（土木工程专业论文）地源热泵u型埋管换热器的变周期模型研究.pdf

，；11 s o u r c eh e a tp u m p a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r w s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e m a lr e v i e w e r s ： e x a m i n i n g c o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： d a t eo fo r a ld e f e n c e ： 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢 本文是在导师俞亚南教授的悉心教导下完成的，从论文的选题、中间的计算分 析、论文的结构布局直到最终的完稿都离不开导师的耐心指教。俞老师知识渊博， 治学严谨。在科研工作中，他十分注重培养我们的动手能力和团队协作能力；在为 人方面，他始终教导我们为人正直，实事求是。回顾在导师身边工作、学习的五年， 收获良多，这些都离不开导师无微不至的关怀，在此向我的导师致以最诚挚的谢意! 并争取在以后的工作中取得更大的进步来回报老师的培育之恩! 在五年的学习和生活中，市政工程研究所全体老师也给予了我很大的帮助，特 别是张仪萍老师，对本文提出了许多宝贵的建议。本文也得到仇敏玉、段园煜、刘 伟超、战国会、牛辉、王子阳、李健等同门兄弟姐妹的大力协助，在此表示衷心的 感谢! 在本文的写作过程中，杭州怡和地能源空调工程设计有限公司的全体工作人员 也给予了很大的帮助，浙江省地球物理地球化学勘查院的何良军教授级高工和技术 负责佟娜娜也给予了大力支持，在此表示衷心的感谢! 本文参考了国内外许多专家的重要著作和文献资料，他们卓越的研究成果给了 我很大的启迪和帮助，在此向本文参考文献的作者表示感谢! 最后向所有关心我、支持我和帮助过我的家人、老师、同学和朋友表示最诚挚 的谢意，你们的关心是我人生最大的财富! 徐坚 2 0 1 0 年6 月于浙大求是园 摘要 地源热泵u 型埋管换热器的变周期模型研究 摘要 埋管换热器在土壤中的传热过程是一个复杂的非稳态传热过程，涉及众多参数， 本文主要考虑了地源热泵空调负荷的动态性及不平衡性，针对不同时间尺度，不同空 间区域的传热过程，建立了地埋管换热器的传热模型，并用数值模拟和实测实验的方 法对模型进行验证，并利用本文提出的传热模型对各种参数进行了影响因素分析。得 出以下主要成果： 1 、土壤的热物性参数是地源热泵系统设计中的重要参数，本文提出了一种适用于 各类浅层和深层土壤的测量方法一一稳态平板法，该方法便于在实验室进行。利用该 方法测定了两种典型土壤在不同干密度和不同水的质量分数条件下的导热系数。得到 以下规律：随着含水率及干密度的增加，土壤的导热系数也会逐渐增加，与探针法测 量的类似结果相比具有较为一致的规律性，并给出了粉性土壤导热系数的推求公式。 2 、深入分析了地埋管换热器的失效机理，并按照周期长短不同将地源热泵换热器 失效类型分为短期、中期、长期失效，阐述了三种失效形式的区别与联系。 3 、本文提出了一种最佳负荷的设计方法，并通过数值模拟和实测实验的方法研究 了5 种不同负荷下钻孔壁的温度响应。实验结果表明：1 ) 在周期性脉冲热流的作用下， 钻孔壁温度呈周期性震荡并逐渐升高；2 ) 每一时刻，动态负荷作用下的温度响应均小 于其最佳设计负荷的温度响应，即最佳设计负荷可以代替动态负荷，由此验证了设计 公式的正确性。 4 、本文的换热器中期模型采用了改进后的有限长线热源模型。该模型采用叠加原 理，并对设计负荷进行了动态优化。改进后的u 型竖直埋管换热器中期模型计算简便， 考虑了群管的热干扰问题，与传统设计方法相比更加合理。 5 、本文提出了群管长期换热的有限长圆柱体热源模型来分析地埋管换热器的长期 运行，该模型考虑了群管之间的相互热影响，以及动态负荷的变化特性，且计算简便， 精度较高。 6 、应用前述章节的变周期模型，本文提出了一种新的地埋管换热器设计方法，该 方法能较好地解决地埋管换热器设计中的热不平衡问题。 摘要 7 、本文提出了一个新的指标一一地源热泵多年平均能效系数，利用这个指标可以 更加客观地评价地源热泵系统在较长时间内的运行效果。 关键词：地源热泵；冷负荷；动态负荷；温度响应；优化设计；导热系数；线热源模 型；有限长圆柱体热源模型 i l a b s t r a c t r e s e a r c ho nv a r i a b l e p e r i o dm o d e lo fh e a te x c h a n g e ro fg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p a b s t r a c t t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fh e a te x c h a n g e ro f g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pi sac o m p l e x n o n 。s t e a d y 。s t a t ep r o c e s s ，i n v o l v i n gan u m b e ro fp a r a m e t e r s t h i sp a p e rm a i n l yc o n s i d e r st h e i m p a c to ft h eu n b a l a n c e da n dd y n a m i cl o a do fg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p f o rd i f f e r e n tt i m e s c a l e s ，d i f f e r e n ts p a t i a lr e g i o n so fh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，e s t a b l i s h e da l lu n d e r g r o u n dh e a t e x c h a n g e rh e a tt r a n s f e rm o d e la n dv e r i f i e dt h em o d e lb yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o no r e x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，a n da n a l y z e dt h er e l e v a n tp a r a m e t e r s o b t a i n e dt h ef o l l o w i n gm a i n r e s u l t s ： 1 an e wm e t h o d - - - s l a bm e t h o di sp r o p o s e di nt h ep a p e r , w h i c hm e a n s m e a s u r i n g t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs o i li no n e d i m e n s i o n a ls t e a d yh e a tc o n d u c t i o np r o c e s s c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lm e t h o d st h ed e s c r i b e ds l a bm e t h o do f f e r sn u m e r o u s a d v a n t a g e s ，s u c ha s e a s yf o rs p e c i m e np r e p a r a t i o n ，l e s si n t e r f e r e n c ef a c t o r s ，h i g h e rr e l i a b i l i t yo fm e a s u r i n g a c c u r a c ya n d l o wc o s t e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e st h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs o i lu n d e r d i f f e r e n tw a t e rr a t i oa n dd r yd e n s i t yc o n d i t i o n su s i n gt h es l a bm e t h o d o b t a i n e dt h e f o l l o w i n gr u l e s ：a sd r yd e n s i t ya n dw a t e rr a t i oi n c r e a s e s ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs o i l i n c r e a s e s t h ev a r i a t i o no ft h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so fs o i lg o ti nt h i se x p e r i m e n ti sw e l l c o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so ft h e r m a lp r o b em e t h o d i nt h ee n d ，d e d u c e st w oe x p e r i m e n t a l c o r r e l a t i o n sf o rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs o i lb yd a t af i t t i n g ，w h i c ha r ee a s yf o rp r o j e c tu s e 2 a n a l y z e dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ph e a te x c h a n g e r , a n d d i v i d e dt h ef a i l u r et y p e si n t ot h ef o l l o w i n gt h r e et y p e s ：s h o r t - t e r m ，m e d i u m t e r ma n d l o n g t e r mf a i l u r e ，a n de x p l a i n e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et h r e et y p e s 3 d e s i g ne n g i n e e r su s u a l l ye v a l u a t et h el e n g t ho fg r o u n dh e a te x c h a n g e r sb yt h ep e a k l o a d ，w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a ll o a da n dr e s u l t i n gi na s l i g h t l yl a r g e rd e s i g nv a l u e t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wd e s i g nm e t h o do ft h eb e s th e a t l o a d ，a n ds t u d i e dt h et e m p e r a t u r er e s p o n s eo fb o r e h o l ew a l lu n d e r5d i f f e r e n tt y p e so f i i i a b s t r a e t d y n a m i cl o a d sb yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d f i e l de x p e r i m e n t sm e t h o d s t h er e s u l t s s h o wt h a t ：1 ) u n d e ra p e r i o d i c a lp u l s e dh e a tg e n e r a t i o n ，t h et e m p e r a t u r eo f b o r e h o l ew a l lh a s af l u c t u a n tr i s i n gt e n d e n c y ；2 ) a ta n ym o m e n t ，t h et e m p e r a t u r er e s p o n s eo fd y n a m i cl o a di s l o w e rt h a nt h a to ft h eb e s td e s i g nl o a d ，t h a ti st os a yt h ed e s i g nl o a di se q u i v a l e n tt ot h e d y n a m i cl o a d s ，t h u st h ev a l i d i t yo ft h i sd e s i g nm e t h o di sp r o v e d 4 t h i sm e d i u m t e r mm o d e lo fh e a te x c h a n g e ru s e dt h ei m p r o v e df i n i t el i n e - s o u r c e m o d e l i ti sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs u p e r p o s i t i o n ，a n dt h ed e s i g nl o a di so p t i m i z e d d y n a m i c a l l y t h ei m p r o v e dh e a te x c h a n g e rm e d i u m - t e r m m o d e li se a s yt oc a l c u l a t ea n d s o l v e st h et h e r m a li n t e r f e r e n c ep r o b l e mo ft h eb u f f e dp i p e s t h i sm e t h o dh a ss i g n i f i c a n t a d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld e s i g n 5 f i n i t ec y l i n d e r - s o u r c em o d e li sp u tf o r w a r dt os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fu n d e r g r o u n d h e a te x c h a n g e ra f t e ral o n g t i m er u n n i n g t h em o d e lc o n s i d e r sb o t ht h eh e a t - a f f e c t e d p r o b l e mo f t h eb u r i e dp i p e sa n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h eh e a tl o a d t h em e t h o di s c o n v e n i e n ta n dh i g hp r e c i s i o n 6 u s i n gv a r i a b l e - p e r i o dm o d e lo fh e a te x c h a n g e r o fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ， m e n t i o n e di nt h ef o r e g o i n gs e c t i o n s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wd e s i g nm e t h o do fg e o t h e r m a l h e a te x c h a n g e r ，t h en e wm e t h o dc a ns o l v et h eu n b a l a n c e d h e a tp r o b l e mi nt h ed e s i g no ft h e h e a te x c h a n g e r 7 t h i sp a p e rp r e s e n t san e wi n d i c a t o r - g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p sa v e r a g ee f f i c i e n c y f a c t o r , u s i n gt h i si n d i c a t o r ，w ec a no b j e c t i v e l ye v a l u a t et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo f s o u r c e h e a tp u m ps y s t e mi na ne x t e n d e dp e r i o d k e y w o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；c o o l i n gl o a d ；d y n a m i cl o a d ；t e m p e r a t u r er e s p o n s e ； o p t i m i z i n gd e s i g n ；t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ；l i n e s o u r c em o d e l ；f i n i t ec y l i n d e r 。s o u r c em o d e l i v 目录 地源热泵u 型埋管换热器的变周期模型研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论一1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状和水平3 1 2 2 国内研究现状和水平5 1 3 地埋管换热器模型概述7 1 3 1 地埋管换热器钻孔内模型概述7 1 3 2 地埋管换热器钻孔外模型概述1 7 1 4 问题的提出1 9 1 4 1 土壤导热系数的测定及估算方法1 9 1 4 2 计算冷热负荷及换热量2 0 1 4 3 热堆积效应2 0 1 4 4 现有的地埋管换热器的模型缺陷2 0 1 4 5 地源热泵运行性能的评价：2 1 1 5 本文的主要工作2 l 参考文献2 2 2u 型竖直埋管换热器模型理论基础2 7 2 1 土壤导热系数的测定及估算方法2 7 2 1 1 测试原理2 7 2 1 2 实验测定的影响因素及误差修正2 8 2 1 3 稳态平板法测定土壤导热系数实例2 9 2 1 4 土壤导热系数的经验公式一3 1 2 2 岩土的初始温度变化规律3 2 2 2 1 土壤初始温度的计算模型3 2 2 2 2 计算与验证3 4 2 2 2 埋管换热器传热模型中土壤初始温度的设定3 5 2 3 钻孔壁代表温度的确定3 6 2 4 竖直u 型地埋管换热器失效机理研究3 7 2 5 地源热泵空调示范工程实验系统4 0 2 6 本章小结4 2 参考文献4 2 3u 型竖直埋管换热器的短期模型4 4 3 1u 型竖直埋管换热器短期模型的适用条件4 4 3 2 动态负荷下地埋管换热器运行规律4 6 3 3 改进后的有限长线热源模型4 7 3 4 实验验证4 9 3 4 1 实测实验工况一4 9 3 4 2 数值计算工况与条件5 0 v 目录 3 4 3 结果分析5 1 3 5 影响因素分析5 3 3 5 1 导热系数的影响5 3 3 5 2 负荷强度的峰均比的影响5 4 3 5 3 运行时间的影响5 5 3 5 4 埋管深度的影响5 8 3 6 本章小结5 8 参考文献5 9 4 u 型竖直埋管换热器的中期模型6 l 4 1u 型竖直埋管换热器中期模型的解析解6 1 4 1 1 模型提出的必要性6 1 4 1 2 地埋管换热器的中期模型6 2 4 2 模型验证6 4 4 3 影响因素分析6 5 4 3 1 运行时间的影响6 5 4 3 2 钻孔间距的影响6 7 4 3 3 埋管深度的影响一7 1 4 3 4 负荷强度的峰均比的影响7 2 4 4 换热器周围温度场恢复性研究7 3 4 4 1 恢复时间的影响7 4 4 4 2 钻孔间距的影响7 7 4 5 本章小结7 8 参考文献7 9 5u 型竖直埋管换热器的长期模型8 0 5 1 热堆积效应8 0 5 2 地源热泵群管长期模型8 1 5 2 1 模型提出的必要性8 l 5 2 2 群管长期换热模型的假设条件8 1 5 2 3 群管长期换热的有限长圆柱体热源模型的建立8 2 5 3 圆柱体热源模型验证8 5 5 4 影响因素分析8 7 5 4 1 运行时间的影响8 7 5 4 2 埋管深度的影响9 1 5 4 3 钻孔间距的影响9 3 5 5 本章小结9 5 参考文献9 6 6 地埋管换热器设计与工程实例9 7 6 1 设计方法与流程图9 7 6 2 确定建筑物的冷热负荷9 9 6 2 1 室内夏季冷负荷计算9 9 6 2 2 室内冬季热负荷计算f 3 】【4 】9 9 6 3 地埋管换热器的最佳设计负荷计算1 0 0 6 4 初步设计地埋管换热器长度及布置方案1 0 1 6 4 1 u 型埋管管径的确定1 0 1 v i 目录 6 4 2 确定u 型埋管的总长度一1 0 1 6 4 - 3 钻孔间距及钻孔数量的确定1 0 2 6 5 钻孔壁三类温升的计算一1 0 2 6 5 1 计算日最大温升1 0 2 6 5 2 计算夏季最大温升1 0 3 6 5 3 计算多年最大温升1 0 3 6 6 埋管内介质出口温度的确定10 3 6 7 判断设计合理性并计算地源热泵多年平均c o p 值1 0 4 6 7 1 地埋管换热器最高出1 ：3 温度和最低出口温度的确定1 0 4 6 7 2 计算地源热泵多年平均c o p 值1 0 4 6 8 实例计算1 0 4 6 8 1 计算地埋管换热器的最佳负荷1 0 6 6 8 2 初步设计地埋管换热器长度及布置方案1 0 7 6 8 3 钻孔壁三类温升的计算1 0 8 6 8 4 埋管内介质出口温度的确定1 1 0 6 8 5 计算地源热泵多年平均c o p 值一1 l l 6 9 本章小节一112 参考文献1 1 3 7 结论和展望一1 1 4 7 1 结论一j 11 4 7 2 展望1 1 5 i 第一章绪论 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 可持续发展已成为2 1 世纪各国发展的共同方向和人类社会发展的必由之路。可持 续发展是人口、经济、社会、环境和资源相互协调的发展，是既能满足当代人的需求， 又不对满足后代人需求的能力构成威胁的发展。可持续发展的关键在于可持续，核心 是保护环境以及合理配置各种资源，其中包括能源的开发和利用【 2 1 。 能源是经济和社会发展的重要战略物资，世界各国都把能源的开发和利用作为发 展国民经济的前提保障。能源的人均占有量、构成比例以及能源的利用效率等因素， 是衡量一个国家现代化程度的重要指标。全球性的能源危机越演越烈，由于石油的不 可再生性使得石油价格上涨的趋势不可逆转，随着国际油价的不断升高，世界经济的 发展出现了前所未有的压力，除非找到具有市场价值的替代能源，否则整个世界将不 可避免地沦为“石油的奴隶”【3 1 。 中国经济的迅猛发展同样需要充足的能源保障，1 9 4 9 年我国的能源消费量是2 3 4 7 万吨标准煤，1 9 9 9 年达到1 4 亿吨，预计2 0 3 0 年中国能源需求将增加到4 2 4 3 亿吨。 然而，中国现有的一次能源储备总量，特别是优质化石能源的储备总量、人均能源占 有量、人均能源消费量相对较低。据预测，2 0 2 0 年中国石油对外依存度将超过5 5 ， 天然气的进口依存度将达到为2 5 4 0 左右，而在2 0 2 0 年以后，中国国内能源供应 缺口将进一步扩大。另外，中国的能源储备和能源消费的结构很不合理，中国的煤炭 占能源消费量的7 2 8 以上，是世界上为数不多的以煤炭为第一能源的国家【4 1 。 另一方面，能源利用过程中的环境污染问题也非常严重。在常规能源的利用过程 中，排放出大量的二氧化碳，引起温室效导致全球气候变暖；同时产生的各种有毒气 体，严重污染了大气环境，直接威胁到我们的生存。 对世界各国的一次能源消费进行分类，建筑耗能、工业耗能和交通运输耗能是主 要的三大方面。这其中，建筑能耗占社会总能耗的比例最大，约占总能耗的3 0 4 0 。 进一步分析发现，建筑能耗与社会的富裕程度有着很大的相关性，据统计：工业化国 家建筑能耗占全球建筑能耗总量的5 2 ，东欧和俄罗斯占2 5 ，发展中国家占2 3 。 在发达国家中，暖通空调能耗占建筑能耗的6 5 。以建筑能耗占总能耗的3 5 计算， 1 第一章绪论 暖通空调能耗占总能耗的比例高达2 2 7 5 。可以预见，随着人民生活水平的不断提高， 我国的建筑暖通空调能耗必然会快速增长。另据统计，中国采暖区的城镇人口虽然只 占全国人口的1 3 6 ，但是采暖能耗却占全国总能耗的9 6 ，专家指出，如果采用节 能技术，现有暖通系统可以节能2 0 一5 0 。这对解决日益突出的能源和环境问题有 着非常重要的意义【5 1 。 因此，我国必须努力改变现有的能源利用方式，建立一个合理的能源战略规划， 寻求一条可持续发展的能源道路。一方面，必须优化国家的能源结构，改进现有的能 源利用技术，合理利用能源，提高能源利用效率，降低污染排放。另一方面，大力开 发新能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能和核能等。从未来能源发展的角度看， 可再生能源是我们发展的重点，2 0 0 4 - - 2 0 2 0 年能源中长期发展规划纲要提出了在坚 持以煤炭为主体、电力为中心的基础上全面发展新能源的战略，并明确指出我国到2 0 1 0 年，可再生能源，占( 一次能源) 消费总量中的比重要提高到1 0 ，到2 0 2 0 年的时候要 达到1 5 。 地表浅层像一个巨大的太阳能集热器，吸收了4 7 的太阳能，这些热能约为人类 每年利用能量的5 0 0 倍。这种近乎无限，不受地域、气候限制的热能，是人类可利用 的绿色可再生能源。 地源热泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ，简称g s h p ) 是在全球能源危机和环境问题 日益严重的背景下出现并逐渐兴起的一门节能环保技术。根据利用地表资源的不同， g s h p 系统分为三种形式：地埋管换热器地源热泵系统( g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ， 简称g c h p ) 、地下水源热泵系统( g r o u n dw a t e rh e a tp u m p ，简称g w h p ) 和地表水 源热泵系统( s u r f a c ew a t e rh e a tp u m p ，简称s w h p ) 。 本文主要研究的是地埋管换热器地源热泵系统( g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ，简称 g c h p ) ，地埋管换热器地源热泵是以浅层土壤为热源，通过输入少量的高品位能源( 如 电能) ，实现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统。冬季供暖时，地源热泵把 地表中的热量“取”出，供给室内采暖，同时向地下储存“冷”量，以备夏季制冷所 用；夏季制冷时，把室内热量“取”出，向地下储存热量，以备冬季供热所用。因此， 地源热泵是一种可再生能源利用技术。 与传统的空气源热泵相比，地源热泵具有以下优点： 6 - 1 2 ( 1 ) 高效节能 相对于地球表面的空气与地表水，地面l o m 以下的大地温度接近于当地的年平均 2 第一章绪论 大气温度，因此无论夏季还是冬季，其温度总比地表面上的空气和地表水更适宜作为 空调系统的冷热源，从而大大提高空调的运行效率，与传统空调相比，可节约3 0 4 0 o 运行费用，达到较好的节能效果。 ( 2 ) 稳定可靠，无需除霜 空气源热泵在供热运行过程中，当盘管表面温度低于空气冰点时，如果空气中的 相对湿度较高，盘管表面就会结霜，阻碍盘管的热交换，重者甚至会结冰，导致压缩 机低压保护停机。地源热泵的换热器埋于地下，无需除霜，机组运行稳定可靠。 ( 3 ) 绿色环保 空气源热泵夏季向环境空气中排热，冬季从环境空气中吸热，加剧了建筑周围热 环境的恶化，另外机组运行时还会产生严重的噪音问题。地源热泵无此影响。 ( 4 ) 属可再生能源 地源热泵系统利用太阳能一地热能复合能源，将大地作为一个蓄能系统，夏存冬 取，属于绿色环保的可再生能源。 ( 5 ) 一机多用，应用范围广 地源热泵可同时满足供暖、制冷以及提供生活热水的需求，一机三用，不仅运行 能耗低，还能节省初始的设备投资。另外地源热泵系统对气候、地域无特殊要求，可 广泛用于宾馆、办公楼、商场、学校、医院等建筑。地源热泵的换热器埋在地下，可 布置在建筑物周围的草坪、农田下或湖泊、水池内，还可布置在混凝土基础桩内以节 省土地空间。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状和水平 2 0 世纪3 0 4 0 年代，欧美发达国家如英国、美国、德国和瑞士等国开始进入热泵 的研制开发阶段。二战后，美国一些公司首先生产出了热泵，其中以小型热泵空调器 发展最为迅速，随后进入了热泵的高速发展期。与此同时，西欧各国如比利时、法国、 德国和瑞士等也致力于热泵的研究与开发。尽管西欧国家的气候适合采用热泵供暖， 但其夏季气温偏低不需空调制冷，因此在这些国家热泵主要以集中供热为目的，二战 后，发展了一些单一供热的大型热泵，对冷热两用的小型家用和中型商用热泵却未能 引起生产商和供电企业的重视。在之后的1 0 年间，欧美国家对地源热泵进行了初步的 3 第一章绪论 研究，如对地源热泵运行的实验研究、埋地盘管的实验研究、埋地盘管的数学模型以 及土壤的热物性研究等，但是由于金属埋管耗量大、占地面积广、初始投资成本高、 计算传热过程复杂、土壤对金属的腐蚀等原因，大大限制了地源热泵的广泛使用0 3 - 1 8 。 1 9 7 3 年，全世界范围内出现了能源危机，石油价格暴涨，能源的短缺使得节约能 源的需求越来越高。热泵以其节能的优势，再次引起了人们的关注，地源热泵的研究 进入了第二次高潮。1 9 7 6 年，苏联、英国、法国、西德、丹麦、瑞典和挪威等国成立 了国际地源热泵协会( g s h p a ) ，制定了具有指导意义的地源热泵发展计划。同一时期， 北美、日本、欧洲的空调制造厂家为工业、商业建筑和公共建筑设计生产了大量的热 泵，热泵的用途在不断拓宽，热泵技术在这一阶段得到了迅速的发展。地下埋管已由 早期的金属管改为塑料管，解决了土壤的腐蚀问题。同时，计算机应用技术的发展又 为设计地源热泵创造了极大的便利。1 9 8 1 年，田纳西大学安装了水平埋管式地源热泵， 同时俄克拉荷马州立大学以及一些能源机构也都对地源热泵进行了研究。瑞典和丹麦 等国对地源热泵的研究也很活跃，陆续出现了一些具体的应用实例。上个世纪8 0 年代 开始，地源热泵技术的应用进入了一个快速发展时期，到1 9 9 5 年，美国共建立了约十 万个地源热泵系统，到2 0 0 5 年，北美地区地源热泵的数量已经超过1 0 0 万套。在过去 的几年，地源热泵空调每年的增长速度均超过2 5 ，其中2 0 0 5 年增长约5 0 。而2 0 0 5 年加拿大的地源热泵市场几乎翻了一番，这其中的主要原因当然是目前能源价格的高 企。但实际上，由于地源热泵的安装涉及到大量的地下施工，且北美地区高昂的劳动 力成本使得地源热泵系统的初期投资往往超过常规空调系统1 0 0 乃至1 5 0 ，极大地 限制了地源热泵的推广使用。目前大规模的应用主要还是以公立学校，尤其是中小学 为主。其次是联邦的公用设施，包括军用设施，而私人投资的商用建筑中使用的比例 相对较低。另外，在北美地区，地源热泵还能提供除建筑空调、供暖和热水以外的服 务，如桥梁的桥面防冻、农业和水产养殖、冷库等等1 9 - 2 4 。 早期的地源热泵理论研究主要集中于土壤的传热性质、地埋管换热器形式等方面。 上个世纪8 0 年代到9 0 年代初，美国开展了冷热联供地源热泵方面的研究工作，不少 文献介绍了不同形式的地埋管换热器的传热模型。据不完全统计，约有3 0 种地埋管换 热器的计算模型，包括稳态的、动态的；还有采用集总参数法，也有用一维、二维、 三维有限差分法或二维有限元法等建立的。其中，比较有代表性的理论有以下三种： ( 1 ) 1 9 4 8 年，k e l v i n 提出了线热源理论，即将地下埋管看作无限大介质中的线热源。 建立模型时采用了以下假设：1 地层为无限大介质，其初始温度均匀，热物性均匀且不 4 第一章绪论 随温度变化。2 忽略深度方向和地表的传热，只考虑径向导热。3 忽略钻孔的几何尺寸 而把它近似为轴心上的线热源。目前大多数地源热泵的设计是以该理论为基础的，如 国际地源热泵协会提出的设计方法就是以k e l v i n 的线热源理论为基础。线热源理论仅 对真实的线热源才会有精确的理论解，而对于有一定热容量的地埋管换热器，其解有 较大的误差，研究表明，第3 个假设在运行时间很短时( 数小时) 是不成立的，因此 该模型不能直接模拟换热器短时间内的换热 2 5 - 3 2 】。 ( 2 ) 1 9 8 3 年，b n l 提出了修改后的线热源理论，它是将埋管周围的岩土划分为两个 区，即严格区和自由区，在地源热泵运行时，不同区域之间的热传导引起区域温度的 变化 3 3 - 3 5 】。 ( 3 ) 1 9 8 6 年，vc m e i 提出了三维瞬态边界的传热模型，该理论是建立在能量平衡 的基础上，有别于线热源理论，该模型由系统能量平衡结合热传导方程构成【3 6 1 。 进入9 0 年代，有关文献除报道了埋管换热器的强化传热外，还总结了一些己建成 的地源热泵工程的运行情况及其性能比较【3 7 。3 9 】。最近几年，大量报道反映了近年国外 进行的工作和取得的成果，主要关于地源热泵系统的设计、安装、运行、维护等方面 【4 0 5 3 】 由于地源热泵地下换热过程的影响因素众多，某些参数的选择不当会造成工程造 价难以接受。地源热泵的设计中的基础数据不足限制了该项技术的进一步发展。因此 对地源热泵工程实例的调研和经验总结是国际上地源热泵技术研究的一个重要方面。 直到上世纪9 0 年代末期地源热泵空调系统才在商业、民用建筑的中大范围应用。 1 2 2 国内研究现状和水平 上世纪5 0 年代，我国就开始对空气源热泵进行相关的研究工作，而地源热泵的发 展起步比较晚，直到上世纪8 0 年代末，地源热泵技术才开始受到国内学者的