（制冷及低温工程专业论文）土壤热湿传递与土壤源热泵的理论与实验研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 目前全世界都在致力于低能耗、无污染、可再生及新能源工程技术的研究与应用。 在世晃各国能耗总量中建筑业占重要地位，建筑能耗中又以供热和空调能耗为主，如 何降低供热和空调能耗是当前研究的一个重点。热泵通过输入少量的能量，大量利用 自然资源( 如空气、水、土壤、太阳能) 和余热资源( 如废热) 中的热量，可以实现 低品位热能向高品位热能的转化，给人们提供了一条节约矿物燃料、合理利用能源、 减轻环境污染的途径，因此热泵技术得到了广泛应用。 热泵一般分为三种类型：( 1 ) 空气源热泵；( 2 ) 水源热泵；( 3 ) 地源热泵。空气 源热泵在我国冬季气候相对较温和的地区，已经得到广泛的应用。但在冬季寒冷地区， 空气源热泵的制热效率大大下降，加上室外侧换热器的结霜等问题，其应用受到限制； 水源热泵的应用受当地水资源的限制；而地源热泵是一种利用地下浅层低温地热资源 的高效节能与环保的热泵空调系统。与空气源热泵相比，它并未得到广泛应用，主要 是它的成本太高，而且缺少准确可靠的计算模型。 本文综述了土壤源热泵( 地源热泵一种) 的类型和各类土壤源热泵系统的优缺点。 由于垂直埋管土壤源热泵系统具有占地面积小，不污染地下水的优点。是一种值得发 展的热泵系统。但该系统初投资较高，一般需要采用合理的模型给予设计计算。然而 由于现有的土壤传热模型忽略了水分迁移对传热的影响，使得埋地换热器的设计与实 际需要产生偏差，致使土壤源熟泵系统投资增加或使用效果不佳，限制了它的应用。 本文在原有的垂直埋管土壤源热泵一维线源模型基础上，对土壤的传热传湿过程进行 了进一步的研究，发展了传热传湿数学模型，并对模型中的水通量方程进行改进，对 模型中土壤的各参数( 土壤熟导率、土壤初始温度及含水率等) 进行了理论与实验分 析，便之更加符合工程实际。 土壤热导率是土壤的一个重要热特性，本文利用“线源模型”理论搭建了测量热 导率的实验装置，自制了探针，并用它测定了不同质量含水率下土壤和沙的的导热系 数，进而得到土壤和沙的容重、导热系数、导温系数与质量含水率的关系。 自行搭建了一维土柱、沙柱传热传湿实验台，测试了不同土壤、沙水分含量和土 壤中存在温差时，温度对土壤水分持有的影响程度，及土壤、沙中热量和水分迁移的 相互作用。 浙江大学博士学位论文 搭建了u 型竖埋土壤源热泵系统工程应用实验台，测试了实验地区土壤年温度变 化规律、冬夏季热泵机组运行时大地的温度场、冬夏季机组室外侧换热器进出口水温、 并确定了埋管换热器的传热系数。编制热湿传递计算程序，确定了不同含水率下单位 井深土壤的换热能力和埋管周围温度场、埋管周围含水率的变化规律。 最后，论文对进一步的研究工作提出了一些初步建议，同时展望了地源热泵系统 的应用前景。 关键词：土壤源热泵；热湿传递；埋地换热器；质量含水率；热导率 浙扛大学博士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , p e o p l ea l lo v e rt h ew o r l da r ed e v o t i n gt ot h er e s e a r c hw o r ko f l o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，n o n - p o l l u t i n g ，r e n e w a b l ee n e r g yt e c h n o l o g y i ti sr e p o r t e dt h a tt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ew o r l di sp r i m a d l yc o m p o s e do f b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n w h i l ei nb u i l d i nge n e r g yc o n s u m p t i o n , h e a t i n ga n da i r c o n d i t i o n i n ga r et h et w om a i ne n e r g yc o n s u m p t i o n s ，s oh o wt or e d u c et h e s et w om a i n e n e r g yc o n s u m p t i o n si so n eo f t h ef o c u s e so f t h er e s e a r c h ， b yd e f i n i t i o n , ah e a tp u m pi sa l le l e c t r i c a ld e v i c et h a te x t r a c t sh e a tf r o mo n ep l a c e w i t hl o w e rt e m p e r a t u r ea n dt h e nt r a n s f e r si tt oa n o t h e rp l a c ew i t hah i g h e rt e m p e r a t u r e i n t h ew i n t e rt i m e ，ah e a tp u m pe x t r a c t sh e a tf r o mn a t u r a lr e s o u r c e s ( t h eo u t d o o r 础w a t e r , s o i la n ds o l a re n e r g y ) a n dw a s t eh e a tr e s o u r c e s ，a n dt h e nc i r c u l a t e si tt h r o u g hd u c t si n t o n e e d e dp l a c e s d u r i n gt h es u m m e rt i m e ，ah e a tp u m pr e v e r s e st h ep r o c e s s ah e a tp u m p p r o v i d e sp e o p l ea ne f f e c t i v ew a yt ou s ee n e r g yr e a s o n a b l ya n dr a t i o n a l l y , t os a v ef o s s i l f u e l sa n dr e d u c ep o l l u t i o n t h e r e f o r et h eh e a tp u m pt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d t h eh e a tp u m pu s u a l l yc o n s i s t so ft h r e et y p e s ：( 1 ) a i rs o u r c eh e a tp u m p ( a s h p ) ；( 2 ) w a t e rs o u r c eh e a tp u m p ( w s h p ) ；( 3 ) g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) a s h pi sw i d e l yu s e di nt h ew l h r f lr e g i o n so fw i n t e ri no u rc o u n t r y , b u ti t sh e a t i n g e f f i c i e n c yi st o ol o wi nt h ec o l da r e a so f w i n t e r , a n di f t h eo u t d o o rt e m p e r a t u r ef a l l st on e a r o rb e l o wf r e e z i n gw h e nt h eh e a tp u m pi so p e r a t i n gi nt h eh e a t i n gm o d e m o i s t u r ei nt h ea i f p a s s i n go v e rt h eo u t s i d ec o i lw i l lc o n d e n s ea n df r e e z eo ni t , w h i c hl i m i t st h ea p p l i c a t i o no f a s h p ；w s h p sa p p l i c a t i o ni sl i m i t e db yt h el o c a lw a t e rr e s o u r c e s ；gs h pi sah i g l l e f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n g ，l o wn o i s ea n dc l e a nh e a tp u m ps y s t e m c o m p a r e dt oa s h p , g s h ph a sn o th e c nu s e dw i d e l y , w h i c hm a yb ea t t r i b u t e dn o to n l yt oi t sc o m p a r a t i v e l y h i g h e ri n s t a l l a t i o nc o s t , b u ta l s ot ot h el a c ko fr e l i a b l es y s t e md e s i g na n ds i m u l a t i o n m o d e l s a m o n gv a r i o u st y p e so fg s h p , t h ev e r t i c a lg s h p i saq u i t ew o r t h w h i l eh e a tp u m p s y s t e mt od e v e l o p b e c a u s ei tr e q u i r e sl e s so c c u p a t i o no fl a n da n dc a u s e sn oc o n t a m i n a t i o n o f g r o u n d w a t e r 鸽w e l l i nt h ee x i s t i n gm o d e l so fh e a tt r a n s f e ri ns o i l ，o n eo ft h ep r i m a r ya s s u n l p t i o n sm a d e o n l ys t u d i e dt h eh e a tc o n d u c t i o np r o c e s sw h i l en e g l e c t i n gt h em o i s t u r em i g r a t i o np r o c e s s , w h i c hm a yi n d u c et od e f l e c tf r o ma c t u a l i t yi nd e s i g n i n gh e a te x c h a n g e r si ns o f t ，a n dr e s u l t i nb o t hb i g g e ri n v e s t e dc a p i t a la n dl i m i t e da p p l i c a t i o n s h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rp r o c e s si ns o i li sv e r yc o m p l e x , w h i l et h et r a d i t i o n a ll i n e i i i 浙江大学博士学位论文 s o u r o em o d e li st o os i m p l et om e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ee n g i n e e r i n gd e s i g n , w h i c hm a yc a h s ct h ed e v i a t i o n s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h el a wo fm a s sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o n , ar e t r o f i t t e dh e a ta n d m o i s t u r et r a n s f e rl i n es o b i c em o d e lf o rt h ev e r t i c a lg s h ps y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h i sr e t r o f i t t e dm o d e l ，s o i lp a r a m e t e r s ( s o i lt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , i n i t i a ls o i l t e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n t ，e t c ) a r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yt o m a k et h em o d e lm o r ei nl i n ew i mp r a c t i c a lp r o j e c t s h e a tc o n d u c t i v i t yi sa ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co fs o i l ，t h e r m a ln e e d l ep r o b ei sm a d e t om e a s u r eh e a tc o n d u c t n r i e so fs o i la n ds a n db o t hw i t hd i f f e r e n tm a s sw a t e rc o n t e n t s a n dt oo b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e n s i t y , h e a tc o n d u c t i v i t y , h e a td i f f u s i v i t ya n dm a s s w a t e rc o n t e n t f o rf u r t h e rs t u d yo nh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r , a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u so fo n e d i m e n s i o nh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri sd e v e l o p e d s o i lw a t e rc o n t e n ta n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na r ea c q u i r e dm o n gs o i lc o l u m nt h r o u g he x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt e m p e r a t u r eg r a d i e n t sa f f e c ts o i l - w a t e rp o t e n t i a l w h i c hi n d u c e sb o ml i q u i da n dv a p o rm o v e m e n t ；s o i l - w a t e rp o t e n t i a lg r a d i e n t sm o v ew a t e r , w h i c hc o n s e q u e n t l yc a r r i e sh e a t t h eo l dw a t e rf l u xe q u a t i o ni su s e dt oc a l c u l a t et h e c h a n g eo fw a t e rc o n t e n t i ns o i lc o l u m n , b u ti ti sn o ta p p l i c a b l et ot l l i se x p e r i m e n t t h e r e f o r et h ee q u a t i o ni sm o d i f i e dt od e s c r i b et h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rp r o c e s sb e u e r ， a n dt oe n a b l ei ta p p l yw e l lt ot h ep r a c t i c a lp r o j e c t su l t i m a t e l y a ne x p e r i m e n t a l a p p a r a t u so ft h ev e r t i c a l o s i - i pi sb u i l t m o n t h l ya v e r a g e d t e m p e r a t u r ea t ad e p t ho f6mu n d e r g r o u n d , t e m p e r a t u r ef i e l di ns o i l a n dw a t e r t e m p e r a t u r e se n t e r i n ga n dl e a v i n gt h eo u t s i d eh e a te x c h a n g e ra r et e s t e d a n dt h ea c t u a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t o f w e l l - d e p t hi sa c q u i r e d ap r o g r a mf o rh e a te x c h a n g e rs i m u l a t i o ni s d e v e l o p e dt od e r i v et h ec a p a c i t yf o rh e a te x c h a n g e ri ns o i lw i t l ld i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t a a n dt e m p e r a t u r ef i e l d , w a t e rc o n t e n t sa r o u n dt u b eu n d e r g r o u n d f i n a l l y , s o m es u g g e s t i o n s 黜p r o p o s e dt of t f f t h e r 咖d y t h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n tp r o s p e c t so f t h eg s h p a r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ；h e a ta n d u n d e r g r o u n d ；m o i s t u r ec o n t e n t ；h e a tc o n d u c t i v i t y i v 浙江大学博士学位论文 符号 希腊字母 a 口 九 k k 扎 k p “讯 m 0 8 0 ，e 田 e ， e 8 p p n t 丸 主要符号表 意义 对流换热系数 综合修正系数 热导率 土壤中空气热导率 土壤中水热导率 土壤中固体物质热导率 流体的热导率 水的粘度 参考温度下水的粘度 任一温度下水的粘度。 体积含水率，过余温度 初始体积含水率 体积含水率 质量含水率 固体骨架所占的比例 密度 饱和密度 热导率 符号 f 、i ， u 坼 v t 、i ，_ v - 拉丁字母 a 口 c o p c c q c m c 气 d d t 口综合修正系数d a y h o 幻 o o t 管壁热导率d 锄 干密度d。 水的表面张力现 任一温度水表面张力d 参考温度下水表面张力d 缸 v 意义 时间 土水势 基质势 压力势 温度势 重力势 溶质势 探针系数 热扩散系数( 导温系数) 性能系数 比水容量 土壤比热容 土壤容积热容 土壤中固体物质平均比热 水的质量比热容 水的容积比热容 水分扩散系数 温差引起的水分扩散系数 含水率差引起的气态水扩散系 数 含水率差引起的液态水扩散系 数 温差引起的气态水扩散系数 温差引起的液态水扩散系数 参考温度下水扩散系数 管内径 浙江大学博士学位论文 钻孔的直径 当量直径 管外径 面积 非饱和土壤的导水率 饱和土壤的导水率 管长 质量 液体的质量 土颗粒质量 努谢尔特数 普朗特数 热流量 单位面积热流量 水通量 i k r r t t 0 t f f o ，乞 t 0 u 矿 圪 圪 v i 雷诺数 热阻 半径 温度，年波动周期 温度 壁面温度 流体温度 初始温度 地面的年平均温度 内壁面温度 润湿周长 体积 水分占有体积 气相占有体积 口 吐 r i 如f k磁。 m 地n q q 学号f ! f ! 墨! 皇3 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。据我所知，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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 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：弓苏 签字日期： 夕司年夸月弓日 。| 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘茔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，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： 弘矜 导师签名：7 气拗 擀醐：干朔弓日 f 签字日期：，2 4 1 年口年月多日 j 7 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：狮汪建设昭哆彬惭瓦 通讯地址。 邓移夸啪绿角免r 一巾1 电话：唧，一脯 邮编；，d 讲v 浙江大学博士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 节能与环保是关系到2 1 世纪国民经济可持续性发展的两个重大的课题。在历史 上，没有任何一个世纪人类比目前面临的环境威胁更为严峻：温室效应仍在持续加剧， 海平面上升，臭氧层破坏，酸雨等无异表明我们人类的生存环境已经遭到严重破坏： 能源廉价的时代已悄然过去，代之的是能源的日益枯竭，对这些资源的争夺而导致纷 争与战火，因此人类与环境的关系已危机四伏。全世界都在致力于低能耗、无污染、 可再生新能源工程技术的研究与应用。 能源是人类赖以生存和推动社会进步的重要物质基础。在世界各国能耗总量中建 筑业占重要她位。在我国，建筑所消耗的能源占全国商品能源的2 1 2 4 ( 不包括 建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗) ，且建筑能耗的比例还将继续提高“1 。建筑 能耗中又以供热和空调能耗为主。随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，供热 与空调的能耗在能源结构中所占的比例也越来越大。因此，面对飞速高涨的建筑能耗， 我国的建筑节能将是一个非常严峻的任务。 减少建筑的能耗，一方面要提高能耗系统( 设备) 的效率，从而降低终端能源使 用量；另一方面可通过开发利用可再生能源及节能建材等途径降低建筑能耗的需求。 可再生能源是清洁能源，是指那些随着人类的大规模开发和长期利用，总的数量不会 逐渐减少趋于秸竭，而且不断“再生”的能量资源，如：太阳能、地熟、风能等。1 9 9 4 年发布的马德里宣言。( ，i km a d r i dd e c l a r a t i o n ) 所定的目标是在2 0 1 0 年，这些清洁 能源的使用率要达到1 5 。非再生能源，是指随着人类大规模开发和长期利用，总 的数量会逐渐减少直至枯竭的一次能源，如煤、石油、天然气等。非再生能源储存量 有限，终会导致枯竭；同时矿物燃料燃烧是产生温室气体的主要来源，是造成大气污 染主要元凶。日益突出的环境问题已引起各国政府和公众高度重视，因此实现减少建 筑能耗，实现空调设备的节能与环保成为了人们最关心的问题之一。 1 2 热泵的发展过程简述 如前所述，建筑能耗中以供热和空调能耗为主。传统的供热系统主要依靠燃烧矿 物燃料，如煤炭。而热泵能通过输入少量的能量，能大量利用自然资源( 如空气、水、 土壤、太阳能) 和余热资源( 如废热) 中的热量，实现低品位热源向高品位热源转化， 从而有效减少了输入能，给人们提供了一条节约矿物燃料、合理利用能源、减轻环境 浙扛大学博士学位论文 污染的途径，所以热泵技术在许多发达国家( 如日本、德国、美国) 得到广泛应用。 1 8 2 4 年，卡诺提出卡诺定理，奠定热泵研究的理论基础。1 8 5 4 年，w t h o m s o n 教授发表论文，提出了热量倍增器( h e a t m u l t i p l i e r ) 的热泵系统概念，首次描述了 热泵的设想0 1 。2 0 世纪3 0 年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。 特别是二战以后，工业经济的快速发展带来的对供热大量需求及相对能源短缺，促进 了大型供热及工业用热泵的发展。2 0 世纪4 0 5 0 年代，热泵在欧美建筑物供热和工 业领域得到进一步的推广应用， 。 但其低温热源大多为河水。 2 0 世纪7 0 年代的二次能源 危机，进一步促进了热泵在全世 界范围内的发展。2 0 世纪8 0 年 代，在各种解决能源紧张和加强 环境保护的措施中，热泵技术在 世界得到了相当重视。许多国家 把推广应用热泵作为减少c o 。排 放的一种手段。图1 1 为热泵工 作的原理图。 1 3 热泵的分类 护麓 图1 1 热泵原理图 根据热泵吸取热量的低温热源种类，可将热泵分为：( 1 ) 空气源热泵( a i rs o u r c e h e a tp u m p ，a s h p ) ；( 2 ) 水源热泵( w a t e rs o u r c eh e a tp u m p ，w s h p ) ；( 3 ) 地源热泵 ( g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，g s h p ) 。其供热、供冷的媒介为水或空气，本文将直接利 用地下水和地表水的地源热泵归类为水源热泵。 1 3 1 空气源热泵( a s h p ) 空气源热泵在供热时利用室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热 泵提高温度送入室内供暖；在制冷时将室外空气作为冷源，系统向室外排热。其工作 流程图见图1 2 。空气源热泵系统简单，一般安装在室外，如屋顶、阳台等处；由于 冬季供热时可省去了锅炉房，夏季供冷时省去了冷却水系统( 包括冷却塔、冷却水泵、 管网及水处理设备) ，布置十分方便，因而得至i 了广泛的应用。作者统计了特灵，大 金等空气源热泵的样本，c o p 值为2 7 3 左右，即空气源热泵供热比用电直接供热要 省电近三分之二。 2 渐缸大学博士学位论文 求 图1 2 空气源热泵冷热水机组循环流程图 但是，空气源热泵并非完美的供热热源。在冬季供暖时，空气源热泵的蒸发温度 随着空气温度的降低而降低，这会降低其制热效率。当室外侧换热器表面温度低于0 且低于空气的露点温度时，空气中的水分在换热器的表面就会凝结成霜，从而导致 换热器传热系数下降，使得空气源热泵的制热性能进一步下降。因此，空气源热泵在 冬季运行时需定期除霜。空气源热泵的 供暖特性见图1 3 a j 。图中a b 为建筑物耗 热量特性曲线，c d 为空气源热泵的供热 曲线，两曲线呈相反的变化趋势；0 为平尝 衡点。随着室外温度的降低，热泵的制 热性能下降，当室外温度低于t o 时，热 泵的供热量小于建筑物的耗热量，则不 得不使用辅助热源来解决热泵的供热量 的不足。 总的来说，空气源热泵具有布置方 便，比电取暖节能的优点，但还有不少 图1 3 空气源热泵供暖特性 缺点：( 1 ) 空气热容量小，为从空气中获得所需热量，换热器体积大，风机的风量也 大；( 2 ) 空气温度变化大，冬季，其制热量随室外空气温度降低而减少，而在夏季， 制冷量随室外空气温度升高而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反；( 3 ) 当室外 侧换热器表面温度低于空气露点温度，且低于o 时，换热器表面会结霜，需要定期 除霜，这也消耗大量的能量，在除霜过程中，压缩机及四通阀的稳定运行受到影响。 空气源热泵在冬季气候相对较温和的地区，如我国长江中下游地区，已经得到广 3 艨多 萋； 一 。 一二 浙扛大学博士学位论文 泛的应用。但在冬季寒冷地区，如华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热 泵的制热效率大大下降，加上室外侧换热器的结霜等问题，使用受到限制。 1 3 2 水源热泵( w s h p ) 嘲 水源热泵从水中吸取热量。向水源热泵提供低位热能的水源有：地表水( 江河水、 湖水、海水等) 、地下水( 深井水、泉水、 地热水等) 、工业废水( 如冷却废水等) 等。利用地表水和地下水的水源热泵实 际上属于地源热泵的一种。按冷凝器放 出热量时进行热交换介质的不同，水源 热泵也分为水一空气机组和水一水机组。 在有内外区，且面积较大的公共建筑物 中，利用内区制冷的时热泵机组排出的 冷却热水作为低温热源的水源热泵布置 形式，一般将这种水源热泵称为水环热 泵。 水源热泵的主要优点有： ( 1 ) 机组效率高，设备紧凑。水 的温度一般较稳定，且冬季水温高于大 气温度，夏季水温低于大气温度。因此， 机组运行工况良好，其制热、制冷系数 均高于空气源热泵。 ( 2 ) 机组运行可靠，不存在冬季 制热运行时室外机结霜问题。 水源热泵的主要缺点是受当地水 资源因素影响。应用场合受到限制；其 初投资一般也较大。 1 3 2 1 地表水的利用 ( a ) 地表水系统( 开式) ( b ) 地表水系统( 闭式) 图1 4 水源热泵示意图 从理论上说，只要地表水冬季不结冰，均可作为低温热源使用。但受投资回收期 的影响，实际上一般仅在面积较大、水位较深的水域附近的建筑物有一定应用。地表 水通常含有一定泥沙和浮游生物等，因此需设置取水和水处理设施，并考虑管道和设 备的腐蚀问题。 图1 4c a ) 为直接采取地表水的水源热泵系统。如附近有够大水面及足够深的水 4 浙江大学博士学位论文 塘或湖泊，可采用此系统。但这种系统在水源热泵冬季工作时存在换热器出水可能冻 结的问题，因此也可以采用闭式系统，见图1 4 ( b ) 。由于池塘、湖泊或河溪中的地 表水，温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量 越小，而且热泵的性能系数也会降低；且热泵的热交换器易受悬浮物、腐蚀物、水垢、 细菌微生物的影响。这种系统的使用必将受到限制。 1 3 2 2 地下水的利用 地下水通常通过打深井的方式抽取， 故称深井水，是熟泵很好的低温熟源。地 下水常年位于较深的地层中，由于地层的 蓄热作用，其温度随季节变化的波动较小。 因此地下水不仅是热泵冬季理想的低温热 源，在夏季也是极佳的冷源。但是大量抽 取地下水会导致地面下沉和水源枯竭，因 此地下水的利用要采用“深井回灌”技术， 将抽取的地下水利用后灌回到地下。 当水源水质较好时，可使用直接换热 方式，将地下水直接进入热泵的蒸发器； 图1 5 深井水系统( 有抽水井和回灌井) 水质较差时，可采用间接换热系统，通过板式换热器将深井水与室外侧换热器循环水 分开，见图1 5 。系统中设置抽水井与回灌井。当冬夏交替季节更换时，抽水井与回 灌井互换，这就是所谓的“夏灌冬用”和“冬灌夏用”。这样既可避免地下水过量抽 取，又可维持冬夏季理想水温。对含泥沙多的水源应采用过滤等水处理设备处理后再 利用。 与土壤源热泵相比，深井水取水的钻井费用少，传热性能好。但应用地下水的热 泵系统需要当地有丰富和稳定的地下水资源；此外，由于地下水回灌受到各地地质条 件的影响，有可能造成地下水资源流失，地下水层也易受污染。因此，采用深井水的 水源热泵使用范围受到了较大的限制。 1 3 3 土壤源热泵( g s h f ) 地源热泵是一种利用地下浅层低温地热资源( 常温土壤、地下水或地表水) 的既可 供热又可制冷的高效节能热泵系统。地源热泵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转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源，同时蓄存冷量， 以备夏用；而在夏季作为冷源，同时蓄存热量，以备冬用。 5 浙旺大学博士学位论文 地源热泵称呼很多，有：地耦热泵( g r o u n dc o u p i eh e a tp u m p ) 、地热泵( g e o t h e r m a l h e a tp 姗p ) 、地源热泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ) ，地下水热泵( g r o u n dw a t e rh e m p u m p ) 等。按热源性质，也可分为土壤源热泵、地下水和地表水热泵，地下水和地表 水热泵已在前面水源热泵中介绍，本文介绍的地源热泵主要指土壤源热泵。以下介绍 的地源热泵主要指利用土壤作为冷热源的土壤源热泵。 由于地表5 米以下土壤温度一年四季相对稳定，约为当地全年的平均温度，其夏 季比环境空气温度低，冬季比环境空气温度高，是一种较好的冷热源，所以土壤源热 泵效率高于空气源热泵。此外，储存于地表浅层的地热是一种可再生且无污染的能源， 不论是热带地区或是寒冷地区均有地热可供使用，因而可使用范围大，几乎适应于所 有地方，且运行维护费用也低于水源热泵。 土壤源热泵的基本结构可分为地上和地下两个部分。地上部分基本与其它水源热 泵相同，地下部分为埋在地表以下若干段寿命长、强度高的塑料管道，在冬季管道里 的循环水或防冻剂溶液从土壤里吸取热量传递给热泵，在夏季将热量从热泵传递回土 壤中去。这些塑料管道就相当于一个地下换热器，与土壤进行热交换，夏季放热，冬 季吸热。这个地下换热器可根据各个不同区域的地理特点，既可水平放置也可垂直放 置。根据其敷设形式不同，将土壤源热泵可分为闭式和直接膨胀式。设计者可根据当 地地理条件，正确选用适合的土壤源热泵地耦系统。 1 3 3 1 闭式系统 闭式系统采用埋在地下的高强度塑料管作为热交换器，管路中充满工作介质，通 常是水或防冻水溶液，当然也可用其他介质。闭式系统利用泵作为循环动力，由于环 路是封闭的，所以热交换器介质和地下水不直接接触。 闭式系统又可分为水平式、螺旋式、垂直式三种。 ( 1 ) 水平管闭式系统 如图1 6 所示。当有足够土 地表面可利用时，可用此系统。 塑料管水平埋设在沟壕中，一般 埋设深度1 2 3 米，每个沟槽 中有1 6 根管子。虽然一个沟 槽中埋设多根管道需更大的沟 槽空间，但沟槽数量较少，因此 成本也降低了。沟槽长度取决于 土壤状况和沟壕里管子的数量。 常用于住宅建筑。 优点：挖沟槽比打井的成本低，安装灵活。 图1 6 水平闭式系统 6 浙江大学博士学位论文 缺点：需大量土地面积，由于埋设深度浅，土壤温度易受季节影响；土壤热特性 随季节、降雨量、埋设深度而波动。 ( 2 ) 螺旋管闭式系统 如图1 7 所示。它是水平环路 的一个变体，换热器在沟壕内螺 旋状放置；另种螺旋环路系统 则将螺旋状管放入狭窄垂直的沟 壕。螺旋环路系统通常需很长的 管子，但沟壕的数量少于上述水 平环路系统。它同样适用于土地 面积较大的场所。 优点：比水平环路占地少， 安装成本相对较低。 缺点：所需管予较长；需要相 对大的土地；土壤温度易受季节影 响；比水平系统需更大的泵，耗能 大；在填埋过程中易损坏管路。 ( 3 ) 垂直环路闭式系统 当土地面积受限制时可考虑此 种方式。封闭管路插入垂直的井中， 根据土壤及温度条件，确定管长。 设计中，一般需多个井。垂直系统 有三种热交换器基本类型：u 型管 式( u r o b e ) 、单管式( d i v i d e d r o b e ) 、 套管式( c o n c e n t r i c - t u b eo rp i p ci n 图1 7螺旋闭式系统 图1 8 垂直环路闭式系统 p i p e ) 。图1 8 为垂直环路闭式系统，在国内一般称为为u 型垂直埋管土壤源热泵系统。 优点：所需管材较其它闭式系统省，泵的能耗最小，土地面积要求最少，土壤温 度不易受季节变化的影响。 缺点；要求钻井设备，钻井费用高。 1 3 3 2 直接膨胀系统 直接膨胀系统不需传热介质、传热介质一制冷剂热交换器和循环泵。铜制盘管蒸 发器埋在地下，制冷剂直接与土壤进行热交换，因而提高了传热性能。如图1 9 所示。 7 浙江大学博士学位论文 由于埋入地下的盘管是 金属的，所以会受到腐蚀( 土 壤的p h 值约为5 5 1 0 之 间) 。在设计中。得注意：在 冬天供热运行中，较低的温 度会造成土壤结冰，冰膨胀 会导致土壤翘起，因此，为 了防止结冰危险，盘管应远 离地下水位线；在夏季供冷 运行中，盘管高温会蒸发土壤水气，改 变土壤热物性，影响换热。 优点：高效；不需要循环泵。 缺点：需要大型管沟；盘管周围的 土壤容易结冻；铜管不能埋在大树附 近，因为植物根系会损坏盘管；压缩机 油路系统较复杂；有渗漏危险；安装要 求和费用高；需要更多的制冷剂。 1 3 3 。3 土壤源热泵辅助系统： 针对不同的场合，为了弥补单一热 源热泵存在的局限性和充分利用低位 能量，合理地设置土壤源热泵辅助系统 可以额外节约能耗或节省安装费用，常 见的有以下三种： ( 1 ) 冷却塔补偿系统 地耦系统是土壤源热泵系统安装 费用中最大的部分。在以供冷为主要设 计目标的南方或热负荷大的商业建筑 中，可以通过设置冷却塔补偿来减小闭 式地耦系统的尺寸，如图1 1 0 所示。 通过一个换热器( 通常是板式换热器) ， 冷却塔将地耦环路的上游流体预冷，这 样就降低了地耦系统的负荷。由于减少 了地耦系统的尺寸，设置冷却塔可以降 低整个系统安装费用。 图1 9 直接膨胀系统系统 图1 1 0 冷却塔补偿系统 图i n 太阳能辅助系统 8 浙江大学博士学位论文 ( 2 ) 太阳能辅助系统 在气候比较寒冷的北方，设计目的主要是供热。采用太阳能板可以减少地耦系统 的尺寸。设计用来提供热水的太阳能板安装在环路中( 直接或通过热交换器) ，如图 1 1 l 所示。太阳能板囱传热介质供热。这种设计可以减少埋管占地面积，提高热泵效 率。 ( 3 ) 热水回收系统 利用热泵提供热水，即在制冷环路中安装热交换器来从过热的制冷剂蒸汽获得高 温热源。由于效率高，所以这种技术的应用十分经济。热水回收系统可以补充甚至替 代传统的热水供应系统。在热泵供冷模式下，热水回收系统提高了系统运行效率并且 利用废热提供热水：在供热模式下，与其他系统相比，热泵供热并提供热水仍然具有 较高的经济性。 1 4 土壤源热泵的研究意义 根据热力学原理，若降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率并节约 能源。为此若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前的空气热源。无疑将 有广泛的应用前景和明显的节能效果。 大地是一个巨大的蓄热体，与空气环境相比，地面一定深度( 5 m ) 以下，全年土 壤温度稳定，而且约等于年平均温度，在夏冬两季可以分别提供相对较低的冷凝温度 和较高的蒸发温度。因此土壤是一种比空气环境更好的热泵系统的冷热源。已有的研 究1 表明土壤源热泵主要优点有： ( 1 ) 属可再生能源利用技术。 储存于地表浅层的地热是一种 可再生能源，土壤源热泵正是利用了 地球表面浅层地热资源作为冷热源 进行能量转换的空调系统。且这种空 调系统不受地域、资源等限制。 ( 2 ) 属高效、经济的节能技术。 由于地表5 米以下温度一年四季 相对稳定，夏季比环境空气温度低， 表1 1 地源热泵与普通中央空调的性能比较瑚 冬季比环境空气温度高，是热泵很好的冷热源。这种温度特性使得土壤源热泵比传 统系统运行效率要高，节能效果明显，运行更加可靠、稳定，表1 1 为土壤源热泵与 普通中央空调( 风冷热泵) 的性能比较。与传统的空气源热泵相比圈，机组制冷制热 系数要高出4 0 n ，可达4 o 4 5 。 9 浙江大学博士学位论文 ( 3 ) 属环保型的采暖装置。 传统的供热方式主要为燃烧矿物燃料，在矿物燃料的开采、运输和能量转换过程 中，会对环境造成很大的污染。而地热是几乎无污染的一种能源。土壤源热泵通过埋 管换热器在地下吸放热，因此，该装置的运行基本没有污染，可以建造在居民区内。 ( 4 ) 应用范围广，市场潜力大。 土壤源热泵系统不仅适用于冬季，而且也适用于夏季；不仅适用于北方地区，也 适用于南方各个城市；它不仅可用于学校、商场、写字楼等建筑，也适合于别墅、小 型住宅的供热、制冷。 ( 5 ) 与空气源热泵相比，土壤源热泵系统不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗； 可以与冷却塔、太阳能联合运行，改善其夏季、冬季的工作状况；机组结构紧凑、节 省空间，运行可靠，维护费用低等。 ( 6 ) 与水源热泵相比，土壤源热泵无需开