（制冷及低温工程专业论文）地源热泵空调系统数据采集与可持续运行的研究.pdf

摘要 摘要 最近十年以来，地源热泵项目由于其自身的优越性和国家政策的支持在中国发展迅速，无论是采用地 源热泵项目数量还是项目的规模都有很大的提高。在学术研究方面，也从最早研究无限k 线热源模型剑有 限长线热源模型和圆柱热源模型，从研究钻孔壁温度和地下温度场的解析解剑数值解，从一维模型到准三 维模型，从研究单钻孔的问题到研究多钻孔耦合的问题。但是有关地埋管换热器换热管群的温度场模型及 其j f ：样验证、地源热泵空调系统的整体模型、系统的优化运行等方面的研究还不完善，这在很大程度上增 加了地源热泵系统长期运行的不确定性。 本文首先建立地源热泵空调系统的负荷模型，通过太阳运行的规律，得出在理想天气状况下的太阳辐 射模型，通过太阳辐射模型可以得出理想天气下系统的得热。再由实际的天气参数得出实际天气状况下系 统的得热。由于缺乏气象部门的关键数据，无法完成各种天气状况下的系统得热而建立系统的全年小时负 荷模型，在这一部分的最后根据气象统计参数提出了随机气象模型的概念，所以这一部分主要是对以后研 究全年负荷模犁及其验证做了理论铺垫。通过分析建立系统模型，得出冷负荷和系统状态以及地卜散热量 的关系，得出监控系统需要监控的关键参数，这为后续建立系统的监控系统提供理论依据。 在分析换热管群的地下温度场时，首先利用有限长线热源模犁建立单钻孔传热模型，并与传统无限长 线热源模型比较，最后通过l a b v i e w 编程获得单钻孔换热器的周同温度场和钻孔壁温度等参数，并给出了 周期热流条件下地下温度场及钻孔比温度的计算公式，同样通过编程获得周期热流条件下的地下温度场及 钻孔壁温度的变化情况。然后通过线热源模型和迭加原理建立地埋管换热管群的温度场模型。根据钻孔的 排列方式的规律，提出了管群钻孔之间位置定位模型，这位编程计算提供了很大的方便。最后通过l a b v i e w 编程计算得出计算区域的温度场分布。本文开发了基于有限长线热源有限长线热源模犁工程应用软件，可 以计算单钻孔恒定热流及周期热流条件下的温度场以及换热管群的温度场，为十壤源地源热泵的设计和分 析提供了分析工具。通过l a b v i e w 的人性化界面，使编制的应用软件拥有人性化的界面与显示性能。编制 的软件也可以将计算的数据输出到e x c e l 表格，便于量化分析。 为了便于验证空调模型和地卜- 温度场模型，对南京某高档小区的地源热泵系统建立了数据采集与监控 系统，通过采集的系统温度、环境温湿度、热泵状态、水泵状态、系统流量、地下温度场来获得系统的瞬 时负荷和能耗以及往地卜的排热量。在建立监控系统的同时，也为用户提供丰富的界面，其中包括系统实 时状态查询、新风机组实时状态查询、热泵机组实时状态查询、地温场温度实时查询。最后通过s q l 数据 库存储采集数据，实现历史数据查看等功能。 最后讨论了地源热泵可持续运行的影响因素，分析了常年地埋管散热器散热和去热不平衡对地下温度 场的影响。根据采集的数据分析冷却塔辅助散热的节能潜力。针对本论文研究的地板送风天棚辐射空调系 统，提出了运行策略对系统性能的影响。 关键词：地源热泵地埋管换热器线热源模型数据采集 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) h a saq u i c kd e v e l o p m e n tf o ri t so w na d v a n t a g e sa n dt h er e l a t i v e s u p p o r tf r o mt h el o c a lg o v e r n m e n t t h en u m b e ro ft h ep r o j e c ti n c r e a s e sal o th a n d e d1 ) l ，i t ht h el a r g e rs c a l e i nt h e a c a d e m i cf i e l d ，t h ed e v e l o p m e n tc a nb es e e nf r o mt h ei n f i n i t el i n e a rh e a ts o u r c em o d e lt ot h ef i n i t el i n e a lh e a ts o u r c e m o d e l ，f r o mt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o nt ot h en u m e r i c a ls o l u t i o n , f r o mt h eo n ed i m e n s i o n a lm o d e lt ot h eq u a s i t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ，f r o mt h er e s e a r c h e so ft h et e m p e r a t u r ef i e l dt h a tf o c u so nt h es i n g l eb o r e h o l et or e s e a r c h e s t h a tf o c u so nt h em u l t i p l ec o u p l e db o r e h o l e s b u tw h e ni tt a l k st ot h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ew h o l eu n d e r g r o u n dh e a t e x c h a n g e r sa n di t sv e r i f i c a t i o nb yt h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t ，i t sn o tv e r yp e r f e c tn o w a n di ta l s oi n c r e a s e st h eu n c e r t a i n t y o ft h ep e r f o r m a n c eo fg s h ps y s t e mf r o mt h ev i e wo fl o n gt e r mr u n n i n g 1 1 l ew h o l eg s h ps y s t e mm o d e li sb u i l ta tf l r s t a n dt h eh e a tg a i no ft h es y s t e mu n d e ri d e a lw e a t h e rc o n d i t i o nc a n b ec a l c u l a t e db yt h es o l a rr a d i a n tm o d e lw h i c hi sb u i l tu n d e rt h em o t i o nl a wo ft h es u n a tl a s t ，t h er e a lh e a tg a i no ft h e s y s t e mv a r i e dw i t hd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n sc a na l s ob e c a nb ec a l c u l a t e di ft h e r ea r en e e d e dw e a t h e rd a t af r o mt h e m e t e o r o l o g i c a ld e p a r t m e n t b e c a u s et h el a c ko ft h e s ek e yd a t af r o mt h em e t e o r o l o g i c a ld e p a r t m e n t ，t h ew h o l ey e a rh e a t g a i nc a n n o tb eg i v e n s ot h i ss e c t i o na i m st ob eab a s i sf o rt h el a t e rr e s e a r c h t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o o l i n gl o a da n d t h eh e a tw ed i s c h a r g et ot h es o i li ns u i n n l e rc a nb eg i v e nb yb u i l d i n gt h em o d e lo ft h ew h o l eh v a cs y s t e m a n dt h e k e yp a r a m e t e ro ft h es y s t e mt h a tn e e d st ob em o n i t o r e dc a na l s ob ef o u n do u tb yt h i sm o d e l t h i ss e c t i o ni sa l s os e r v e d a sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e v e l o p i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h ef m i t el i n eh e a ts o b r c et h e o r yi su s e dt ob u i l dt h em o d e lo fs i n g l eb o r e h o l eh e a te x c h a n g e ra n dt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ei n f i n i t el i n eh e a ts o u r c em o d e la n dt h ef i n i t el i n es o u r c eh e a tm o d e li sa l s od i s c u s s e d t h et e m p e r a t u r ef i e l d o f t h es i n g l eb o r e h o l eh e a te x c h a n g e ra n dt h ew a l lt e m p e r a t u r eo f t h eb o r e h o l ea r ep r e s e n t e db yap r o g r a md e v e l o p e db y l a b v i e w t h e nt h ec o u p l e dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h em u l t i p l eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r si sc a l c u l a t e db yt h et h e o r i e s o ff i n i t el i n eh e a rs o u r c em o d e la n dt h es u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e t h er e l a t i v es o f t w a r et oc a l c u l a t e t h ec o u p l e d t e m p e r a t u r ef i e l do ft h em u l t i p l eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r si sa l s od e v e l o p e d b yb u i l d i n gp o s i t i o n i n gm o d e lw h i c hi s u s e dt oc a l c u l a t et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h em u l t i p l eb o r e h o l e s t h es o f t w a r ec a na l s op r e s e n tap e r f e c ti n t e r f a c eu t i l i z i n g t h ea d v a n t a g e so fl a b v i e w t h ef i n a lf i e l dt e m p e r a t u r ed a t ac a l la l s oe x p o r tt ot h ee x c e lf i l ef o rt h ec o n v e n i e n c eo f e x t e r n a la n a l y s i s i no r d e rt ov e r i f y i n gt h es y s t e mm o d e la n dt h eu n d e r g r o u n df i e l dt e m p e r a t u r em o d e l ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n d s y s t e mc o n t r o lm o d e li sb u i l tf o rad i s t r i c ta p p l i e dg s h ps y s t e mw h i c hi sl o c a t e di nn a n j i n g t h i ss y s t e mi su s e dt o m o n i t o rt h es y s t e ms t a t u sa n dt h er e q u i r e dd a t at oa n a l y z et h ec o o l i n gl o a d h e a t i n gl o a da n dt h eh e a tw es t o r a g ei n s u m m e ra n dw ef e t c hi nw i n t e rf r o mt h es o i l t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a na l s op r o v i d eap e r f , c th u m a ni n t e r f a c et o r e a dt h es t a t u so ft h ew h o l ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dc o n t r o lt h ed e v i c e s ，s u c ha sw a t e rp u m p s ，a i rh a n d l i n gu n i t a n d t h ea c q u i r e dd a t ai ss t o r i e db ys q ls e r v e rf o r t h ec o n v e n i e n c eo fr e v i e w i n gh i s t o r yd a t a a tl a s t t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h el o n gt i m er u n n i n go ft h eg s h ps y s t e ma r ed i s c u s s e d t h ee 艉c to ft h e i m b a l a n c eo ft h eh e a tb e t w e e nt h a ts t o r a g ei ns u m m e ra n df e t c hi nw i n t e ro nt h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l di s a l s od i s c u s s e d t h ee n e r g ys a v i n gp o t e n t i a lo ft h ec o o l i n gt o w e rt h a ts e r v e sa sa na u x i l i a r ys o l u t i o ni sa n a l y z e db y t h ea c q u i r i n gd a t a 1 1 1 ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n to p e r a t i o ns t r a t e g i e so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sa l s o a n a l y z e da tt h ee n 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 ，g r o u n d - c o u p l e dh e a te x c h a n g e r , l i n eh e a ts o u r c em o d e l ，d a t aa c q u i s i t i o n i i 主要符号表 主要符号表 热扩散率，m 2 s q 流体比热，1 0 ( k g ) d ，一7 型管内径，m 吒钻孔直径，m h 钻孔深度，m q 热泵机组的制冷量，k w 尺，管内对流换热热阻，( m c ) w 民管外壁至孔洞肇间同填物的热阻，( m c ) iw 连续脉冲负荷引起的附加热阻，( m - 。c ) w 埋地换热器流体进口温度， 疋土壤的初始温度， 机组进口流体最高限温度， 瓦钻孔壁温度， 希腊字母 0 - i ，型管管壁导热系数，w ( m ) 以土壤导热系数，w ( m 1 以十壤密度，k g m 3 秒过余温度， g 埋地换热器效能 f 时间。s 月 。s 土壤比热，k j ( k g ) d 。管子的当量直径，m d 。_ i7 型管外径，m d i 型管两支管中心间距，m 压缩机输入功率，k w q c 热泵机组的制热量，k w r p 管壁导热热阻，( m c ) w r e 雷诺数 足土壤传热热阻，( m c ) w ”埋地换热器流体出口温度， 弓埋地换热器流体平均温度， 瓦i i i 机组进口流体最低限温度， c 机组制冷运行份额 以管内回填物导热系数，w l ( m ) 0 1 流体导热系数，w ( m ) p l 流体密度，k g m 3 缈无量纲温度， 占- 埋管换热器效能 名远端半径。m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 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了谢意。 研究生签名：撇日期：华 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名 导师签名瞄日 期： 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 第一章绪论 目前在全世界范围内，一次能源越米越紧张。2 0 0 7 年中国的一次能源消耗量为1 2 7 3 亿吨标准煤。 当前，建筑能耗约占我国社会总能耗的2 8 。据建设部测算，2 0 2 0 年至2 0 3 0 年左右，我国建筑能耗将 占总能耗的3 0 到4 0 ，建筑能耗已成为构成我国能源消费的很人一部分，建筑= 节能成为当前急需研究 的领域。建筑能耗中用于空调系统的部分( 主要为采暖、空调、通风) 约r l i 了2 3 ，有重人建筑：肖能潜 力。在目前研究的各种空调系统中地源热泵无疑具有很人的优势。地源热泵在设计、1 ：程施：口i 连续运 行中存在一些缺点和不足。怎么样使地源热泵和传统暖通系统结合起米，使地源热泵长期可持续的运行 是地源热泵空调系统的关键问题。 当前，我国地源热泵t 程的应用已经经过了起步阶段进入了发展普及阶段。据文章i i 】的调杏与统计， 我国从2 0 0 5 年开始进入地源热泵的高速发展的时期。这与国家政策的扶持、世界和中国能源与环境的现 状以及地源热泵空调系统自身的优越性是分不开的。地源热泵在我国长三角地区及其他同纬度中部省份 也有较多的应用，这一地区属丁夏热冬冷地区，显著的气候特点是冬季最冷月平均气温为0 1 0 ，夏季 最热月平均温度高于3 0 。并且夏季存空气潮湿，冬天空气比较干燥。冈此在这一地区的空调系统既要 考虑夏季制冷、除湿的问题，义得兼顾冬季的制热问题。因此在这一地区如何将地源热泵与空调末端系 统的优化组合也是在这一地区实现节能的关键。在2 0 0 6 年5 月年到2 0 0 8 年5 月两年间，就有很多新的 大型地源热泵项目正在施t 建设当中，如武汉南车集团新t 厂、南京朗诗国际街区二期及三期工程、南 京曼莱克斯工厂厂房、南京国土局、苏州朗诗国际街区、无锡朗诗未来之家等。上述工程都进行了前期 地埋管换热器散热性能的热响应测试，获得了地埋管热响应测试的当前流行的地埋管施工工艺、当地的 岩土特点和换热器性能的数据。 到目前为止在地源热泵地埋管换热器的研究当中出现了很多论文和小范围的试验，但是这些论文和 试验都基本上都是关于地埋管单管换热器的换热性能及参数的模拟和实验验证。对于大型地源热泵项目， 地源热泵系统服务的建筑面积超过5 0 ，0 0 0 平方米的大型系统，地源热泵的综合性能及连续运行的分析 却很少有人能做过。可以说，大型地源热泵工程的可持续运行的问题无论在中国还是在国外都还正处于 探索阶段。对已经运行的地源热泵工程来说，目前有所了解的如南京某高档小区一期项目，其地源热泵 系统已经连续运行3 年多的时间，在这期间获得了宝贵的经验。对这些经验加以总结，指导后期的运行， 以及其他较大型地源热泵工程的设计、施_ t 建设、后期运行都有非常重大的社会、经济效益与现实的指 导意义。 论文研究的模拟研究以南京某高档小区的地源热泵系统作为比较，该项目的暖通系统的总投资超过 6 亿元，其中很大一部分的投资都用在地源热泵地埋管换热器的施工建设中。对我们分析该项目地源热 泵系统性能和评估其可持续运行的关键是，建立了整套暖通系统一个数据采集与监控系统。利用数据采 集与监控系统记录系统的流量和温度、地温场的流量温度、机组和水泵的启停、新风机组的状态等以保 证整个系统的实时状态都在控制当中，并利用监控的数据对系统的运行状态进行在线评估。因此，在大 型的地源热泵系统的实时监控和历史数据记录对分析整个系统性能起到关键的作用，所以说整个暖通系 统的数据采集与监控部分是地源热泵系统的重要组成部分。 1 2 地源热泵系统概述 地源热泵空调系统和传统的空调系统一样，分为空调末端，空调冷热水机组( 热泵) 、输送系统以及 冷热源。夏季空调冷冻水在空调末端和冷热水机组( 热泵) 之间循环，连续的将冷热水机组( 热泵) 产 生的冷量输送到空调末端。冷却水系统在冷热水机组( 热泵) 和冷源之间循环，将空调末端的负荷转移 到冷源中。冬季热泵通过热源和热泵之间的输送系统从热源取热，通过热泵机组提升热的品质后，在通 1 东南大学硕l 学位论文 过热泵和末端之间的输送系统送往末端。具体见图1 1 。 空调末端 新风机组 图1 1 地源热泵系统原理图 地源热泵空调系统和传统空调系统的区别就是在夏季充当冷源和冬季充当热源的是地下十壤( 十壤 源热泵1 、地表水( 地表水水源热泵) 、或者地下水( 地下水水源热泵) 。而传统空调系统，一般是夏季通 过冷冻水循环将末端的热负荷转移到机组，在通过冷却水循环将热负荷转移到人气。冬季则根据不同的 情况有不同的形式，如空气源热泵冬季的热源就是大气，或者是靠市政管网的蒸汽或热水、热水锅炉等 产生的热水直接或间接的输送到空调的末端。从上面的描述不难看出地源热泵的优点：和普通的空调系 统相比冬夏季采用一套系统，降低系统的复杂度和维护费用；提高设备的利用率，是设备的折旧损失减 小。和空气源热泵利片j 空气作为冷热源相比，地源热泵因为利用土壤、地下水或者地表水作为冷热源， 夏季+ 壤、地下水或者地表水作为冷源时，温度要比空气温度低；而冬季、地卜水或者地表水作为热源 时，其温度要比空气高。因此，在末端要求的温度相同的情况下，地源热泵明显要比空气源热泵的t 作 温差小。所以土壤源热泵要比空气源热泵的能效比高。此外冈为室外空气的波动比较大，空气源热泵的 效果就会产生很大的波动，在极低( 冬季) 或极高( 夏季) 天气情况下，空气源热泵的正常上作就会受 影响。而地源热泵所依赖的冷热源是土壤、地下水或者地表水，热容量相对比较大，且很少受外界干扰 影响，所以_ t 作状态会比较稳定。和空气源热泵相比，地源热泵的另一个优点就是冬季不需要除霜。这 就减少了冬季除霜所消耗的额外的能量。 地源热泵系统分为土壤源地源热泵、地下水地源热泵和地表水地源热泵。在以后的论文中，如果没 有特别说明，论文所说的地源热泵均为土壤源热泵。 土壤源热泵又被称为“地埋管地源热泵”、“地耦合地源热泵”、“闭路地源热泵”。土壤源热泵利用循 环工质通过地埋管和地下土壤发生热量的交换与转移，夏季将热量存储在土壤中，冬季则从十壤中取热， 我们称地埋管为地埋管换热器。地坪管换热器通常有垂直埋管换热器和水平埋管换热器两种。水平埋管 一般是在当地冻土层深度以下，在离地面约2 米左右挖设水平地沟。垂直埋管一般是通过打井将换热器 塑料管埋在竖直的井中，井深一般为2 0 米剑1 5 0 米，钻孔直径一般为1 0 0 到1 5 0 毫米。而地埋管换热器 通常为直径2 0 米到3 2 毫米的高密度聚酯乙烯。国内也有工程使用桩基埋管作为地脉管换热器，其施工 方法是将埋管埋在建筑的桩基中。在已知的桩基埋管中，桩基直径为7 0 0 毫米至8 0 0 毫米。总的来说， 水平埋管要比垂直埋管占用更多的土地面积，但是施工比较简单，初投资也较垂直埋管低。 地下水地源热泵一般都设有抽水井和回灌井。在抽水井抽取水经过换热后在通过水泵加压回灌到原 来的地下水层。地下水地源热泵有着和普通空调系统或者空气源热泵相比有着地源热泵一样的有点。 但是地下水水源热泵也有局限性，具体表现在，地下水地源热泵系统需要丰富和稳定的地下水这在很多 地区就不适用。另外地下水地源热泵抽水井抽取的水量和回灌井回灌的水量理论上应该是相等的才可以 实现地下水地源热泵的可持续运行。但是在实际使用过程中，回灌的速度往往小于抽取的速度，且回灌 会比较困难，这就会造成水资源的流失。如果采取开式系统，抽取的地下水直接进入热泵的蒸发器( 夏 季) 或冷凝器( 冬季) 中进行换热，换热后再回灌到地下。这样回灌的水很容易造成地卜水的污染，这 在长江流域是下不允许的，具体请参考文献i z j 。 地表水水源热泵利用江河湖泊的自然水体作为热泵系统的冷源( 夏季) 或者热源( 夏季) 。无疑，这 种热泵系统受到自然条件的限制是比较大的。另外，地表水受到空气温度的影响比较大，所以会有和空 气源热泵相似的情况，即夏季温度室外空气较高的时候，作为热泵系统冷源的地表水温度也相对比较高， 所以热泵的性能系数会降低。冬季的情况也很相似。但是水的比热明显要比空气大很多，所以这种空气 温度对地表水地源热泵空调系统的影响要远小于对空气源热泵空调系统的影响。水体所能承担的冷符合、 热负荷和水体的面积、深度等多种因素有关，需要根据具体的情况进行计算【3 】。一般来说，在自然水体 资源较丰富的地区，比如长江流域，采用这种形式的地源热泵有一定的经济效果。但是目前这种热泵对 湖底自然生态的影响还在研究阶段，这个问题也是有关专家所关心的问题。 2 第一章绪论 1 3 国内外研究、应用的现状 到目前为止对地源热泵的研究很多是集中在地源热泵单管换热器性能的研究，提出的理论模型从线 热源模型剑圆柱热源模型再到准三维模犁都是关于地源热泵单管换热器传热性能的。 有关地源热泵的研究无论在理论模型还是试验方面都有很长的历史。早在1 9 1 2 年瑞十人h z o e l l y 就提出了十壤源热泵应用的思想。地源热泵研究的第一轮高峰出现在战后的北美及欧洲。这一段时间建 立起了地源热泵的很多基础性的理论，1 9 4 8 年由i n g e r s o l l 在k e l v i n 线热源理论模犁的基础上提出了著 名的线热源单管换热器传热模型1 4 】。这一阶段也做了很多关于地源热泵单管换热器的传热试验，获得了 很多实验数据。第二轮地源热泵研究的高峰是2 0 世纪7 0 年代，主要是由丁当时的“能源危机”使人们 产生了对地源热泵的兴趣和需求。这一段时间内，地源热泵技术趋于成剃孓7 1 ，在欧洲也举行了多次人型 关于十壤源热泵的会议。美国的一些国家实验室和大学也在能源部的资助下展开了单管换热器的大规模 研究。这一段时期的研究主要集中在地埋管换热器地下换热过程的研究，通过解析解或者数值解得山单 管换热器地下温度场的分布。地源热泵在2 0 世纪9 0 年代进入了一个新的时期。这一段时间单管换热器 的研究主要体现在地埋管换热器的换热机理、强化传热效果。同时也对同填材料、管间距等影响单管换 热器效果的一些因素做了理论及试验研究。对于单管换热器长时间变热流条件的情况，e l i k s o n 6 1 首先提 出了长时间步长模型，结合了数值模拟和解析解，为计算变热流边界条什的情况开辟了新的道路。后米 y t v a n z m r k 等人在此基础上提出了短时间步长模型【8 】，用于研究变热流条件下的短时间温度时间响应。 最近短时间步长模型逐渐引了大家的兴趣，文献一j 提出了对短时间步长的改进方法。 对于地源热泵地下换热管群的研究以及地卜换热管群和系统的匹配问题在2 0 世纪9 0 年代的研究中 得到了充分的认识。国际地源热泵协会i g s h p a 协会提出了计算单管换热器周围换热器对单管换热器的 影响，主要通过热阻的概念将临近钻孔的热阻附加到钻孔的热阻上，计算著土壤的综合热，并给出了计 算公式i lo j 。国内的关于地下换热器换热管群的研究，天津大学张军教授及他的研究生曾做过类似的项目 分析了在长期定热流量情况下地埋管换热器的温度场【l ，并验证了地埋管换热器换热特性的数值解和解 析解。在计算地埋管周围钻孔的温度场耦合模型时，不得不提一下e s k i l s o n 模型，e s k i l s o n 首先提出了 解决耦合问题时温度场叠加的概念，主要是通过合理的假设与简化边界条件和初始条件，通过有限长线 热源理论模型求解温度场。对于多钻孔的情况，由于模型的微分方程是线性齐次的，所以具有可加性， 因此在原理上为温度场的叠加提供了依据。日本的多位学者在换热管群的温度场等问题做出探讨1 引。 早在上个世纪5 0 年代，我国就己经开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热泵的发展则比较缓 慢。自8 0 年代末，地源热泵技术的研究才日益受到人们的重视。国内最早开展地源热泵研究的是青岛建 工学院、天津商学院、天津大学等，初期的研究主要是关于系统性能方面的试验研究。9 0 年代末期。同 济大学、重庆建工学院、湖南大学，山东建筑工程学院等相继建立了水平埋管和竖直埋管换热器的地源 热泵的实验装置，热泵技术的研究进入了一个新的发展阶段。有关地源热泵理论方面的研究的内容主要 利2 j ：1 ) 地热换热器的传热模型研究；2 ) 地热换热器换热计算模拟研究；3 ) 水平埋管换热器夏季瞬态工况 数值模拟研究；4 ) 地热换热器合理间距的理论分析；5 ) 土壤冻结对地热换热器传热的影响研究；6 ) 地热换 热器间歇运行工况分析。在实验研究方面主要有：1 ) 水平埋管热泵系统冬夏季供冷供热试验：2 ) 竖直u 型管热泵系统冬夏季供冷供热试验；3 ) 垂直套管式地热换热器试验。还有就是在相关产品的开发及制造 标准的研究，包括水源热泵、水水热泵的批量生产。8 0 年代末，我国水冷式冷水机组开始应用，因此制 定了关于冷水机组的国家标准容积式冷水机组性能试验方法。9 0 年代以米，冷水机组和热泵机组发 展迅速，为了满足生产需要，冷水机组、活塞式冷水机组和容积式冷水机组以及制冷和空调 设备名义工况一般规定，我国制定了国标容积式冷水( 热泵) 机组。因此目前我国的热泵机组大多是 按照该标准执行的。9 0 年代末，地源热泵空调系统在国内开始得到了应用，热泵生产厂家也逐渐增多。 由于地源热泵在国内还是一项新技术，而且也缺乏地源热泵机组的相关生产标准，所以多数厂家仍然按 照容积式热泵机组的标准执行。实际上，地源热泵的运行工况与规定的名义工况相差很大，因此完 全按照国标规定的名义工况来选用和设计地源热泵机组可能会达不到要求。美国供热空调制冷工程师协 会针对不同的地源热泵机组规定了不同的名义上况和制造标准，分别适用于水环热泵、地下水源热泵和 3 东南人学硕t 学位论文 十壤源热泵。目前，我国还缺乏地源热泵机组的相关标准，不同厂家的产品规格型号、性能参数标注也 各不相同，这给设计人员的选型带来了一定的困难。因此急需对地源热泵系统的性能进行研究，为地源 热泵机组的生产和选型提供理论基础。还有就是开始了地下水源热泵和土壤源热泵的一r 程应用主要的内 容包括：1 ) 单位管长放热量的确定：2 ) 实验系统c o p 的确定；3 ) 埋管合理间距的确定。目前在人型的地 源热泵项目开始之前都要进行地埋管的散热试验，作为对士壤热物性、设计条件、施工方法的检验。 1 4 本文的研究内容 本文研究的内容主要包括以下儿个方面： ( 1 ) 利用有限长线热源模型建立单孔换热器及其周围温度场的模型，研究单孔换热器在恒定热流及周 期热流条件下温度场的变化。利用迭加原理建立地下换热管群的模型，建立任意管群温度场定位 模型，用来确定计算区域周罔钻孑l 的定位，编制地卜换热管群的地温场模拟软件。 ( 2 )建立暖通系统的综合模型。得出整个地源热泵空调系统各关键组成部分之间的关系，各部分参数 的改变对整个系统的影响，为后续的分析提供理论上的充分准备。通过采集的数据，得山建筑负 荷和室外温度的关系，并得出建筑负荷和系统的散热量或者取热量的关系。 ( 3 )通过实际t 程建立地源热泵空凋系统的数据采集系统。采集系统的关键数据，包括系统的温度、 流鼍；室外空气温湿度；热泵及水泵的启停；地卜温度场的实际变化情况。采集周期为1 0 分钟。 根据采集的系统的流量、温度以及室外温湿度、水泵的启停等，分析地下换热管群的负荷及变化 情况。 ( 4 ) 根据现有数据采集系统的数据分析已知条件下各种冈素对地埋管换热管群换热的影响，分析冷热 负荷不平衡的情况下地温场的温度累积问题，最后讨论在各种条件卜实现地源热泵的连续性运行 的问题，对地源热泵空调系统的设计及实际运行的提出指导意见。 4 第- 二章地源热泵窄调系统模型 第二章地源热泵空调系统模型 2 1 建立地源热泵空调系统模型 地源热泵空调系统主要是由空调末端、地源热泵机组、地下换热管群组成和一些辅助系统组成。通过 输送系统使地源热泵机组提升品味过后的热鼙或者冷量在空调末端和地_ 卜十壤之间转移。 本文研究的对象是南京一高档小区的地源热泵j r 程，小区建筑面积超过5 0 0 0 0 平方米，整个小区由6 栋建筑单体组成。系统模型主要是将整个小区建筑的得热作为系统的扰量，通过建立建筑物瞬时负荷模型、 热泵系统模型和地蝉管换热系统模型，得出系统的得热和地下土壤的散热量、系统的能耗的关系。具体的 关系_ 9 l ! 下面的系统图2 1 ： 图2 1 地源热泵空调系统模型结构 在具体的量化计算时的具体计算参数，如外墙的导热系数，遮阡1 系数的选取时，也都是以 ：程中的数 据为标准。地源热泵系统模型的建立是通用的，可以用来分析与模型类似的所有工程。 2 1 1 建筑物瞬时负荷模型 在分析地源热泵空调系统整个系统的特性时，关于各个房间的负荷状态的细节计算可以不必深究，可 以将小区的各栋建筑单体综合起来作为一个整体的系统，将系统的总得热量看作为系统的扰量，在建筑瞬 时负荷模型中将整体系统的瞬时负荷的变化当作对扰量的反应，得出系统负荷和得热量的关系。系统的得 热是以组成系统的各个不同的建筑单体的得热量共同构成的，而各个建筑单体的得热量又是以建筑单体的 各个房间的得热为基础的。 房间得热量可以分为两类：第一类是直接影响房间空气温湿度的得热量，即各项得热中的对流部分， 潜热得热和由于外部空气渗入所造成的得热等均属此类。它们本身就是房间瞬态的冷热负荷。第二类是间 接影响房间空气温湿度的得热量，各项得热量中的辐射部分属于此类。房间得到的辐射得热，首先被围护 结构的各内表面( 包括室内家具、设备的表面) 吸收引起各表面温度发生变化，然后再通过对流换热方式 传递绘室内空气，造成房间冷热负荷。所以，它们是逐渐影响到室内空气，变成房间负荷。总之，这部分 得热量是计算空调房间冷热负荷以及房间空气热湿状况的关键问题。计算建筑物负荷时首先要弄清楚得热 和负荷的关系，负荷的计算方法主要有谐波反应法、反应系数法、和冷负荷系数法等及最新提出的辐射时 间序列法。常用的房间空调冷负荷简化计算有两种方法：一种是房间反应系数法，或称冷负荷权系数法， 又称房间传递系数法。该法可用于手算求得主调设计冷负荷，也适用于计算机计算房间长期负荷。另一种 是冷负荷系数法，该法适用于编制图表，为设计人员手算求得空调设计冷负荷用。从计算步骤来看，前者 首先需要求得房间得热量，然后再借助房间反应系数( 或房间冷负荷权系数，又称房间传递系数) 计算空调 冷负荷；而后者是两步合并为一步，不用求房间得热量，而直接求得房间冷负荷。尽管如此，两者并没有 实质上的区别只是处理的手法不同而己【l4 | 。 谐波反应法定义了室外空气综合温度，将室外空气综合温度作用下形成空调负荷分为有两个过程：一 是室外综合温度作用( 外扰) 通过围护结构的对流传热直接形成室内的负荷；另一个是室内得热量如辐射的 热，经围护结构室内家具等吸热、放热，最后通过对流作用形成室内负荷的过程。可以看出，两个过程的 共同点是扰量具有周期性，另外围护结构和整个房间对热扰具有由外向内逐渐衰减和延迟作用。当室外综 5 东南大学硕卜学位论义 合温度作用于围护结构的外表面，其内表面温度和热流将产生衰减和延迟，而内表面的热流值即为室内得 热量，其中对流部分直接变为室内负荷，辐射部分则要经室内闱护结构和家具等的吸热、放热反应后再形 成负荷，该负荷有衰减和延迟，因此，与材料热阻和蓄热系数有关的衰减度和延迟时间是谐波法的两个重 要的参数。 谐波法的计算过程比较复杂，在工群应用中通常利用简化的计算方法，该方法将负荷分为外墙和犀面 的传热冷负荷和通过外窗形成的冷负荷两部分。其中外窗的负荷义分为对流部分形成室内直接的冷负荷以 及通过太阳辐射形成的室内负荷两部分。 传递函数法将墙体和房间分别当作线性的热力系统，利用系统传递函数得出各种单位热扰的各种反应 系数，再用反应系数米求解传热量和热负荷，计算得热和冷负荷。该方法在计算中不考虑热扰是否旱周期 性变化，也不用傅里叶级数表示，而是用时间序列表示热扰变化。后来提出的z 传递函数法是对反应系数 法的一种改进。计算由得热量引起的房间冷负荷时，将罔护结构连同空气视为一个热力系统，将空调房间 得热量作为系统的输入扰量，而空调冷负荷作为这一热力系统的输出，即对热扰的响应。它把得热计算和 负荷计算两步合并成一步，通过冷负荷温度( 或冷负荷温差) 直接从外扰米计算负荷。因此它能适用于建筑 物的全年逐时( 8 7 6 0 h ) 负荷计算和能耗分析。 辐射时间序列方法( r t s m ) 是近年来出现的一种新的空调冷负荷简化计算方法。它充分利用了外扰的周 期性输入这一特点，大大减少了通常所采用的导热传递函数与房间传递函数的不必要的计算量，能有效地 取代现有的如冷负荷系数法、传递函数法及其它冷负荷简化( 非热平衡) 计算方法。作为一种新的计算空调 设计一负荷的方法，该方法系采用2 4 项周期反应系数计算同护结构的传导得热，利用另一组2 4 项反应系 数( 辐射时系数) 来计算冷负荷。r t s m 的基本思想在于：将室内各种类型得热根据推荐值划分为对流得热部 分和辐射得热部分，对流部分直接转化为冷负荷，而辐射得热部分由辐射时间系数转化为逐时冷负荷。 以上所有方法计算负荷的前提是先计算系统的得热量，然后根据不同的方法处理系统得热量和负荷的 关系。 2 1 1 1 系统得热量的计算 在计算系统得热量时，太阳辐射强度是关键的数据。下面就全年负荷计算中的太阳辐射部分做一些探 讨。文献【l5 j 的专题研讨中提出了暖通动态能耗分析的计算中的太阳辐射的模型，并指出所记录的气象资料 中，云量是影响计算太阳辐射量的主要因素，而低层云量会在很大程度上影响太阳辐射量。然而，由于低 层云量经常未被报道，无法包含在研究的模型中。另一方面，干球温度升高速率与太阳辐射量有关联，它 可作为第二个参数用于计算太阳辐射量；相反，相对湿度则与太阳辐射量呈负关联。因此作者采用了日本 人松尾阳等开发了一个计算太阳辐射量的模型，它是基于云量、干球温度差、相对湿度和风速，应用测量 间隔。但它有两个缺点，第一，不能确定较长时间的测量间隔对太阳辐射模型精度的影响程度；第二，当 太阳辐射强度弱的时候，该模型计算的太阳辐射量偏大，而太阳辐射强度强时，该模型计算的结果偏小。 具体公式如