（市政工程专业论文）地源热泵换热器的分析与设计.pdf

浙江大 学硕士学位论文 摘要 随着地源热泵系统在我国的运用，地源热泵的工作机理得到越来越多的关 注。我国高校与科研机构及生产单位对地源热泵的传热机理进行了广泛的 研究， 取得了丰硕的 成果. 本文在前人的基础上， 对传热模型进行了 进一步探讨， 并对 影响传热的各因素进行了数值模拟分析，同时验证了不考虑地下水流的传热模 型。 在此基础上， 对地源热泵系统设计中 各因素的确定进行了 详尽的 探讨， 并且 阐述地源热泵设计一般过程，以供设计参考。 本文的主要内容有: 1 、采用a n s y s编写的程序分析了地源热泵换热器的影响因素，得到如下结 论: ( i ) 本文沿水平向与沿垂直向的计算结果验证了不考虑地下水流动的模型的 合理性。 ( 2 ) 套管内原先水的温度对整个地源热泵系统的影响甚少，可以不加考虑。 ( 3 ) 不同的回填材料对系统的影响十分明显， 因此， 有必要对于回填材料进行 认真地研究。 ( 4 ) 不同的远端土对系统的影响显著，因此， 在设计地源热泵时应该加强对现 场的勘测，选择合适的地方进行钻孔，埋设地下换热器。 ( 5 ) 远端边界计算的结果验证了计算模型选取的r 4 合理性。说明我们通过试 算来选择合适的远端边界是很有必要的， 进而可以提高计算的精度与减少计算的 工作量。 ( 6 ) 本文还将套管中的水流引起土壤中的温度变化与土壤自 身的温度周期性 变 化加以 区 别， 采 用 对 称 位置 加 载的 方 法 进 行 对比 ， 得出 土 壤 本 身的 温 度 周 期 性 变化的 影响远比套管中水流引起的土壤温度变化大， 说明了土壤具有很强的自 恢 复功能 ( 7 ) 从埋管的平面布置看，单排布置是最好的运行排列，对给定数量的钻孔 长方形排列要比正方形排列好。 2 、对地源热泵设计中的地下换热器类型、埋管的布置、埋管管径与长度、 浙江大 学硕士学位论文 连接方式、 室内空气分布系统等进行确定的原则与方法进行了探讨。 还对地源热 泵系统的整体设计与一般设计过程作了介绍。 地源热泵在我国是一个新兴的科学研究领域， 节能、 环保、美化环境， 有着 广阔的发展前景， 存在着广阔的空间值得我们进一步的研究和试验。 本文所提供 理论模型与数 值计算的 方法， 将为地源热泵工程的实际应用和进一步 研究提供理 论依据和参考作用。 关键词:地源热泵，地下换热器，传热模型，a n s y s ，地源热泵设计 浙江大 学硕士学位论文ab s t r a c t abs t r a c t a l o n g w i t h g r o u n d s o u r c e h e a t p u m p s ( g s h p s ) a p p l y i n g t o c h i n a , i t s p r i n c i p i u m n o f w o r k h a s b e e n a t t e n t i o n d e d b y p e o p l e m o r e a n d m o r e . m a n y c o m p a n i e s h a v e o b t a i n e d s u b s t a n t i a l p r o d u c t i o n , i n c l u d i n g m a n y u n i v e r s i t i e s , i n s t i t u t i o n s f o r s c i e n t i f i c r e s e a r c h a n d c o m p a n i e s a s s o c i a t e d , t h e y w o r k h a r d o n s t u d y i n g g s h p s . o n t h e b a s e o f d e p a r t e d p r o d u c t i o n , t h e p a p e r s e t u p t h e h e a t t r a n s f e r m o d e l a n d s t u d y o n i t a n d t h e n , a n a l y s e t h e f a c t o r o f a f f e c t i o n t h e h e a t t r a n s f e r u s i n g n u m e r i c a l v a l u e m o d e l . a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t , t h e p a p e r s t u d y a n d c o n f i r m s o m e p a r a m e t e r f o r d e s i g n o f g s h p s . i t m a y b e s i m p l y e x p o u n d o f t h e d e s i g n p r o c e s s o f g s h p s，w h i c h c a n b e a r e f e r e n c e o f t h e t h e o r y r e s e a r c h a n d t h e p r a c t i c a l d e s i g n . m a i n c o n t e n t o f t h e p a p e r : 1 . t h e f a c t o r s o f a f f e c t i o n g s h p s a r e a n a l y s e d b y a n s y s , a n d s o m e c o n c l u s i o n s a r e d r a w e d a s f o l l o w: a ) t h e r e s u l t s o f c a l c u l a t i o n c e r t i f i c a t e t h e m o d e l o f g s h p s w h e n t h e w a t e r f l o w a r e u n c o n s i d e r a t e d . b ) t h e t e m p e r a t u r e o f w a t e r i n t h i m b l e i s l i t t l e a f f e c t e d o n t h e t e m p e r a t u r e o f s o i l a r o u n d t h e t h i m b l e . c ) d i f f e r e n t m a t e r i a l o f b a c k f i l l a r e g r e a t l y a f f e c t e d o n t h e s o i l a r o u n d t h e t h i m b l e . s o t h e f a r f i e l d s o i l d i d. d ) t h e r e s u l t o f o f c a l c u l a t i o n i d e n t i f i e s t h e s e l e c t o f f a r b o u n d a r y i s r e a s o n a b l e e ) s i n g l e r o w 2ki n d s i s t h e b e s t r u n n i n g d i s p l a y o f t h e g s h p s . o f g r o u n d h e a t e x c h a n g e r , t h e p o s i t i o n o f p i p e , t h e d i a m e t e r l e n g t hc o n n e c t i o n o f t h e p i p e , t h e s y s t e m o f d i s t r i b u t i o n o f i n d o o r a i r a r e e闪口 .nn ta s t u d i e d . a n d t h e f a c t o r s o f a f f e c t i o n g s h p s a r e a n a l y s e d b y a n s y s . t h e d e s i g n p r o c e s s o f g s h p s i s e x p o u n d t h e g r o u n d - s o u r c e h e a t p u m p i s a f r e s h d o m a i n i n c h i n a a n d h a s a p r o m i s i n g w 浙江大 学硕士学位论文 a b s tr a c t d e v e l o p i n g . t h e t h e o r e t i c a l l y m o d e l a n d t h e w a y o f n u m e r i c a l v a l u e c a l c u l a t i o n w i l l o f f e r a c c o r d a n d r e f e r r e n c e t o a p p l i c a t i o n a n d s t u d y o f g s h p s . k e y w o r d s : g s h p s , g r o u n d h e a t e x c h a n g e r , t h e t r a n s f e r m o d e l , a n s y s , g s h p s d e s i g n v 浙江大 学硕士学位论文 第一章绪论 第一章 绪论 1 . ， 地源热泵起源及发展 她源热 泵( g r o u n d s o u r c e h e a t p u m p s . 简称g s h p s ) 是指利 用土壤或 地下水 的低温位热能和蓄热性能的一种热泵系统。 地源热泵的历史可以追朔到1 9 1 2 年瑞士的一个专利。 约2 0 世纪5 0 年代初， 美、 英开始研究采用地下盘管作热源的家庭用热泵。 在夏天， 将埋地换热器作为冷凝 器起伟 吐 冷作用，向 地下蓄热， 在冬天， 将埋地换热器作为蒸发器起制热作用， 从 地下取热。 这样既可以充分利用土壤中的低位地热资源， 又能将夏天的热量储存 在地下，以供冬季使用， 从而实现既可供热又可制冷的高效节能系统。由于不受 气温变化的影响， 平均温度波动较少， 地源热泵对热泵的性能起了 较大的改善作 用， 具有很大的优越性。 美国 从1 9 4 6 年开始对g s h p s 进行了 研究， 并在波兰特市 中心区安 装了 第一台 地源热泵系统。 但当时能 源价格低廉， 这种系统经济效益不 明显， 缺乏竞争力， 没有广泛应用。 7 0 年代， 受石油危机影响， 人们把注意力集 中到了节能、 环保、 高效地源热泵上， 地源热泵的研究进人了高潮. 8 0 年代以后， 在水一 水型地源热泵技术的基础上开发出可以不用地下水，从浅层常温土壤中取 热或向 其排热直接转换成热风和冷风的土一 气型地源热泵系统，既解决了 冷暖两 用问题， 提高了节能效率， 大幅度降低了运行成本， 又克服了限制开采地下水的 障碍， 使土一 气型地源热泵迅速得到推广。 2 0世纪9 0年代以后油于受国际大环 境的影响以 及地源热泵自 身所具备的节能和环保优势， 这项技术日 益受到人们的 重视， 越来越多的技术人员开始投身于此项研究。1 9 9 8年重庆建工学院 建设了 包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置， 刘宪英等人从1 9 9 9年 开始， 在国家自 然科学基金的资助下对浅埋竖直管换热器的采暖、 供热特性进行 了研究; 1 9 9 8年青岛建工学院建设了聚乙 烯垂直地源热泵装置; 1 9 9 8年湖南大 学建设了水平埋管地源热泵实验装置开始对多层水平埋管换热特性进行了研究; 1 9 9 9 年同 济 大学 建 设了 垂直 地 源热 泵 装置， 张 旭等 人从 1 9 9 9年开 始， 在 联合技 术公司 ( u t c )的资助下针对长江中下游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进 浙江六学积：l - 学位论文第一章绪论 行了土壤一太阳能复合热源的研究。此外，清华大学、浙江大学、天津大学、华 中科技大学、山东建筑工程学院及中科院广州能源研究所等高校和科研单位也对 土壤宅原热泵进行过研究，并取得了一定的成果。 我国的地源热泵的应用虽起步比较晚，但相关的研究已经陆续展开。我国地 源热泵的研究已经非常接近实际情况，再加上目前已经陆续建立了示范工程，已 经积累了许多宝贵的经验，为大面积推广该技术奠定了坚实的基础。 1 2 地源热泵形式 按照低温热源的类型和应用方式将地源热泵系统分为地下水热泵系统、地表 水热泵系统、水平埋管地源热泵系统、垂直埋管地源热泵系统等四类。按照地源 热泵机组冷热媒介不同通常分为：水水型、水一空气型、土，气型等。按地下挨热 器形式的不同可以分为三种类型：闭环路系统、开环路系统与直接膨胀系统。对 于一个地区地下换热方式的选择主要取决于水文地质结构、有效的土地面积和生 命周期费用。为减少初投资、改善地源热泵性能，对于冷热负荷不平衡的地区， 通常采用复合式地源热泵系统【3 】。 1 2 1 闭环路系统 闭环路系统是指通过中间介质( 通常为水或者是加入防冻剂的水) 作为热载 体，使中间介质在地下的预埋管中进行循环流动来传递热量的地下换热系统。闭 路系统的具体形式有垂直环路、水平环路、螺旋盘管环路、池塘环路以及与建筑 桩基结合的桩埋管换热器。 1 、垂直环路 垂直环路的地下换热器常见的埋管方式有套管与u 形管两种。通常是由高密 度的聚乙烯管组成，这些环管放在直径7 6 m m 1 5 0 r a m 的垂直管孔中，并在井内 埋设u 型管或者同心套管，具体长度取决于土壤热特性。所有垂直管孔要用膨润 土灌浆等使箍个系统有良好导热性能的材料回填。垂直环路系统较多用于土地面 积有限、水位较深以及地下为岩石层或岩石地层的地方，如图1 1 所示。垂直埋 管系统涉虽有钻孔和埋管的费用，但其换热的效率高，运行更稳定，成为常用的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 埋管力- 式，而套管的埋管方式较u 型管传热的效率更佳，是商业用途中最常用的 系统形式。 图1 1 垂直埋设地耦管换热方式 2 、水平环路 水平环路是通过中间介质( 通常为水或者是加入防冻剂的水) 作为热载体， 使中间介质在水平埋于土壤内部的封闭环路( 土壤换热器) 中循环流动，从而实 现与大地土壤进行热交换的目的。通常将横管放在深度约为1 2 q o m 深的水平 管沟内，比垂直管可节省费用2 5 3 0 。管沟长度取决于土壤条件和管沟中的 管道数量。该方式常用于住宅，适用于土地丰富，而且具有较高地下水水位的地 区。水平环路系统往往费用比较低，但占地较多，且换热能力不高。 3 、螺旋管环路 螺旋管环路通常有两种方式：一种是多管水平环路的一个改进，通常称为 “s l i n k y ”；另一种是在窄小的垂直管沟中沿高度方向布置螺旋盘管，通常适用于 冷量较小的系统。 4 、池塘湖泊环路 该环路适用于具有一定面积( 4 0 4 7 m 2 以上) 和深度( 4 6 m ) 的池塘或湖泊， 如图1 2 。 该系统占地面积小，非常经济，在不破坏水资源的同时，能充分利用其内在的巨 大能量。 3 浙江六学硕士学位论文第一章绪论 图t 2 抛放地耦管换热方式 5 、桩埋管环路 桩埋管环路是指利用建筑桩基或在混凝土构件中充满液体的管道系统。奥地 利在8 0 年代末期将该技术用于建筑物的供暖和降温。桩埋管环路( 如图1 3 a 、b ) ，可以看成是垂直埋管的一个特例，由于管嵌入混凝士中，运行可靠稳定，又 减少了土壤等对管腐蚀等不利影响，因不需要钻孔，投资少、运行费低，成为吸 引人们的一大的亮点。长江三角洲大部分地区的浅层土是软土，属第四纪沉积层， 承载力差。软土地区的建筑，桩基是常用的基础形式。住宅地基普通采用桩基， 因此，地源热泵宜采用桩埋管式。 i ! ! - 1 ! ! 1 ! ! 1 图l 3 a 埋管桩立面图 新江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 开环路系统 图1 3 b 埋管桩剖面图 开环路系统( 如图1 4 ) 通常指利用传统的地下水井传递地下水或地下土壤 热量的地源热泵系统，此外表面水热泵( s w h p ) 中的池塘、江水、河水、湖水、 水库水以及海水直接利用热泵系统也属于开环系统，开环系统有许多特殊因素要 考虑，如水质、水量以及回灌或排放问题。而且，应特别注意，地下水源的应用 要接受当地水资源管理部门的管理。 图1 4 开式地下水换热方式 j1，剖引剥矧毋 滟江大学硕士学位论文 第章绪论 1 2 3 直接膨胀式系统 该系统直接采用装有制冷剂的铜管埋八地下取热。铜管可以垂直也可以水平 埋设，前者需要每千瓦制冷量2 6 4 0 1 t 1 2 土地面积，通常2 7 3 7 m 深；后者需要 每千瓦制冷量1 1 9 1 4 5 m 2 土地面积，1 5 3 0 m 深。由于地下埋管是金属管，容 易受腐蚀，在沙质、粘质、或较于土壤中不宜垂直埋设。一般直接膨胀式系统供 热带q 冷量在7 0 , - , 1 7 6 k w 之间。 1 2 4 复合式地源热泵系统( h g s h p s ) 【4 】 与单独的g s h p s 相比，复合式地源热泵系统具有初投资少和运行费用低等 优点。为减少埋管换热器初投资或改善地源热泵系统性能，除地下埋管换热器外， 该地源热泵系统再增设了辅助冷却或加热措施。 在通常的情况下，地源热泵夏季排入地下的热量要大于冬季自她下吸入的热 量，在冷负荷远大于热负荷的地区，为了满足夏季空调的需要，如果仅靠地下埋 管换热器与土壤之间进行热交换来满足热泵的夏季运行工况，埋管换热器的投资 势必要增加很多，在这种情况下，增设辅助冷却措施，就是一个非常有效的办法， 目前研究采用的办法有：增设辅助冷却塔【5 】、池塘冷却6 l 等。 在热负荷远大于冷负荷的地区，则需要辅助加热的措旋。太阳能辅助加热系 统是一种较理想的复合地源热泵系统。近来开始研究的两种辅助加热方法是：利 用与屋顶整体式混凝土吸热器7 1 和在混凝土梁柱内敷设埋管的方法【8 】。复合式地 源热泵研究的主要内容是：辅助冷却加热措施和地下埋管换热器的容量匹配以及 相应运行控制调节方法f s 。解决该问题的关键是对地下埋管换热器传热特性和地 源热泵系统的性能进行模拟研究。 1 3 地源热泵技术的系统特点【9 1 1 3 1 节能、高效、运行费用低 地源热泵技术是利用地下土壤温度相对稳定的特性，通过输入少量的高品位 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 .2 .3直接膨胀式系统 该系统直接采用装有制冷剂的铜管埋入地下取热。 铜管可以垂直也可以水平 埋 设，前 者需 要 每 千瓦 制 冷 量2 .6 - 4 .o m 2 土 地 面 积， 每千瓦制冷量 1 1 易受腐蚀， 在沙质 .91 4 . 5 时 土地面积，1 .5 - 3 .o m深。 通常2 . 7 - 3 .7 m深; 后者需要 由于地下埋管是金属管，容 、粘质、或较千土壤中不宜垂直埋设。一般直接膨胀式系统供 热/ 制冷量在7 .0 - 1 7 .6 k w之间。 1 . 2 .4复合式地源热泵系统 ( h g s h p s ) 7 与单独的 g s h p s 相比 ， 复合式 地源热 泵系 统具有初 投资少和运 行费 用 低等 优点。 为减少埋管换热器初投资或改善地源热泵系统性能， 除地下埋管换热器外， 该地源热泵系统再增设了 辅助冷却或加热措施。 在通常的情况下， 地源热泵夏季排入地下的热量要大于冬季自 地下吸入的热 量， 在冷负荷远大于热负荷的地区， 为了满足夏季空调的需要， 如果仅靠地下埋 管换热器与土壤之间 进行热交换来满足热泵的 夏季运行工况， 埋管换热器的投资 势必要增加很多， 在这种情况下， 增设辅助冷却措施， 就是一个非常有效的办法。 目 前研究 采 用的 办 法 有: 增 设 辅助 冷 却 塔 15 1 、 池 塘 冷 却 16 1 等。 在热负荷远大于冷负荷的地区，则需要辅助加热的措施。太阳能辅助加热系 统是一种较理想的复合地源热泵系统。 近来开始研究的两种辅助加热方法是: 利 用与屋 顶 整体 式 混 凝土 吸热 器 1 7 1和 在 混 凝 土 梁 柱内 敷 设埋 管的 方 法 (s 1复 合 式地 源热泵研究的主要内容是: 辅助冷却加热措施和地下埋管换热器的容量匹配以及 相应运 行控制调节 方法 阎 。 解决该问 题的关 键是对地下埋管换热 器传热 特性和地 源热泵系统的性能进行模拟研究。 1 .3 地源热泵技术的系统特点19 1 1 . 3 . 1节能、高效、运行费用低 地源热泵技术是利用地下土壤温度相对稳定的特性，通过输入少量的高品位 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 能源 ( 如电能) ，使地下土壤与建筑物内部进行热量交换，实现低品 位热能向 高 品位转移的冷暖两用空调系统。电加热和锅炉供热只能将 9 0 %-9 8 %的电能或 7 0 %-9 0 %的 燃料内能转化为热能， 而地源热泵将室外地热能 连同 机组所耗电能 一并转移到室内， 能效比 与性能系数达4 . 5 6 . 0 以 上， 能源利用效率是电 采暖方 式的三至四倍。 对于大型建筑， 在过渡季节可以同时实现外区的供热和内区制冷， 可以将内区的热量转移到外区更为节能。 由温控器对热泵机组进行恒温控制， 根据室内 人员的 增减及室外阳光直射等 负荷的变化来控制机组的启停， 将室内 温度始终恒定在设定的 温度范围， 既达到 制冷或供热的舒适效果又可以 避免浪费能源， 使能源的利用和室内环境的舒适程 度的协调得到最优化。这样不仅节省运行费用， 而且便于分层、分区进行控制、 计量，从而实现最大节能。 与空气源热泵相比，埋地换热器不会结霜，可节省空气源热泵用于结霜、除 霜的 3 %-3 0 %能耗。 地源热泵系统的高效节能特点， 决定了它的低运行费用。 地源热泵系统的供 暖和制冷费用只相当于普通供暖和制冷技术费 用的3 0 - 7 0 % 。 地源热泵中 央空调系 统组成简单， 地下或室外部分几乎不需维护， 室内 部分的维护只需普通的制冷空 调工即可胜任， 维修量少， 使用寿命长， 折旧费和维修费也都大大低于传统空调。 在维护费用方面， 地源热泵的 优势也较明显。 d o u g l a s c a n e 等对2 5 个加拿大和美 国的应用地 源热泵的实 例 进行了 跟踪调查， 并 按建筑类型统计了 各 个实 例的 年均 费 用， 经比 较得:即 使 是 地源热 泵最不 具优势的 运营方式 ( 由 外部 承包商负责维 护 ) ，也比 传统的 最具 优势的空 调 系统( 分体式空 气热 泵) 的 年均维护费 用低2 2 . 8 %。 若将地源热泵在能耗方面的节约费用1 7 %计算在内， 则地源热泵平均可比 传 统空调 系 统降 低 运行费 用近4 0 % . 1 1 1 . 3 . 2绿色空调、环保 以 燃油锅炉与地源热泵提供同样供热量为例，比较其对环境的影响。假设地 源热泵的电力来源于燃油电厂， 发电厂效率为3 3 %， 地源热泵e t = 4 ， 则供热量为 i o o k j 的情况下，燃油电厂锅炉所需的燃油热量为7 5 0;而如果直接使用燃油锅 浙江大 学硕士学位论文第一章绪论 炉，其热效率为8 0 %，则需燃油热量为1 2 5 0。在这两种供热情况下，对环境的 影响见表1 - 1 . 两种供热方式对环境的影响 ( 提供同样1 0 0 k j 热量) 表1 - 1 供热方式、 污染物排放量c 0 2s 0 2n 0 2 燃油锅炉 4 . 5 16 . 5 m13 . 6 ml 地源热泵 1 . 4 10 . 4 8 ml0 .9 6 m 从以 上分析及表1 可看出，地源热泵不仅可节约4 0 %的一次能 源， c 仇、s 仇 与 n 0 2 的排放量也分别减少了 6 8 %, 9 2 % 与7 3 %. 12 1 据美国地热泵协会提供的报告，仅美国肯塔基州路易斯威尔市总建筑面积 1 5 . 8万平方米的高特 豪斯饭店土一 气型地热泵系统， 每年可减排c 0 2 8 4 9 吨; s o z 1 9 . 9 7吨;n 0 2 1 4 . 9 8 吨;微尘 2 . 4 9 吨。 地源热泵还可以利用大地的蓄热能力， 把夏季多余的排入大地的热能在冬季 取用， 把冬季多余的冷能 在夏季取用，以 达到冬夏两季室内的供暖与供冷， 该系 统不仅对大气没有影响， 还能使大地不至于过冷和过热。 而普通空调对环境的影 响相当严重: 它不但对臭氧层造成严重的破坏和产生令人难以忍受的噪音， 而且 由于夏季将废热排入大气， 冬季吸收大气中的热量而使大气、 住宅周围的环境更 加恶劣，同时也降低了空调本身的效率。 1 . 3 . 3应用灵活、安全可靠、用途广泛 地源热泵系统应用灵活: 可用于新建工程或扩建、 改建工程， 可逐步分期施 工，热泵机组可灵活地安置在任何地方， 节约空间; 安全可靠: 无储煤、 储油罐 等卫生及安全隐患;用途广泛:其从严寒地区至热带地区均适用，可为办公楼、 宾 馆、 医院、 饭店、 商店、 超市、 幼儿园、别墅、居民 小区等各类建筑物提供冷 暖两用空调系统，并可同时提供生活热水。 1 . 3 . 4是可再生能源利用 地源热泵系统是利用了 地球表面浅层地热资源( 通常小于4 0 0 米深) 作为冷热 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 源， 进行能量转换的供暖空调系统。 地表浅层地热资源称为地源邝a r t h e n e r g y ) , 是指她表土壤、 地下水或河流、 湖泊中吸收太阳能、 地热能而蕴藏的低温位热能。 地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了 4 7 %的太阳能，比人类每年利用 能量的 5 0 0 倍还多。 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， 使得地源也成为清洁的可再生能源一 种形式。1 14 1 1 .3 . 5初期投资较大 地源热泵系统，由于需要钻孔、埋管，初期投资相对较高。 地源热泵与普通 空调的区别在于增加了地热换热器，因此地源热泵系统的初投资比 普通空调要 高。 投资增加额主要取决于采用何种地热换热器。 地热换热器的成本主要由 管道 本身的价格和埋管的施工费用组成。 地热换热器所采用的管道多为聚乙 烯管， 管 材的价格大约在5 -1 0 元/ m。埋管的施工费用主要与埋管方式有关:水平方式 的埋管浅， 施工方便， 施工费 用较低， 大约为5 -1 5 元/ m; 竖直埋管一般在5 0 - 1 5 0 m深，必须采用专用的钻孔设备，而且地层深处的地理状况各不相同，施工 费用的差别较大，一般在3 0 + 1 2 0 元/ m 。由此可见，竖直埋管的地热换热器投 资大大高于水平埋管。 1 3 1 1 .3 . 6方案竟争性强 文献 1 2 对给定的 计算条 件和能 源价格，以 地源热泵为基准比 较各方案的 供 暖成本， 煤锅炉比 地源热泵约低3 2 ， 而天然气锅炉比 地源热泵要约高6 8 ， 油 锅炉高 约9 5 。 由 于环保要求， 我国大部分地区已限 制了 燃煤锅炉， 因 此能源的 选择只有油、 气和电。 将几种方案的费用现值从小到大排列， 依次为燃煤锅炉加 空调、 地源热泵、 天然气锅炉加空调和油锅炉加空调，并且燃煤锅炉加空调与地 源热泵的费用现值非常接近，表明地源热泵己 有很强的经济竞争性。 各种现行的供热方案进行对比 2 5 情况见表1 - 2 . 浙江大 学硕士学位论文第一童绪论 采暖供热方案对比 表 飞 _ 2 采暖方式功能 设备造价 ( 元/ m 2 ) 运行费 ( 元/ m 2 ) 室内温控环保情况 技术普及程 度 能效比 c o p 值 燃煤单制热1 5 0 2 5 02 4不能有污染普及1 燃气或油单制热1 5 0 - 2 5 04 0 6 0不能有污染普及1 电热单制热2 5 0 3 5 01 0 0能无污染 方便 1 空气源热泵冷十 热2 2 03 5 - x5 0育 旨 l一 普及2 - 2 . 8基本无污染 水 地) 源热泵冷+ 热 2 2 01 5 - 2 5 育 台无污染新技术4 . 5 6 空气源 c 0 2 热泵冷+ 热 4 0 02 5 -3 0 育 巨无污染高新技术4 - 4 . 5 1 .4地源热泵的现状分析 1 . 4 . 1地源热泵的 研究现状1 5 1 h a i l e y等 e 对地热 交换器周围 土壤热传导率 进 行了 分析， 研究表明 土壤 湿 度对其传导率有着重要影响:在制冷模式下，排热速率高对土壤热传导率不利， 将导致传热减少。 d r o w n 和d e n b r a v e n e 对土壤条件以 及土壤的热传导率对土壤蓄热热泵系统 的影响进行了几个季节的监视，发现土壤热传导率增加1 w / m . k ，热泵储热运行 时间减少7 . 8 % . d e n g 和f e d l e r 8 对多 层土 质的 土 壤中 采用垂直地 热交换器进行了 测试。 他们 采用了一个二维非稳态传热模型用于仿真土壤温度大致分布， 这一模型忽略了 土 壤湿度的 变化， 假定土壤具有均匀一致的平均参数。 他们发现不同的土质层热传 导率是不连续的。 粗沙层和细沙层的 传热效率比 粘土分别高出 6 2 % 和2 7 % 0 l e o n g , t a r n a w s k i 和i t t o m a k i ， 对三 种土质 ( 沙 土， 淤泥亚 粘土， 淤泥 粘 土)， 在五种不同的相对湿度下 ( 0 % , 1 2 . 5 % , 2 5 % , 5 0 % 和1 0 0 % )， 地源热泵系 统的c o p 值进行了 计算机模拟， 发现土壤类型和湿度对地源热泵性能影响很大。 当士壤的相对湿度降至1 2 . 5 %以下时，系统c o p值急剧下降，在相对湿度0 - 1 2 . 5 % 范围内减小相对湿度， 将对系统的c o p 产生很大的不利，当土壤的相对湿度 达到5 0 % 之后，地源热泵性能随土壤相对湿度变化明显减小;此外，回填土采用 沙土传热性能最佳，粉沙质亚粘土次之。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 我国的地源热泵事业近几年己开始起步， 虽然起步较晚， 但发展前景广阔。 天津丈学热能 研究所吕 灿仁教授(m 1 1 9 8 2 年发表了“ 运用热泵提高低温地热采暖 系统能源利用率的 分析” ， 论证了热泵系统是提高低温地热利用率和城市采暖的 有效方式， 同时 还介绍了 地源热泵模拟试验。 清华大学等高校分别与有关企业结 成产学研联合体开发出中国品 牌的 地源热泵系统， 己 建成数个示范工程。 同济大 学、 重庆大学、 天津商学院、 青岛建筑工程学院等单位对地源热泵也进行了多年 的研究， 发表了 许多有价值的学术论文， 如同济大学热能工程系利用探针， 对土 壤及不同比 例的土沙混合物， 在不同的含水率， 不同 密度条件下的导热系数进行 了 实验研究， 分析了影响土壤热交换能力的因素， 发现土壤及土沙混合物的导热 系数随密度和含水率的 增加而增加【川 。 重庆建筑大学王勇、曾 森等通过实验研 究分析计算出不同回填介质、 不同水流速、 不同连接方式、 不同季节对地下u型 管 换热 器 传热 系 数的 影 响， 为 强 化 和 优化 地 下埋 管的 换 热 提 供 可靠的 依 据221 ant : 刘宪英等采用系统能量平衡结合热传导方程建立地下竖埋套管管群换热器传热 模型和过度季节大地温度场模拟， 数值与实测值吻合较好24 1 。 但我国 对地源热泵 的探索性研究普遍局限在对所建立的实验系统进行性能测试并与传统的空气热 源热泵性能进行技术经济比较， 而对埋地换热器在土壤中复杂的传热、 传质综合 传递过程尚需进一步深入研究， 特别是不同土质下的传热系数的确定及强化需要 进行大量工作。 目 前， 国内主要集中在地下换热器的研究上， 影响地下环路换热器设计的地 下水流动的理论分析， 介绍了以 p e 数作为在地下环路热交换器设计中是否应考虑 地下水流动因素的一个判别条件， 阐述了地下水流动和传热控制方程及其数学解 法。 1 .4 . 2 地 源热 泵的 研究 热点 和关 键技 术1 0 i 2 0世纪9 0年代后，地源热泵的研究热点 集中 在以 下几个方面: ( 1 )在埋地换热器的换热机理方面， 学术上更关心相互藕合的传热、传质模 型的完善并采用计算流体动力学和计算机仿真技术来模拟实际的换热过程。 从而 为埋地换热器的优化设计提供一个有利的工具和新的研究思路。 浙江伏学硕士 学位论文第一章绪论 z )在强化换热方面， 一方面研究热物性更好的新型回填材料来强化埋管在 土壤中的导热过程， 进而降低埋地换热器的设计尺寸和初投资成本。 ( 3 )在热泵系统与埋地换热器的技术经济性能的匹配方面，不仅要对热泵 系统和埋地换热器各自的性能进行优化设计，还要对不同环境工况和地理工况 下两者的 祸合特性和最佳运行匹 配参数进行分析， 从而使得地源热泵系统在技术 性能和经济性能 方面都能 达到良 好的匹配效果。 地源热泵系统研究中的关键技术归纳为如下几点: ( 1 )地下埋管设备与热泵机组的合理匹配和最佳运行参数的研究。 ( z )地质情况、 土壤温度的分布情况、 埋管的布置形式和型号的设计对地下 埋管换热性能的影响情况。 ( 3 )地下埋管设备的 性能对热泵机组性能的影响情况。 ( 4 )地下埋管设备与热泵机组匹配的 运行性能与经济性能分析。 ( 5 )对地下水源热泵系统如何解决地下水的 腐蚀及地下水回灌处理等出 现 的问题。 ( 6 )土壤的性能研究包括土壤的能量平衡、 热工性能、 土壤中的传热与传湿 和环境对土壤热工性能的影响等。 加强各种土壤和地层状况的换热过程的实验研 究和模拟分析。 ( 7 )研制土壤源、 地下水源和地表水源、 复合热源及特殊热源的新型高效的 换热形式和装置。 研究采用地能与太阳能、 风能等多种形式的能源联合利用的复 合式地源热泵系统。 ( 8 )研究对常规热泵装置和系统更新和改造成地源热泵系统的技术。 ( 9 )研究地源热泵系统的商业化和产业化过程中的制约因素和解决措施。 ( 1 0 )开展地源热泵系统的运行参数和供冷方式与室内环境中人员舒适性关 系的研究。 ( 1 1 )开展在多种典型的或恶劣的环境工况、 地理工况下， 地源热泵系统的应 用开发的研究。 浙江伏 学硕士学位论文第一章绪论 1 .5地热热泵的发展前景分析 中国目 前仍然是以 燃煤为主的 发展中国 家， 这种不合理的能源结构已 造成了 极为严重的 环境污染。 寻找既能环保， 又可持续发展的能源， 是我国 广大科技工 作者井同的 任务。 热泵是提供清洁环保能量的一 种最有效技术， 其能量来源是低 温热源， 对环境没有污染， 效率高， 能够很好地适应制冷和供热的节能环保要求， 因此近年来热泵在我国的应用日 趋广泛， 特别是在南方地区家用空调上己 经较魏 广泛她应用。但目 前国内最常用的热泵是以室外空气为热源的空气源热泵。 我国地域辽阔， 南北气候相差很大。 在我国长江流域以南地区的气候特点是 夏季炎热 ( 七月室外平均温度范围 2 5 c -3 0 0c )，冬季不太冷 ( 一月室外平均 温度范围0 一1 0 1c ) 。 由 于其空气热源热泵受环境空气季节性温度变化的 影响， 夏季供冷负荷越大时 对应的 冷凝温度越高， 而冬季供热负荷越大时 对应的蒸发温 度越低，制冷 ( 制热) 效率低， 增加了大量能耗。 在我国中部及北方地区， 冬季 室外气温达到0 以 下后， 空气热源热泵运行时室外热交换器容易结霜， 这就需 增加除霜装置和辅助加热设备， 制冷效率更低。 越往北， 空气源热泵使用越少， 在东北等寒冷地带基本无法使用空气源热泵。 但是，由 于各地区地下5 m 以下全年土壤温度比较稳定且约等于年平均温度， 可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。 所以从理论上 来分析， 土壤源热泵可以 适用于我国 所有地区， 且效率更高。 我国己 经成立了 一些专门的生产厂家， 开始批量生产相关产品。科研单位和 企业互相合作， 在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展， 做了许多实验 研究和工程示范， 产生了 很多有效数据， 这些宝贵的经验教训势必将大大加快我 国发展地源热泵的步伐。目 前，国内地源热泵的技术己 经距离实用化非常近， 并 且采用深井水为热源的地源热泵技术己经在应用。 地源热泵系统作为一项新技术， 目 前己 取得很大发展， 虽然有许多问题鱼待解决， 但应用前景非常广泛。 瑞士学者 r y b a c h在1 9 9 9年指出 中国 是世界上直接利用地热潜力最大的国家， 名列世界 第一的原因有二:一是中国国土辽阔， 近地表低温地热资源丰富;二是中国人口 众多， 采暖和制冷工业的基础相对薄弱， 将来需求量无可比拟。 再加上其有诸多优 点，适应地域广泛， 可以预见，该项技术将会成为2 1 世纪最有效的供热和供冷空 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 调技术，将给地热直接利用开辟一个新天地。p 5 1 . 6本文的工作要点 她源热泵技术的关键是地下换热器的设计， 本文将对地下换热器的工作原理 及影响因素做详细地探讨。目 前我国地下换热器设计基本还处在理论研究中， 距 离实际的运用还有一段距离， 本文尝试采用有限元编程分析的方法， 为设计提供 数值解。参照相关的文献，对地源热泵的设计进行归纳与总结。 本文从垂直套管式地源热泵不同工况 ( 土质分层、 气候变换、 热泵的 运行与 停止、 渗流等) 出 发， 在前人的基础上进行理论分析推导。 采用a p d l 编制的 a n s y s 有限元程序对套管式地源热泵系统进行模拟， 并对模型进行验证。 第一次明确地 将由于埋管水流引起的土壤温度变化与由于土壤自身的温度的季节性变化加以 区别，得到埋管式地源热泵的影响参数的影响大小， 得出相应结论。 在前文与国 内外各文献的分析基础上，进行各参数设计方法以及参数的合理选择的探讨。 浙江大 学硕士 学位论文第一章绪论 本章参考文献 朱照华 涂锋华 付祥刽. 长江三角洲住宅采暖降温节能系统.住宅科技， 赵军等.地源热泵的工程应用及环保特性分析.节能技术， 1 9 9 9 . 5 2 0 0 1 . 5 、.jl.j 11，1 一ilr. 3 赵军 .竖直 埋管 型 地 源热 泵地下 传热 及热力 性能的 研究.博士学 位论 文天津 大学. 2 0 0 1 1 2 0 1 4 王景刚启然工质热泵循环和地源热泵运行 特性 研究. 博士学位论文.天津大 学，2 0 0 1 1 2 0 1 5 1 y a v u z t u r k c , s p i t l e r j d . c o m p a r a t i v e s t u d y t o i n v e s t i g a t e o p e r a t i n g a n d c o n t r o l s t r a t e g i e s f o r h y b r i d g r o u n d s o u r c e h e a t p u m p s y s t e m s u s i n g a s h o r tt i m e - s t e p s i m u l a t i o n m o d e l . a s h r a e t a n s ， 2 0 0 0 , 1 0 6 ( 2 ) : 1 9 2 - 2 0 9 6 s m i t h m. r e a l - w o r l d t r i a l o f s h a l l o w h e a t e x c h a n g e r t e c h n o l o g y . p r o c e e d i n g s o f t h e w o r l d 1 7 3 - 1 8 0 e n e r g y e n g i n e e r i n g c o n g r e s s . a t l a n t a , o c t o b e r 2 5 - 2 7 , 2 0 0 0 : 7 v a n d e v e n h , i n t e r n a t i o n a l e n e r g y a g e n c y n e w s l e t t e r , 1 9 9 7 , 1 5 ( 2 ) , 9 8 c h i a s s i o n a , s p it l e r j d . m o d e li n g a p p r o a c h t o d e s i gn o f g r o u n d - s o u r c e h e a t p u m p b r i d g e d e c k h e a t i n g s y s t e m. t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c h r e c o r d 1 7 4 1 ,2 0 0 1 : 2 0 7 - 2 1 9 计 科地 源热泵中 央空调网 ， 技术 介绍. 系统特点2 0 0 5 1 0 张 群 力、 王晋 .地 源 和地 下 水源 热 泵的 研发 现状 及 应用 过 程中 的问 题分 析 流体机械2 0 0 3 . 3 1 ( 5 ) : 5 0 - 5 4 川c a n e d . mo r r i s o n a . ma i n t e n a n c e a n d