（制冷及低温工程专业论文）地源热泵系统埋地换热器的理论研究及经济性分析.pdf

摘要 摘要 地源热泵系统，是一种节能和环保的热泵技术。使用地源热泵可以减少矿 物燃料的消耗，有利于国家改善能源结构，降低有害气体排放从而达到环保和 可持续发展的目标。推广和应用地源热泵的关键技术之一是完善地下埋管换热 器的传热模型。本文在综述几种传热模型理论的基础上，对单个u 型埋管换热 器传热过程进行研究，对钻井孔外和钻井孔内分别提出一维( 径向) 线源瞬态 传热模型和三维准稳态传热模型。并利用有限元方法，建立轴向和径向的二维 模型对埋地换热器在土壤中传热过程进行计算，得到埋管换热器传热量及附近 土壤温度场的变化情况，并分析了不同埋管深度、u 型埋管进液温度和流量、土 壤热物性和u 型埋管两支管中心间距等因素对u 型埋管换热器传热量的影响。 模拟计算得到大量关于地源热泵u 型埋管换热器传热量和附近土壤温度场特性 的数据，通过对这些数据的分析以期对地源热泵工程设计有一定的指导作用。 本文根据某实际工程对地源热泵系统与几种常规集中式空调系统进行了经 济性评价，采用价值工程分析法，选取经济成本、技术使用特性和社会效益等 重要方面作为功能评价对象，对各系统的功能系数和成本系数进行计算，最后 得到各自的价值系数，以此来综合评价各空调系统方案的经济性。结果表明地 源热泵系统虽然在费用成本方面是在所有方案中是最高的，但其具有很大技术 优势和社会效益，在综合评价中其功能系数仅次于目前应用最广泛的螺杆式冷 水机组+ 城市热网方案。因此说地源热泵是一种很有发展潜力的空调系统。 关键词：地源热泵，埋地换热器，传热分析，经济性分析，价值工程 a b s t r a c t a b s t r a c t g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) s y s t e mh a sb e e ni d e n t i f i e da sam o s t e n v i r o n m e n t - f r i e n d l ya n de f f i c i e n th e a tp u m ps y s t e m t h em o r eu s eo fg s h pw i l l r e d u c et h ew a s t a g eo fm i n e r a lf u e l ，w h i c hw i l lh e l po u rc o u n t r ya d j u s tt h ee n e r g y s t r u c t u r ea n dr e d u c et h ea m o u n to fe x h a u s tg a sr e l e a s e dt o p r o t e c tt h en a t u r a l e n v i r o n m e n ta n da c h i e v et h e g o a l o fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t op e r f e c t h e a t - t r a n s f e rm o d e lf o rg r o u n dh e a te x c h a n g e ri so n eo fk e yp r o b l e m sa b o u tg s h p p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no fc u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no f g r o u n dh e a te x c h a n g e rm o d e lt h e o r yo v e r s e aa n dh o m e ，t h i sp a p e rm a i n l y r e s e a r c ht h e r m a lb e h a v i o ro fas i n g l ev e r t i c a lu - t u b eh e a te x c h a n g e ri nt h eg r o u n d a n df o rt h et h e o r e t i c a lm o d e l ，at r a n s i e n to n e - d i m e n s i o n a ll i n es o u r c em o d e lo u t s i d e b o r e h o l ea n dat h r e e - d i m e n s i o nh e a tt r a n s f e rm o d e li n s i d eb o r e h o l ea r ep r e s e n t e d c a l c u l a t e sa n da n a l y s e st h eu - t u b eh e a te x c h a n g e rh e a tf l u xa n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d o ft h es o i la r o u n db o r e h o l ea n d a n a l y s e st h ei n f l u e n c i n ge f f e c tt oh e a tf l u xa n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h es o i lb yd i f f e r e n tf a c t o r s ，s u c ha st h ed e p t ho fu t u b e s ，t h e i n l e tt e m p e r a t u r e ，f l o wo f m a s s ，p r o p e r t i e so f s o i la n dd i s t a n c eb e t w e e nt w ot u b e so f t h eu - t u b e s b yn u m e r i c a lc o m p u t i n g ，o b t a i nal o to f d a t ao f h e a tf l u xo f t h eu - t u b e s a n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h es o i l b yd e t a i l e d l ya n a l y z i n gt h ed a t a , h o p et og u i d et h e g s h p p r a c t i c e b a s e do n aa c t u a lp r o j e c t , v a l u ea n a l y s i sm e t h o di ss e l e c t e dt oe v a l u a t e e c o n o m yc h a r a c t e rc o m p a r e dg s h ps y s t e mw i mr o u t i n ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s c h o o s et h ei m p o r t a n tf a c t o r ss u c ha se x p e n s e ，s y s t e mp e r f o r m a n c e ，s o c i a lb e n e f i tt o b e a p p r a i s i n gt a r g e t s b yt h ev a l u ea n a l y s i sm e t h o d ，f u n c t i o n - c o e f f i c i e n ta n d c o s t c o e 硒c i e n ta r ec a l c u l a t e d t h e nv a l u e c o e f f i c i e n ti sc a l c u l a t e d u s e s v a l u e - c o e f f i c i e n tt oe v a l u a t ee c o n m yc h a r a c t e ro fa l ls y s t e m s i ts h o w st h a tt h e e x p e n s eo fg s h ps y s t e mi sh i g h e s t ，b u ti t sp e r f o r m a n c ea n ds o c i a lb e n e f i ti sb e s t s o g s h ps y s t e mw i l lb eam o r ep o p u l a ra i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m - k e yw o r d s ：g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ，g r o u n dh e a te x c h a n g e r , h e a tt r a n s f e ra n a l y s e , e c o n o m ye v a l u a t i o n , v a l u ea n a l y s i sm e t h o d - l l i - 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：主川 调年：；月i , f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 各l 秭 岬年岁月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景能源与环境 随着经济的发展和人们对生活质量的要求越来越高，人们对于舒适性的追 求也在不断提高，建筑空调和供热的应用进一步广泛。在一些发达国家，建筑 能耗占社会总能耗的3 0 - - 4 0 ，我国也占到了2 5 左右【l 】。我国的能源结构单一， 主要依靠煤炭等矿物燃料。2 0 0 5 年我国全年能源消耗总量2 2 2 亿吨标准煤，比上 年增长9 5 ，增幅低于经济增长，首次以较低的能源消耗，支撑了较高的经济 增长f 2 】。2 0 0 5 年全年能源消耗结构分布图见图1 1 。我国把煤炭和石油等矿物燃 图1 12 0 0 5 年我国能源消耗结构分布图 料作为主要能源，虽然这类能源含能量高，易于开采和利用，但它们都是不可 再生的一次性能源。据联合国1 9 9 5 年版的能源资料调查，煤炭、石油及天然 气的探明储藏量及开采寿命如下：煤炭：世界煤炭探明藏量合计1 0 3 1 6 g t ，1 9 9 3 年世界年产量合计4 4 7 4 g t ，可开采寿命2 3 0 年；石油：探明可采量合计1 4 0 7 g t ， 1 9 9 3 年世界年产量3 1 9 7 g t ，可开采寿命4 4 年；天然气：探明可开采量1 4 1 t m 3 ， 1 9 9 3 年毛产量0 2 4 8 5t m 3 ，可开采寿命5 7 年。而且煤炭和石油的大规模开发和广 泛应用，已经严重影响人类生存环境，破坏了生态平衡。随着矿物燃料的日益 枯竭和全球环境的日益恶化，可再生资源的开发和利用一直受到世界各国的关 注和重视。自上世纪8 0 年代起，许多国家逐渐重视研究可再生资源，如风能、 太阳能、生物质能和地热能等的开发和利用。节能和开发替代能源及可再生能 第1 章绪论 源，是解决世界能源问题的主要途径据预测，到2 0 2 0 年煤炭、石油、天然气 三种能源的比重将分别变为2 8 、2 4 和2 l ；在同一时期，核能的比重将上 升到6 ；可再生能源的比重将增至2 1 ，其中水力发电将增长到7 5 ，太阳能、 风能、地热、现代沼气和海洋能的比重将比现在翻一番，达到4 。矿物燃料仍 然是今后数十年的基础能源，但有必要鼓励研究和采用其他替代能源及可再生 能源。而且我国能源利用效率仍然较低，2 0 0 5 我国万元g d p 能耗仍保持在1 4 3 吨标准煤的水平，比世界平均水平高3 2 8 倍，与美国，日本、德国、印度相比分 别高3 5 2 倍、7 2 倍、5 6 2 倍、1 1 8 倍，如图1 2 。我国“十一五”规划中提出了一个 重要的量化指标单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低2 0 左右。在控制 能量消耗总量的同时，要降低使用能耗的强度，减少无谓的耗能和浪费，以及 提高能源设备使用效率。 图1 22 0 0 5 年各国能源利用效率 二氧化碳的排放是造成全球温室效应的主要原因。有关科学家研究记录表 明，自1 8 6 0 年以来，全球平均气温上升了0 3 至0 6 摄氏度，海平面升高了1 0 w 2 5 c m 。假如目前的趋势继续下去，到2 0 1 0 年，海平面会上升1 5 9 5 c m ，造成 低洼地区和岛屿普遍淹没。为了改善生态和环境，应减少二氧化碳的排放，这 就需要尽可能减少矿物燃料的使用。据预测，到2 0 3 0 年，全球二氧化碳排放量 将超过4 0 0 亿吨，见图1 3 。而且矿物燃料的燃烧会产生大量粉尘、二氧化硫、 氮氧化物等大气污染物，造成酸雨，影响区域环境。国际能源机构以及美国、 荷兰和瑞士的研究报告都得出结论：热泵是减少二氧化碳排放量的最经济有效 的技术【3 1 第l 章绪论 图1 3 全球二氧化碳排放量趋势图 1 2 热泵的工作原理及分类【4 l 1 2 1 热泵的工作原理 作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向 低温。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采 用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置， 自身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高其能量品位进 行利用，一般整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也正 是热泵的节能特点。 热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸气式压缩式热泵 系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：压缩机起着压缩和输送循 环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵系统的心脏；蒸发器是输出 冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收需要冷却 环境或介质的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中 吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到 制热的目的；节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环 工质流量。 根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功( 电能) 起到补偿作用，使循环 工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。 第l 章绪论 1 2 2 热泵的分类 热泵是由冷凝器供给热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象 称为热源；相反制冷是由蒸发器供给冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境 排热的对象称为冷源。根据冷热源的不同，主要分为空气源热泵、水源热泵和 土壤源热泵三种形式。利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源 热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，目前应用最广泛。其缺点 有：( 1 ) 空气参数( 温、湿度) 随地域和季节、昼夜均有很大变化，对空气源 热泵的制热容量和制热系数有重要的影响。随着空气温度的降低，蒸发温度下 降，热泵温差增大，制热量减少，热泵效率降低。( 2 ) 随着室外空气温度的变 化，热泵的供热量往往与建筑物的供热负荷是相矛盾的，大多数时间内均存在 供需的不平衡现象。( 3 ) 当环境温度低而相对湿度高时蒸发器表面容易结霜， 随着结霜厚度的增加，蒸发器的传热热阻增大，空气通过蒸发器的阻力也增加， 使通过蒸发器的风量减少，导致蒸发器的吸热量减少，使热泵制热量和制热系 数下降。除霜时，还要消耗除霜所需耗的热量。( 4 ) 空气的比热容较小，为获 得足够的热量以及满足热泵温差的限制，其室外侧蒸发器所需的风量较大，使 热泵的体积增大，也造成一定的噪声。利用水作冷热源的热泵，称之为水源热 泵。可供热泵作为低位热源用的水有地表水和地下水。水的比热容大，传热性 能好，所以换热设备较为紧凑。水温一般也较稳定，可使热泵运行性能良好。 其缺点是：必须靠近水源，或设有一定的蓄水装置；其次，对水质也有一定的 要求，输送管路和换热器的选择必先经过水质分析，才能防止可能出现的腐蚀。 同时，利用水作为低温热源必须遵守水源管理部门的要求。利用土壤的地热能 作冷热源的热泵，称之为土壤源热泵。土壤是一种良好的低温热源，其温度变 化不大，换热器不需要除霜，并有一定的蓄能作用。土壤热源温度稳定，热泵 运行性能良好，但土壤的传热性能欠佳，需要较多的传热面积，导致占地面积 较大，尤其是水平埋管。地表水热泵系统、地下水热泵系统和土壤源热泵系统 可以统称为地源热泵系统。 1 3 地源热泵 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源( 地下水、土壤或地表水等) 的既 第1 章绪论 可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源( 如 电能) ，实现低温位热能向高温位转移。通常地源热泵消耗l k w 的能量，用户可 以得到3 4 k w 以上的热量或冷量。与锅炉( 电、燃料) 供热系统相比，锅炉供 热只能将9 0 以上的电能或7 0 9 0 的燃料内能为热量，供用户使用，因此地 源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一 的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1 0 2 5 ，其制冷、 制热系数可达3 5 4 4 ，与传统的空气源热泵相比，要高出4 0 左右，其运行费 用为普通中央空调的5 0 6 0 。因此，近十几年来，尤其是近五年来，地源热 泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快 的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为2 l 世 纪最有效的供热和供冷空调技术【5 】【6 】。 1 3 1 地源热泵工作流程及分类【7 h 9 】 地源热泵是利用水与地热能( 地下水、土壤或地表水) 进行冷热交换来作 为水源热泵的冷热源，冬季把地热能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此 时地热能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中， 此时地热能为“冷源”。图1 4 为在夏季和冬季工况下地源热泵运行示意图。 图1 4 夏季和冬季工况地源热泵示意图 地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地热能换热系统、热泵机组和 室内采暖空调末端系统。图1 5 为地源热泵系统的工作原理图。 第l 章绪论 图1 5 地源热泵系统夏季工况流程图 在制冷工况时，空调房间的冷负荷连同压缩机功耗所转化的热量被排入大 地。室外埋管换热器l 与换热器2 ( 此时在热泵机组中起冷凝器的作用) 之间通 过管道连接成一个封闭的回路，在循环水泵7 的作用下，水在回路中往复循环， 在换热器2 中吸收制冷剂的热量，通过室外埋管换热器1 传入大地：在供热工况 时，从压缩机5 出来的制冷剂经换向阀8 作用换向，此时换热器2 转换成为热泵机 组的蒸发器，循环水流经室外埋管换热器1 时吸收大地中的热量，在换热器2 中 释放给制冷剂。在室内侧，同样既可以通过水的循环进行热量传递，也可以使 制冷剂直接流经房间换熟器6 与空气进行热交换。 地源热泵按照室外换热方式不同可分为三类：地下埋管系统；地下水系统； 地表水系统，本文主要讨论的是采用地下埋管换热器的地源热泵。 根据循环流体是否为密闭系统，地源热泵又可分为闭环和开环系统。闭环 系统采用地下埋管方式( 垂直埋管或水平埋管) 或地表水安置换热器方式等。开 环系统采取抽取地下水或地表水方式。此外，还有一种“直接膨胀式”，它不象 上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器( 蒸 发器) 埋入地下进行换热。 1 3 2 埋地换热器系统【l o 】【1 1 】 地源热泵与传统的空气源热泵系统相比，主要区别就在于室外埋地换热器 系统。埋地换热器的埋管形式主要有两种；垂直埋管和水平埋管。由于受地域 面积限制和地表面温度波动的影响，水平埋管换热器性能不及垂直埋管。目前 第1 章绪论 地源热泵系统主要采用垂直埋管换热器。 垂直埋管换热器根据埋管深度分为浅层( l o o m ) 三类；根据埋管形式不同，分为套管式、u 型管式等几种形式。套 管式换热器的外管直径一般为1 0 0 2 0 0 m m ，内管管径为1 5 2 5 m m 。由于增大 了埋管外壁与土壤的换热面积，因此其单位埋管管长的换热量高，换热效率优 于u 型埋管。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比u 型 埋管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深 度9 0 m 的垂直埋管。目前应用较多的是u 型埋管换热器。u 型埋管换热器是在钻 孔的管井内安装u 型管，一般钻井孔直径为1 0 0 1 5 0 m m ，井深l o 2 0 0 m ，u 型 管径一般在5 0 m m 以下，主要是因为管内流量不宜过大。其施工简单，换热性 能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏。有工程应用【1 2 l 把u 型埋管捆扎在桩基 的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面。根据建筑物大小和建筑物冷热 负荷大小，埋地换热器系统中的钻井孔的数目，少则一个，多则上百个，乃至 更多。每个钻井孔与其它的钻井孔的间距根据热泵系统的运行规律和土壤特性 来决定，一般为3 m , - - 4 5 m 。图1 6 为一个埋地换热器系统的埋管示意图。 图1 6 埋地挟热器系统的埋管示意图 1 3 3 地源热泵应用形式 4 1 地源热泵的应用形式从建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热 量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。 1 3 3 1 家用系统 第1 章绪论 用户使用自己安装的地源热泵系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅 等户式空调，如图1 7 。 图1 7 家庭住宅或别墅地源热泵系统 1 3 3 2 集中系统 热泵布置在集中机房内，冷热量由热泵机组集中产生，再通过风道或水路 分配系统送到各房间，见图1 8 。 图1 8 集中式地源热泵系统 1 3 3 3 分散系统 用集中水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用 各自的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统适用 于需要单独热计量要求的用户。 1 3 3 4 混合系统 将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散 第l 章绪论 系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。 为了保证向土壤散热和取热平衡，在冷负荷大热负荷低的南方地区，夏季 可联合使用地热源和冷却塔进行空调，冬季只使用地热源供热。而在热负荷大 冷负荷低的北方地区，冬季可联合使用地热源和锅炉供热，夏季只使用地热源 进行空调。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。 1 3 4 地源热泵特点 地源热泵一般是将金属管或塑料管埋入地下，使盐水或乙二醇等管内循环 流体介质通过埋管和土壤进行热交换。由于地表浅层的温度一年四季相对稳定， 冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷 源。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率高许多，因此可以节 能，也可以大大节省运行费用。另外，地热能温度较为稳定的特性，使得热泵 机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。而目前使用广泛的 空气源热泵系统，在冬季供暖时会受到室外空气温度和湿度的制约，其供暖能 力往往与所需供暖负荷不匹配，常需要增加辅助热源。且在冬季空气源热泵的 蒸发盘管容易结霜，使系统的效率降低，还需要融霜能耗。与空气源系统相比， 地源热泵系统具备以下几个优点： 地源热泵同空气源热泵相比1 1 3 】【1 4 】，有许多优点： 1 ) 土壤年温度波动小且相对稳定，一般认为，5 m 以下的土壤温度是不随大 气温度变化而变化的，基本保持恒定温度。因此其温度在夏季低于大气温度， 冬季高于大气温度，理论上可以大大提高机组的效率。 2 ) 室外空气的状态参数随地区和季节的不同而变化，对空气源热泵的容量 和制热性能系数影响很大。当室外温度很低，要求供热量很大时，热泵供热量 与建筑物耗热量之间发生供需矛盾。室外温度愈低，热泵的制热性能系数就愈 低。当室外换热器表面温度低于空气露点温度，并且低于o 。c 时，空气中的水分 在换热器表面就会凝结成霜。致使空气源热泵的制热性能系数和可靠性都会降 低，土壤源则不存在这个问题。 3 ) 地源有较好的蓄能作用。夏季从室内释放到土壤中的热量，可以补偿冬 季从土壤取出的热量，使土壤基本达到吸、放热平衡。 4 ) 在室外空气温度处于极端情况时，对能源需求量处于高峰期，由于土壤 第1 章绪论 对地面空气温度波动有衰减和延迟作用，可以保证相对温度的供热和制冷能力， 而无需辅助热源和冷源，节能效果明显。 5 ) 埋地换热器系统埋入土壤中，不占用地面空间，且没有风扇能耗和噪音， 转动部件较少，运行可靠。 但地源热泵系统也存在不少缺点和不足，主要有以下几点： 1 ) 土壤导热性能对埋地换热器的换热能力影响很大。由于我国幅员辽阔， 土壤地质情况也十分复杂，很难得到同一规律。目前只能通过几种典型土壤类 型，对埋地换热器换热性能进行研究。 2 ) 连续运行时，土壤温度的变化会引起热泵的冷凝温度和蒸发温度发生波 动，导致运行工况不稳定。 3 ) 由于土壤导热系数较小，导致埋地换热器的换热量较小，已有的研究表 明，其持续换热率为2 0 - - 4 0 w m ，一般为2 5 w m ，其实际换热率随当地土壤成 分而定。 4 ) 由于埋地换热器换热率难确定且易波动，导致其管长估算困难。另外埋 地换热器设备的初投资较大。 5 ) 地下埋地换热器出现泄露时，难检修。 6 ) 空气源热泵可以在安装前可以调试检验，而地源热泵仅是在安装后才能 彻底的调试试验，评价方法不够准确。 综上所述，地源热泵技术能够在一定程度上可以缓解我国的能源压力，又可 以改善我国的能源结构，降低矿物燃料的使用量，增加可再生能源的份额，充 分发挥其节能和环保的优势。 1 4 地源热泵应用与研究现状 1 4 1 国外应用与研究现状【博h 1 9 】 地源热泵这个概念最早可以追溯到1 9 1 2 年瑞士的一份专利文件中。但直到 二战后，欧洲和美国才开始了研究利用地源热泵的第一次高潮，但当时石油等 能源价格低，且地源热泵系统应用并不十分成熟，因而未能得到推广。地源热 泵真正的商业应用也只有二、三十年的历史，特别是最近十几年，地源热泵系 统在北美和欧洲许多国家取得了较快的发展。虽然欧洲是世界上发展地源热泵 第1 章绪论 最成熟的地区，但是也曾走过一段弯路。当时，热泵专家不懂安装技术，安装 工人又不懂热泵原理。因此在一段时间的快速增长以后，市场充斥了许多不可 靠的产品，错误的安装，而在价格上也没有按预期下降，这也导致了8 0 年代末 热泵市场的全面崩溃，仅有少数几个企业幸存下来。随着科技的进步，关于能 源消耗和环境污染的法律制订的越来越严格，她源热泵的发展迎来了另一次高 潮。一些国家组织了专门的机构来帮助用户、安装者和生产厂家，这些组织包 括“欧洲热泵协会”与“d a c h ”( 由德国、奥地利和瑞士等国专家组成的协会) 等。同时，一些大的生产厂家开始为设计地源热泵编写软件，尤其是地下换热 器部分。现有的软件有：e e d 、g c h p c a l e 、g l d e s i g n 、g l h e p r o 和g s 2 0 0 0 等。 现在地源热泵有微机控制，自动化程度高；机组设计、安装简单方便，而且安 全，周期短：系统运行稳定，效率高，无污染。这些地源热泵主要应用在新建 房屋，系统末端可以采用地板辐射采暖。在欧洲各国的地源热泵发展是不平衡 的，2 0 0 1 年，地源热泵欧洲七国的总销售量大约3 9 3 5 0 台，但其中瑞典就销售了 2 7 0 0 0 台，奥地利为4 8 0 0 台，德国为3 6 0 0 台，瑞士为2 8 0 0 台，法国为8 5 0 台，而 在英国和丹麦只销售了1 5 0 台。可以说除了瑞典和其他几个北欧国家，地源热泵 在欧洲的市场渗透还是比较缓慢的。美国的地源热泵主要是在水源热泵的基础 上发展起来的，早在2 0 世纪5 0 年代，水源热泵就已经应用于南佛罗里达的居民 住宅。2 0 世纪6 0 年代，“水环路热泵”开始在美国西海岸出现，并迅速在美国东 海岸和北美其他地区传开。“水环路热泵”能满足建筑物不同区域的不同空间用 途，它通过水环路与中央水泵站和地热源连接起来，然后应用于建筑物不同区 域的分开式热泵系统，它也能与冷却塔和锅炉联合使用来保证水源热泵的进水 温度在合理的范围内。2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，地源热泵在原来水源热泵的 基础上得到发展。通过改进，水源热泵的进水温度范围扩大，使得闭式环路埋 地换热器成为可能。正是这种广泛的应用促使了美国地源热泵产业在近几十年 能够快速增长，现在美国所安装的地源热泵主要是闭式环路系统。至f j l 9 8 5 年全 美国共有1 4 ，0 0 0 台地源热泵，而1 9 9 7 年就安装了4 5 ，0 0 0 台，1 9 9 9 年已经达到了 4 0 0 ，0 0 0 台，而且每年以1 0 的速度稳步增长。1 9 9 8 年美国商业建筑中地源热 泵系统已占空调总保有量的1 9 ，其中有新建筑中占3 0 。美国地源热泵工业 己经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组 成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推 广工作。美国计划从2 0 0 1 年后达到每年安装4 0 万台地源热泵的目标，届时将降 第1 章绪论 低温室气体排放l 百万吨，相当于减少5 0 万辆汽车的污染物排放或种植树1 百万 英亩，年节约能源费用达4 2 亿美元。此后，每年节约能源费用再增加1 7 亿美 元。 尽管h z o e l l y 早在1 9 1 2 年就提出了地源热泵应用的思想，但大规模的研究直 n - - 战结束以后，才在欧洲和北美兴起。那段时期提出了许多关于埋地换热器 传热方面的基础性理论：1 9 4 8 年l r i n g e r s o l l 和h j p l a s s 把埋地换热器单管在土 壤的传热问题简化为线热源在半无限大介质中传热问题，并得到分析解，计算 结果对于使用小管径埋管长时问运行的热泵系统符合良好。1 9 5 9 年h s c a r s l a w 和j c j a e g e r 改进了线热源理论，提出圆柱源理论，这种理论考虑了了钻井孔的 几何尺度，对大管径埋管和短时间运行的地源系统也适用。这些基础性研究同 时还提供了大量的实验测试数据，为后来的研究提供了实验验证的基础。但这 段时期研究高潮持续至l j 2 0 世纪5 0 年代末期就由于地源热泵的初投资较高和当时 的能源低廉等诸多因素渐渐偃旗息鼓【2 0 1 。 1 9 7 3 年在欧美等国开始的“能源危机”重新促使世界各国对土壤源热泵研 究的兴趣和需求，特别是北欧和美国【2 1 1 。欧洲先后召开了5 次大型的土壤源热泵 的专题国际学术会议。瑞典在短短的几年中共安装了地源热泵装置1 0 0 0 多套。 美国也在能源部( d o e ) 的直接资助下由一些国家实验室和大学等研究机构开 展了大规模的研究，为地源热泵的推广起到了重要的作用。这一时期的主要工 作是对埋地换热器的地下换热过程进行研究，建立相应的数学模型并进行数值 仿真。 进入2 0 世纪9 0 年代，国外对埋管换热器的研究热点依然集中在换热器的换 热机理、强化换热及热泵机组与换热器匹配和安装布置技术等方面。与前段时 间研究的传熟模型不同，研究者更多地是关注系统之间相互耦合的传热、传质， 以便更好地模拟埋管换热器的真实换热情况，用于实际应用；同时开始研究采 用热物性更好的回填材料，以强化埋管在土壤中的传热过程，进一步降低埋管 的初投资；为了更好的优化系统，开始研究有关埋管换热器与热泵装置的最佳 匹配参数。有关埋管换热器的传热强化、地源热泵系统仿真及最佳匹配参数的 研究都是地源热泵发展的核心技术课题，也是涉及多个基础学科领域具有挑战 性的研究工作【2 2 1 1 2 3 1 。 1 4 2 国内应用与研究现状 第1 章绪论 我国对于地源热泵系统的研究与应用起步较晚，但近年发展迅速。早在5 0 年代，我国就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷。目前， 国内的清华大学、天津大学、重庆大学、天津商学院、山东建工学院、中国科 学院广州能源研究所以及同济大学等多家大学和研究机构都在对地源热泵进行 研究。其中清华大学的研究已经形成产业化的成果，已建成多个示范工程，位 于北京朝阳区的地源热泵示范项目已经在2 0 0 1 年建成。而且国内市场也被国外 看好，自2 0 世纪8 0 年代起美国已有代表团到国内介绍地源热泵技术及其应用。 美国能源部和中国科技部于1 9 9 7 年1 1 月签署了中美能源效率及可再生能源合作 议定书，其中一项主要内容就是地源热泵，该项目拟在中国的北京、杭州和广 州三个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商住建筑或工业建筑，中方将建 设、运作及维护三个示范工程，美国将提供技术经济及市场信息，从而达到缓 解我国对煤炭和石油的依赖程度和能源资源多元化的目的。不过作为一项新技 术，在推广过程中不可避免会出现很多问题。首先如果采用地下水源热泵，则 必须要考虑国家的政策法规以及我国目前地下水源的情况；如果采用地表水源 热泵，则必须考虑水温是否在进水温度的范围内，季节性水温、水位的变化以 及地表水的质量；如果使用土壤源热泵，则需要考虑埋地换热器的埋管形式及 其初投资的问题。其次我国有关地源热泵的现成技术资料不过，缺乏这方面的 设计、生产、安装和维护人员，而且生产相关设备的厂家很少，产品的规格型 号也较少，难以满足工程用户的需要。同时国家还没有出台有关的国家标准， 也没有检测制度。这些都导致了用户对我国地源热泵的质量和性能持观望甚至 怀疑的态度。总的说来我国地源热泵技术推广过程是艰巨、任重道远的刚。 从已有的文献报道来看，国内最早的研究开始于1 9 8 9 年当时山东青岛建筑 工程学院在国内建立了第一台地源热泵系统的试验台，开始主要从事水平埋管 的研究工作。后又完成了垂直埋管换热器的研究工作 2 5 h 2 s l 。 天津商学院几乎在同一时间开始了地源热泵系统的研究，高祖锟f 2 9 】等人在 结合国外有关的研究数据的基础上，重点对螺旋盘管埋地换热器作了研究。 华中理工大学从9 0 年代开始，在国家自然科学基金的资助下，对水平单管 换热进行了研究，后来又对地下浅层井水用于夏季供冷和冬季采暖进行了研究 1 3 0 1 。 湖南大学李元旦等提出蓄热水箱式土壤源热泵系统的概念，并对其夏季工 况下传热特性进行了研究【】。 第1 章绪论 重庆大学的刘宪英等在国家自然科学基金的资助下，采用能量平衡法，结 合v c m e ! - - - 维瞬态传热模型，建立了浅埋竖直管换热器传热模型，并对其采暖 和供冷特性进行了研科3 2 h 婀。 山东建工学院方肇洪、刁乃仁、曾和义等针对单u 型埋管换热器，提出准三 维理论求解模型。并根据该模型开发了用于单u 型管的地热换热器设计和模拟计 算软件“地热之星”并分析了土壤冻结和防冻液的选择对埋地换热器的传热 影响【3 7 h 4 。 同济大学在1 9 9 9 年得到美国联合技术公司( u t c ) 资助下建立了多功能地 源热泵系统的综合性能实验装置。对我国华北地区的代表性土壤及不同比例的 沙、土混合物，在不同的含水率、不同密度条件下的导热性能进行了大量实验， 并对上海地区地源热泵夏( 冬) 季的启动工况作了研究1 4 2 1 4 3 1 。 此外天津大学1 4 4 1 对浅层桩埋换热器和u 型管换热器做了短期连续运行测试 实验。河北建筑科技学院进行了深度1 2 0 m 的两根u 型管冬夏季工况下的地源热泵 系统运行特性的研究【4 5 】。 i 5 本文研究主要内容 本文在前人研究的基础上，着重研究地源热泵系统u 型埋管换热器在土壤 中长期连续运行工况下的传热规律及系统的经济性评价。 主要的研究内容有： 1 ) 综述国内外埋地换热器的传热理论，并据此对单个u 型埋管钻井孔传热 过程进行研究，对钻井孔外采用了一维( 径向) 线源瞬态传热模型和对钻井孔 内采用深度方向上的一维传热和水平面上的二维传热来描述u 型埋管换热器的 三维传热过程。 2 ) 利用有限元方法，建立沿深度方向和径向的二维模型对埋地换热器在土 壤中传热过程进行计算，得到埋管换热器传热量及附近土壤温度场的变化规律， 并分析了不同埋管深度、u 型埋管进口水温和流速、土壤热物性和u 型埋管两 支管中心间距等因素对u 型埋管换热器传热量的影响。 3 1 根据某实际工程对地源热泵系统与几种常规集中式空调系统进行了经济 性评价，采用价值工程分析法，选取经济性、技术使用特性和社会效益等重要 方面作为功能评价对象，对各系统的功能系数和成本系数进行计算，最后得到 第1 章绪论 各自的价值系数，以此来综合评价各空调系统方案的经济性。 第2 章埋地换热器传热的理论研究 第2 章埋地换热器传热的理论研究 地源热泵技术能否被广泛的推广应用，很大程度上取决于精确、可靠的系 统设计方法和计算工具的有效性。因此，完善地下埋地换热器的传热模型，使 其更好的模拟地下埋地换热器的真实传热过程，以及确定最佳埋地换热器的尺 寸是发展和推广地源热泵系统的关键内容。 2 1 埋地换热器传热模型的综述 地下埋管换热器的传热模型有稳态的、瞬态的；对于瞬态模型又分为一维 的、二维的、三维的；从计算方法上又可分为解析法、集总参数法、有限差分 法、有限元法。这些模型主要是建立在k e l v i n ( 1 8 8 2 ) 线源理论、c a r s l a w 和j a e g e r ( 1 9 4 7 ) 提出的柱源理论或i n g e r s o l l 等( 1 9 5 4 ) 对其进行的改进理论、以及能量平衡的 基础上。以下主要从模型的三种计算方法理论：解析理论解法、数值分析解法 以及结合解析法和数值法的混合解法，对国外有关地源热泵系统垂直地下埋管 换热器传热模型的研究进展作一综述。解析法模型主要包括线源理论和柱源理 论；数值法有有限差分法、有限元和有限容积法；混合解法则两者兼有。 2 1 1h a r t 和c o v | ii o n 模型脚l 一线源解析理论 h a r t 和c o u v i l l i o n ( 1 9 8 6 ) 以k e l v i n 线源理论为基础，建立了线热源到周围土壤 随时问变化的温度分布传热模型。并且定义了远边界半径k ，在远边界半径k 以 外的土壤温度是不受干扰的，且保持不变。对于多个钻井孔，若k 小于钻井孔间 距，可认为钻井孔间没有热干扰；若k 大于钻井孔间距，使用叠加原理考虑钻井 孔间的热干扰。通过该模型可直接求解出热泵的进液温度，使用能量分析的月 b i n 方法计算季节性能系数和能耗。该模型是有限长线热源在半无限大介质中的 换热，考虑了地表面的影响；考虑了多个钻井孔之间的热干扰，并定义埋管间 热干扰系数；考虑多重水文地质层的影响，而没有考虑热泵机组的间歇运行工 况；没有考虑管内的对流换热热阻；没有考虑回填材料的热影响。 该理论的数学模型为： 第2 章埋地换熟器传热的理论研究 埋管周围土壤的温度分布为： 卜l 2 丽q 皂等d 】 ( 2 1 ) 也可以近似表达为： t 母击( 1 岫z 一喜等 ， 其中：j c 2 去 式中，i l 半径r 处t 时刻的土壤温度，；t ，一土壤远端的初始温度，； r 矿一埋管外半径，m ；鼢土壤的导温系数，m 2 s ：k 一土壤的导热系数，w ( m ) ； 卜欧拉常数，7 = o 5 7 7 2 。 定义远边界半径为： k = 4 面( 2 3 ) 带入式中得： t 母去( b 争_ 0 9 8 1 8 + 4 ：e r 2 一志( 针“( ：- 1 ) 州lf 4 r 2 ) ) 、i 变换上式，得到管内流体和土壤得近似热传导方程为： t f l = q ( 2 5 ) 式中，q 一表示热流量( 向土壤放热为正，从土壤取热为负) ，w ：l s _ 一单 管换热器的长度，m ；k 一第j 层土壤中管长周围的土壤热阻，( m ) w ； ( l 。l 。) j 一多管系统在第j 层土壤中的长度因子( 即管间的干扰系数) ；t r 埋管 换热器中流体的平均温度，；肆一埋管管壁热阻，( m ) w ；d o _ 埋管外径， m ld 广一埋管内径，m 。 其中：r 。= = 去b ( 刳 第2 章埋地换热器传热的理论研究 对热泵的当量长度因子，即管问的干扰系数为： ( 苦1 = ( 苦r = ( 导l ( 昔e 式中，( 剀皿表示对埋管换热器的当量长度因子； 一+ 苌 l l s j m s d h , u l i i 蔓一0 9 8 1 8 r 式中，s d 。一表示第k 根管和其他所有p 根管的距离； ( 斟l 一表示对地温的当量长度因子；