵作为一种既可供暖又可制冷，还可提供生活热水的新型空调技术，因其具有绿色、高效及适应性好等优点而备受各国青睐，且成为国际上公认的具发展潜力的采暖空调技术之一。近期在我国也得到了快速发展，并被相关政府机构列为可再生能源利用专项技术支持与资助的重点领域之一。

土壤源热泵技术作为一种可再生能源建筑应用技术，在建筑节能领域得到了较为广泛的应用。至今，该技术在国外已有50多年的历史，积累了丰富的应用设计经验，已逐步趋向于成熟。然而，国内约在10年前才开始对其展开大规模的研究与开发。近年来，受国家及地方政府的大力推动，尤其是可再生能源建筑应用示范城市与示范项目的实施，土壤源热泵技术在我国得到迅速发展。但是，由于认识与技术上还不成熟，设计经验欠缺，导致部分土壤源热泵工程能效较低，甚至出现系统运行失败的情况。尤其在地埋管传热理论与模型、系统动态仿真及其优化设计、土壤热平衡设计及其控制、运行调试与管理等方面需要进一步认识。本书结合作者多年来的研究与工程应用经验，对土壤源热泵技术进行全面的阐述，以期为该项技术在国内的健康发展提供参考。

本书内容力求理论联系实际，从土壤源热泵概念、土壤源特性分析、地下热响应测试、地埋管换热器传热理论与模型、地埋管换热系统设计、土壤热平衡问题及其控制、系统运行能效测评、系统运行维护管理及工程实例等方面来全面介绍土壤源热泵技术，并汇集了作者10多年来的研究与应用成果。因此，本书不仅可供从事土壤源热泵的研究、设计、施工及运行管理人员使用，也可供建筑、环境与能源应用工程等相关专业院校师生参考。

本书由扬州大学杨卫波副教授编著，并负责全书的统稿工作。本书在编著过程中，研究生杨晶晶、孙露露协助进行了部分文字和图形处理工作，并协助进行文字、公式、插图与表格的校对，在此一并表示衷心的感谢。

本书的出版得到了化学工业出版社的大力帮助和热情支持，在此表示衷心的感谢。

本书的工作得到江苏省自然科学基金项目（BK20141278）、扬州市自然科学基金项目（2015年度）扬州市科技计划项目（2014-6）、中国科学院可再生能源重点实验室开放基金（y507k51001）、广西建筑新能源与节能重点实验室开放基金（桂林能15-J-22-3）、热流科学与工程*重点实验室(西安交通大学)开放基金 (KLTFSE2014KF05) 等的资助，在此一并致谢。

本书引用了许多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。限于编著者的水平，书中不妥之处在所难免，敬请前辈与同行批评指正，以便在以后的教学科研中改进。电子邮箱：yangwb2004@163.com。

杨卫波

2015年10月于扬州大学