（制冷及低温工程专业论文）夏热冬冷地区地理管地源热泵系统特性研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 l i l i i i i1i i t l l 1 1 1 1 111 1i il 17 619 2 4 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：盗竽鱼型奠一日期：叫 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：歪拿丝亏导师签名：弛日期：幽 摘要 摘要 在人们对居住舒适性要求不断提高及建筑用能的不断攀升的背景下，地埋管 地源热泵技术作为一项节能、环保的供热空调技术在中国已受到充分重视并获得 了广泛应用。为推动该技术的合理应用，还需要开展对一系列理论与工程应用问 题的研究。 本文立足于夏热冬冷地区，针对一特定办公建筑，利用建筑能耗模拟软件 d e s t 模拟其在4 个典型城市的全年累计冷热负荷，发现其累计冷热负荷比在2 5 之间，该地区冷负荷占主导地位。 通过分析地球浅层岩土体的蓄能机理，指出其在自然条件下能量是平衡的。 分析了地埋管地源热泵的运行对岩土体的作用，提出了岩土体蓄能平衡的方法与 策略。给出了冷却塔容量的确定方法，研究了冷却塔+ 地埋管地源热泵复合系统 蓄能平衡与节能运行的控制方法与策略。 针对现有的地下换热器模型无法准确地模拟换热器与周围岩土非稳态传热 的不足，本文以能量皆叵和质量守恒为基础，建立埋管换热器三维非稳态传热的 数学模型。在g a m b i t 软件中，分别建立单u 型、双u 型换热器与周围回填材料 和岩土相互耦合的几何模型，并划分网格。在f l u e n t 中通过相应设置，实现管内 流体、管壁、回填材料、岩土相互传热过程的数值模拟。得到了换热器出口水温、 岩土温度场分布。建立岩土热响应实验台，检验模拟结果的可靠性。 利用已经建立的模型，展开对不同钻井深度、岩土热物性、岩土温度、回填 材料、埋管支管中心距、单u 和双u 管型、不同管径等因素对埋管换热器出口 温度及换热量的影响，这些研究成果可有效地指导地埋管换热器的优化设计。 最后，结合某工程案例，依据机组样本，利用二元函数线性回归方法，拟合 了制冷与制热工况下，机组c o p 、制冷量与制热量、压缩机输入功率等指标与 负荷侧出水温度、地源侧出水温度这两者问的函数关系式。并根据机组运行数据， 得到了制冷季与制热季系统能效比分别为4 3 8 、5 2 0 。调查还发现，由于向岩土 释热与取热的不平衡，一个制冷与制热周期内岩土的温升为1 9 - - 2 2 。c 。 关键词：夏热冬冷、地埋管地源热泵、地下热平衡、地埋管换热器传热性能、出 口水温、单位井深换热量 a b s t r a c t a b s t r a c t a s p e o p l e sd e m a n df o rc o m f o r ti n c r e a s e sa n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fb u i l d i n g s r i s e s ，g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ( g c h p ) ，w h i c hi sc o n s i d e r e da sae n e r g y - s a v i n ga n d e n v i r o n m e n t - f r i e n d l yh v a ct e c h n o l o g y , g e t sm u c hm o r ea t t e n t i o na n di su s e dw i d e l y i nc h i n a b u tf o rt h ea p p r o p r i a t eu s eo ft h i st e c h n o l o g y , r e s e a r c h e sm u s tb ec a r r i e d o u to nb e t ht h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi s s u e b a s e do nt h eh o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e rz o n ei nt h ep a p e r , t h ew h o l ey e a r a c c u m u l a t e dc o l da n dh o tl o a do fap a r t i c u l a rb u i l d i n gi nf o u rt y p i c a lc i t i e sw a s s i m u l a t e db yd e s ts o f t w a r e a sar e s u l t ，t h er a t i oo ft h ew h o l ey e a rc o l d 1 0 a dt ot h e h e a t - l o a dw a s2 5 s o t h i sc h a r a c t e r i s t i cr e q u i r e st os p e c i a lc o n s i d e r a t i o ni no r d e rt o u s eg c h pi nt h i sa r e a t h e n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo fe n e r g ys t o r a g eo fs h a l l o wr o c k - s o i l b o d y , t h eu n d e r g r o u n de n e r g yw a sc o n s i d e r e dt ob eb a l a n c e dn a t u r a l l y , b u tt h e o p e r a t i o no fg c h pw i l lb r e a kt h i sb a l a n c e s o s o m em e t h o d sa n ds t r a t e g i e sb yw h i c h t h eb a l a n c eo ft h ee n e r g ys t o r a g ei nr o c k - s o i lb o d yc a nb ek e p tw e r ep r o p o s e da n dt h e m e t h o d st od e t e r m i n et h ec a p a c i t yo fc o o l i n gt o w e rw e r eg i v e n f u r t h e r m o r e ，c o n t r o l s t r a t e g i e sw e r es t u d i e df o rt h eb a l a n c eo fe n e r g y - s t o r a g ea n de n e r g y - s a v i n go ft h e c o o l i n g - t o w e rp l u sg c h p p r o b l e me x i s t e dt h a te x i s t e dm o d e l so fg r o u n dh e a te x c h a n g e r ( g h e ) c a nn o t a c c u r a t e l ys i m u l a t et h eu n s t e a d yh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h eg h ea n dt h es u r r o u n d i n g s o i l b a s e do nt h el a wo fc o n s e r v a t i o no fe n e r g ya n dm a s s at h r e ed i m e n s i o n a l m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg h ew a se s t a b l i s h e d i ng a m b i ts o f t w a r e , t h eg e o m e t r i c a l m o d e l so ft h es i n g l e - u ，a n dt h ed o u b l e - ug h e c o u p l e dw i t hb a c k f i l lm a t e r i a la n d g r o u n dw e r ee s t a b l i s h e da n dt h em e s hw a sg e n e r a t e d i nf l u e n ts o f t w a r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e rw a sc a r r i e do u tb e t w e e nf l u i d ，g h e ，b a c k f i l lm a t e r i a l a n dg r o u n d o u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r ea n dg r o u n df i e l dw e r em o n i t o r e d t h ed e v i c e u s e df o rt h e r m a lr e s p o n s et e s tw a sd e v e l o p e da n dt h er e l i a b i l i t yo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a st e s t e d t h ee f f e c to fb o r e h o l ed e p t h ，g r o u n dp r o p e r t y , g r o u n dt e m p e r a t u r e ，b a c k f i l l m a t e r i a l ，s i n g l eus h a p e , d o u b l eus h a p e ，a n dr a d i u so fg h eo nh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i cw e r ec a r r i e do u t t l l i sr e s u l t sh a sr e f e r e n c ev a l u ef o ro p t i m i z a t i o n d e s i g no fg h e b a s e do nc e r t a i nc a s eo fg c h p , t h ef u n c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nc o p p o w e ro f c o m p r e s s o r , c o o l i n gc a p a c i t ya n dh e a t i n gc a p a c i t ya n do u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r eo f s o u c ea n dl o a ds i d ew e r ec u r v e dr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt os a m p l e e n e r g ye f f i c i e n c y r a t i oi nc o o l i n gs e a s o na n dh e a t i n gs e a s o nw e r eo b t a i n e da c c o r d i n gt o t e s td a t aa n d t l l e yw e r e4 3 8a n d5 2 0r e s p e c t i v e l y i tw a sf o u n dt h a tt h eg r o u n dt e m p e r a t u r e sh a d a nu p r i s i n go f1 9 2 2 ，b e c a u s eo ft h eh e a ti m b a n c ef r o m t og r o u n da f t e raa n n u a l c y c l e k e y w o r d s ：h o ts u m n l e ra n dc o l dw i n t e r , g c h p , u n d e r g r o u n dh e a tb a l a n c e ，h e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fg h e ，o u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e ，a v e r a g eq u a n t i t yo fh e a tp e r m e t e ro ft h eb o r e h o l e i l 主要符0 表 a 热扩散率( 研2 s ) q散热或取热量( 矿) 场钻孔半径( 垅) 7= 0 5 7 7 2 ，欧拉常数 主要符号表 毛埋管换热器进口水温( ) 乃流体进出水平均温度( ) c 。质量比热容( k j ( k g 劲) ， 为时间( s ) p 为流体的压力( p a ) 吼化学反应热和其他体积热源的源项 为流体的黏性系数( p a s ) 占为湍流脉动动能耗散率 日 钻孔深度( ，1 ) r钻孔热阻九锄2 酬叨 瓦无干扰原始土壤温度( ) 名 岩土导热系数( w ( m 幻) 埋管换热器出口水温( ) m 质量流量( 堙s ) p为流体的密度( k g m 3 ) 鳓为有效黏性系数( p a s ) t 为流体的温度( ) k为湍流脉动动能 “为湍流黏性系数( p a s ) i i l 目录 目录 摘昙暮i a b s t r a c t i i 主要符号表i i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 本文的研究背景1 1 1 1国家节能减排战略的实施1 1 1 2 地埋管地源热泵系统的先天优点1 1 1 3中国快速发展的地源热泵市场2 1 2 国内外地埋管地源热泵技术的研究现状3 1 3 本文的研究内容4 第二章夏热冬冷地区气候特点与建筑负荷特性6 2 1 夏热冬冷地区气候特点6 2 2 建筑能耗模拟及软件7 2 2 1建筑能耗模拟的必要性与重要性7 2 2 2 建筑能耗模拟软件7 2 3 建筑能耗模拟软件d e s t 及其特点一8 2 4 夏热冬冷地区建筑负荷特性8 2 5 本章小结11 第三章夏热冬冷地区岩土体蓄能平衡策略与方法研究1 2 3 1 地球浅层岩土能量平衡分析一1 2 3 1 1地球浅层岩土能量自然平衡分析12 3 1 2 地源热泵系统运行对浅层岩土的作用1 4 3 2 岩土体蓄能平衡策略与方法1 5 3 3 冷却塔辅助散热设备容量的确定方法。1 6 3 3 1a s h r a e 在19 9 5 年给出的推荐设计方法17 3 2 2 k a v a n a u g h 和r a f f e r t y 在1 9 9 7 年提出的设计选型方法1 7 3 3 3 k a v a n a u g h 在1 9 9 8 年进行改进的设备选型方法1 7 3 4 冷却塔+ 地埋管地源热泵运行控制策略研究18 3 5 本章小结一l9 第四章地埋管换热器传热性能的数值模拟2 1 4 1 几何模型与简化假设2 1 4 2 单u 型、双u 型换热器三维数学模型的建立2 2 4 2 1 控制方程2 2 4 2 2 初始条件与边界条件：。2 3 4 3 数值模拟方法与工具介绍一2 3 4 3 1 数值模拟计算方法2 3 4 3 2 数值模拟工具2 4 4 4g a m b i t 中网格划分与f l u e n t 求解2 5 4 4 1g a m b i t 中的网格划分2 5 4 4 2f l u e n t 中的求解设置2 7 i v 目录 4 4 3 模拟结果的展示之一2 8 4 5 对模拟结果的检验地埋管换热器热响应实验。2 9 4 5 1 测试原理与设备3 0 4 5 2 测试过程及数据分析31 4 5 3 模拟过程与实验过程的对比3 3 4 6 本章小结。3 5 第五章地埋管换热器传热性能影响因素数值模拟结果分析3 6 5 1 模拟前的一些说明3 6 5 2 进口水温对地埋管换热器出口水温及换热量的影响3 7 5 3 埋管深度对出口水温及换热量的影响3 8 5 3 1埋管深度对出口水温的影响。3 8 5 3 2 埋管深度对换热量的影响3 9 5 3 3埋管深度对传热性能的影响对工程应用的启示4 l 5 4 岩土热物性对传热特性的影响4 2 5 5 岩土温度对出口水温及换热量的影响4 4 5 6 回填材料对出口水温及换热量的影响。4 5 5 7 埋管两支管问中心距对传热性能的影响4 6 5 8 单u 、双u 型换热器传热性能的对比研究4 6 5 8 1单u 、双u 型换热器的出口水温的对比4 7 5 8 2 单u 、双u 型换热器换热量的对比4 7 5 8 3单u 、双u 型埋管换热器热扩散半径的对比4 8 5 9 不同管径的双u 换热器传热特性的对比研究4 9 5 1 0 本章小结5 0 第六章地埋管地源热泵系统实际运行特性研究5 2 6 。1 地埋管地源热泵工程概况5 2 6 2 埋管外地下温度场的年变化特征5 3 6 3 冬夏季地埋管出口水温的变化特征一5 4 6 4 热泵机组制冷与制热工况性能分析5 4 6 4 1 热泵机组性能曲线拟合一5 5 6 4 2 热泵机组制冷工况性能分析5 6 6 4 3 热泵机组制热工况性能分析5 6 6 5 地埋管地源热泵系统制冷与制热季能效分析5 7 6 6 本章小结5 8 第七章结论与展望5 9 7 1 本文的主要工作及结论5 9 7 2 展望二6 l 致 谢6 2 参考文献6 3 作者攻读硕士学位期间发表的论文与申请的专利6 5 v 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 1 1 1国家节能减排战略的实施 最新数据统计表明，我国城乡建筑运行能耗约占我国商品能源总量的 2 5 5 【，其中采暖、通风、空调已占建筑能源消耗的6 5 t 引。这些数值都仅为 建筑运行所消耗的能源，不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗。目前发 达国家的建筑能耗一般占总能耗的1 3 左右。随着我国城市化程度的不断提高， 第三产业g d p 比例的加大以及制造业结构的调整，建筑能耗的比例将继续提高， 最终接近发达国家目前的3 3 的水平1 3 】。 一方面中国能源消耗总量不断增加，另一方面，中国能源消费结构中煤还占 据主导结构，清洁能源还只占很少的比例( o n 图1 ) 。在2 0 0 7 年世界能源消费构成 中，煤只占2 8 6 ，而中国却占到6 9 5 t 2 1 。考虑到煤的燃烧比其他能源会释放 更多的c 0 2 ，所以中国的能源问题与环境问题更加的密切相关。建筑用能的增加 会导致社会用能总量的不断增加，进而会带来诸如污染、能源短缺及气候变化等 一系列严重的问题。 囫煤 石油 口天然气 口水力、核能、风能 图l - l2 0 0 7 年中国的能源消费结构 日益增加的能源压力，已引起国家的高度重视。在今年的两会政府工作报告 中，明确提出要毫不松懈地加强节能减排和生态环保工作，突出抓好工业、交通、 建筑三大领域节能，继续推进十大重点节能工程建设，落实电机、锅炉、汽车、 空调、照明等方面的节能措施。在哥本哈根会议上中国政府承诺，到2 0 2 0 年单 位国内生产总值二氧化碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 的目标。可以毫不夸张 地说，实施节能减排、积极发展低碳经济已经上升为国家的战略之一，是实现经 济社会可持续发展的必然要求，同时也是一场长期的、艰巨的持久战。 目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式， 是缓解能源紧张、解决社会经济发展与能源供应不足这对矛盾最有效的措施之 一。而利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的的根本途经。政府 和各级专家在这一方面已做了很多努力。近年来，作为有效的节能技术之一， 地源热泵技术的工程应用在中国得到了很大的发展。 1 1 2 地埋管地源热泵系统的先天优点 与其它常规空调系统相比，地埋管地源热泵空调系统有如下优点4 】： 东南大学硕j ：学位论文 与空气源热泵相比，制冷与制热效率高。对空气源热泵来讲，随着冬季 ( 夏季) 室外气温降低( 升高) ，供热或供冷需求增大，而其制热量或制冷量也 是逐渐恶化降低的。但对于地埋管地源热泵系统来说，就不存在此问题。地下深 层岩土全年维持在1 7 - 2 0 ，因此其制冷与制热效率一般均可比空气源热泵 效率高2 0 - 4 0 。 充分利用了夏季制冷时的冷凝热，储存于地下，有效地减轻了城市的夏 季热岛效应，同时也便于提供全年的生活热水。 当地源热泵工程冬季从地下累计取热量和夏季向地下累计放热量相等 时，地源热泵系统可以不设任何冷却塔与辅助加热设备，从而减少了保养费用和 不影响建筑的外立面美观。 地埋管地源热泵的诸多优点及节能环保的特点是其近年来受到越来越多的 用户与政府推崇的重要原因，也是其在蓬勃发展的主要动力之一。 1 1 3中国快速发展的地源热泵市场 8 0 7 0 6 ( 1 5 0 4 0 3 0 2 0 l o 0 y e a r 图21 9 9 8 2 0 0 7 年间地源热泵工程建筑面积 2 1 图2 显示了我国近年来地源热泵工程建筑面积的增加情况。当前我国地源热泵 项目迅速增多，据最新调查成果，应用浅层地热能进行供暖和制冷的地源热泵项目 在我国已经超过2 0 0 0 个，建筑面积近8 0 0 0 万平方米。北京市采用浅层地热能供暖 面积已达1 5 0 0 万平方米，沈阳达3 4 0 0 万平方米，河北省达9 2 0 万平方米，天津、 大连、西安等城市和山东、甘肃、江苏、内蒙古、吉林、江西等地区采用浅层地热 能为城市建筑供暖的面积近年来迅速增加。据预计，2 0 2 0 年全国利用浅层地热能的 供暖和制冷面积将达到2 亿平方米，2 0 3 0 年为4 亿平方米，2 0 5 0 年将达到lo 亿平 方米。 在所有的地源热泵工程中，技术最成熟、应用也最广泛的就是地埋管地源热泵 技术。但是它的应用也存在着一系列问题值得去研究。对于夏热冬冷地区，累积冷 负荷远高于累计热负荷，考虑循环水泵耗功及压缩机耗功，制冷工况向岩土的排热 以及制热工况从岩土的取热很不一致，排热量与吸热量的不平衡加剧，冷热不平衡 处理不当，会导致系统夏季工况的恶化，甚至不能运行。埋管换热系统的优化设计 2 (-墨一盘。兰lulj墨廿舅|oo嚣卫“盆 第一章绪论 是减小初投资与运行费用、节能运行的前提。工程设计时如管型的选择、钻孔深度 的确定等一些参数的选择还缺乏技术支持。另外，现有的地源热泵工程运行的效果 怎么样，这些问题都值得我们好好去研究。通过理论分析、模拟以及工程运行的数 据分析，为工程的优化设计提供技术支持，为运行管理提供指导与借鉴，不断将地 源热泵技术的研究与应用推向深入。 地源热泵市场的蓬勃发展，需要对其一系列的理论与工程应用问题进行研究， 近年来，国内外各高校、科研机构对地源的研究也只益重视与深入。 1 2 国内外地埋管地源热泵技术的研究现状 最早记录的利用土壤作为热泵热源的是在瑞士。第一次对地源热泵产生兴趣的 浪潮是在二战后的北美和欧洲，并一直持续至2 0 世纪5 0 年代初。由于当时天然气 与石油的广泛使用，地源热泵并没有广泛推广，这一时期i n g e r s o l l 和p l a s s 提出了用 于分析地源热泵系统导热的基本分析理论。 第二次研究地源热泵的高潮出现在第一次石油危机后的2 0 世纪7 0 年代的北美 和欧洲，这一时期对实验研究格外重视。在接下来的2 0 多年来里，确立了埋管的安 装标准并开发了设计方法。近年来，地源热泵系统已经广泛应用于住宅和商业建筑。 据估计，全球每年安装的系统有1 0 3 0 的增长。 当前，对地埋管地源热泵技术的研究主要集中在以下几个方面： 1 地下埋管换热器的传热模型研究习 推广应用地埋管地源热泵系统的核心技术在于对埋管换热器进行传热分析并提 出合理的模型。而换热器内流体与其周围介质的传热是一个极其复杂的过程，从问 题的复杂性及换热的长时间跨度的角度看，换热过程通常在两个独立的区域内进行 分析。一个是钻孔外的岩土体，该部分的导热被视为瞬态过程。另一个是钻孔内， 包括回填部分、u 型管以及管内的流体。这部分分析时通常被认为是稳态或准稳态。 两部分在钻孔壁处耦合起来。两个独立区域的传热模型如下： 钻孔外的导热模型主要有：k e l v i n 线源模型、圆柱源模型、e s k i l s o n 模型、有限 线源模型、s h o r t - t i m es t e p 模型。 钻孑l 内的传热模型有：一维模型、二维模型、准三维模型。 2 岩土热物性及其测试方法的技术研究【删 岩土热物性方面的研究一直是地埋管地源热泵研究领域中最为重要的一个方 面。埋管换热器在岩土中的换热过程受到许多因素的影响，岩土的温度分布、湿度、 导热率等都会对其产生不可忽略的影响。不同地方土壤的物性差异很大，搞清楚土 壤的热物性在地埋管地源热泵系统的设计中是基础而重要的工作。进入2 0 世纪9 0 年代，常用的对土壤、岩石采样后送到实验室检测的方法逐渐被现场热响应反馈测 试法( t h e r m a lr e s p o n s e t e s t ) 取代。该方法是1 9 9 5 年由m o g e n s e n 提出来的u u j 。通 过这种手段以获得详实的岩土物性数据是设计一个良好合理的系统的基础。热响应 测试已经成为目前地埋管地源热泵系统设计施工前必需的步骤。目前的研究主要集 中在对测试设备开发以及对测试数据的处理上。 3 新型高效回填材料的研究”乃j 传热性能良好的回填材料可以降低换热器与土壤之间的热阻，强化它们之间的 传热，可以有效减小地埋管换热器的长度，改善热泵的运行参数，减小工程的初投 资，国内外学者在这个领域做了大量的研究工作。p k a v a n a u g h 和l a l l a n 认为强化 换热型回填材料相比传统的膨润上能够很大程度上改善埋管换热器的换热能力。 3 东南人学硕i ：学位论文 d p a h u d 和b m a t t h e y 在6 个双u 型埋管换热器中采用不同的回填材料并且将各支管 分开进行热反馈测试，结果表明采用石英砂这种新型的回填材料和安放间隔物这种 方式相比传统模式的换热器热阻要减小3 0 。 4 混合地源热泵系统设计及其控制策略的研裂1 2 2 1 在以冷负荷或热负荷为主的建筑或地区中，全年向岩土的释热量与从岩土的取 热量难以实现自然平衡，这样以来系统的持续运行会导致岩土温度的持续升高或降 低，由此会导致热泵运行性能的恶化，需要外部辅助散热设备或补充热源，此时复 合系统的设计及其运行的控制策略就成了研究的热点之一，国内外学者对此展开了 相关研究。k a v a n a u g h ，s p 【2 0 】提出了辅助散热设备容量的计算公式等以及相应的控 制策略。满意1 2 l j 对带冷却塔的地源热泵复合系统进行的数值模拟，并比较了各 种控制方案的优劣，王华军等瞄】提出了带冷却塔的复合系统不同的控制策略， 并进行了实验研究。 5 地源热泵设计与模拟计算机程序的开剔5 】 地埋管换热器设计的可靠性与稳定性主要依赖于长期向岩土释热与从岩土 取热的能力，并且要避免岩土中热量的过度堆积和热量损失。这一目标的实现依 赖于高效的设计程序。目前主要有以下几种： l u n d 程序 该程序用于确定垂直埋管换热器长度，最早由瑞典l u n d 大学开发，该程序的算 法是基于e s k i l s o n 模型。 g l h e p r o 程序 该程序主要用于设计商用或公共建筑地埋管换热器环路。该程序也是以e s k i l s o n 方法为基础的。 地热之星程序 这一设计程序是由我国山东建筑大学开发的。 1 3 本文的研究内容 本文针对夏热冬冷地区，首先运用建筑能耗模拟软件d e s t 研究该地区的建 筑负荷特点，然后提出在该地区推广地埋管地源热泵系统适宜的技术路线，接下 来重点研究影响地下埋管换热器传热性能的影响因素，最后结合工程案例，研究 地埋管地源热泵系统的实际运行特征。基于此，本文确定了如下的研究内容： 1 分析夏热冬冷地区气候特点，针对特定建筑，引入建筑能耗模拟软件d e s t , 模拟建筑的负荷特性。 2 分析浅层岩土体能量自然平衡机理，分析地源热泵对浅层岩土的作用，给出 岩土体蓄能平衡策略与方法。给出冷却塔辅助散热时容量的确定方法，研究 冷却塔+ 地埋管地源热泵复合系统蓄能平衡与节能运行的控制方法和策略。 3 以能量守恒和质量守恒为基础，采用数值计算的方法处理地埋管热器的建模问 题，分别建立单u 与双u 型埋管换热器三维非稳态传热的数学模型。在g a m b i t 软件中，建立换热器和岩土传热与实际过程完全吻合的几何模型，并划分网 格。在f l u e n t 中通过设置相应条件，实现传热过程的数值模拟。 4 建立岩土热响应实验台，检验模拟结果的可靠性。 5 利用己建立的模型，展开对埋管钻井深度、岩土热物性、回填材料、埋管支 管中心距、埋管直径、岩土温度、不同管型等因素对换热器出口温度及换热 量的影响，为换热器优化设计提供技术支持。 4 第一章绪论 6 结合某工程案例，依据机组样本，利用二元函数线性回归方法，拟合制冷与 制热工况下，机组c o p 、制冷量与制热量、压缩机输入功率等指标与负荷侧 出水温度、地源侧出水温度这两者问的函数关系式。并根据机组运行数据， 计算制冷季与制热季机组与系统能效比。 7 研究地埋管地源热泵系统的周期运行对地下温度场及换热器出口水温的影响。 5 件 游 建 一 图2 - 1中国建筑热工设计分区图 如图2 1 所示，在建筑热工设计分区中界定的夏热冬冷地区。这个地区的范 围，大致为陇海线以南、南岭以北、四川盆地以东，也可以大体上说是长江中下 游地区。该地区包括上海、重庆两个直辖市，湖北、湖南、江西、安徽、浙江5 个省的全部，四川、贵州两省东半部，江苏、河南两省南半部，福建省北半部， 陕西、甘肃两省南端，广东、广西两省区北端，涉及1 6 个省、自治区、直辖市。 该地区是我国人口最密集，经济、文化较为发达的地区，政治、经济地位极为重 要。该地区面积约1 8 0 万平方千米，这个地区的城乡人口约占全国总人口的三分 之一，国内生产总值约占4 0 左右【2 3 1 。 但是，这个地区气候欠佳，是世界上相同纬度下气候条件较差的地区。夏热 冬冷地区气候的显著特点是夏季闷热，冬季湿冷，昼夜温差小，年降水量大，日 照偏小。春末夏初多阴雨天气，常有大雨和暴雨出现。夏季该地区7 月份平均气 温，比世界上同纬度其他地区高出20 ( 2 左右，是地球上该纬度范围内除沙漠干旱 地区外最炎热的地区。该地区最热月的平均温度为2 5 - 3 0 ，而且以2 8 3 0 。c 居多；由于纬度较低，又多连续晴天，夏季太阳辐射相当强烈，太平洋副热 带高压沿长江西进，笼罩时间可长达1 个多月。从太平洋上吹来的凉风又受到东 南丘陵的阻挡，使该地区夏季处于背风面，因而往往是静风天气。多数地方高于 6 第二奄夏热冬冷地区气候特点i 建筑负倚特性 3 5 的酷热天气长达半个月至一个月。大城市还普遍存在“热岛”问题，由于风速、 风向、地形及建筑密度和高度等因素，城市中心地带气温一般比周边地区高出 1 3 。夏热冬冷地区又是一个水网地带，相对湿度经常高达8 0 左右，长江 中下游夏季黄梅季节持续阴雨也是常见的，尽管气温不算很高，但由于气压低， 湿度高，感觉非常闷热。 冬季该地区1 月份平均气温，比世界上同纬度其他地区低8 1 0 ，是地球 上同纬度冬季最寒冷的地区。该地区最冷月的平均温度为2 7 ，大多在2 5 c 之间。在冬季，北极和西伯利亚寒潮频繁南侵，经华北平原长驱直入。强大 的寒潮到达此地区后，受到南岭和东南丘陵的阻挡，因而寒冷时间较长。日平均 气温低于5 的天数，武汉5 8 天，南京7 5 天，合肥7 0 天，亦即长达2 - - 一2 5 个月。 冬季太阳辐射量，远不如北方地区，日照时间短、百分率较低。东部同照率最高 的地区不超过5 0 j 西部的四川和重庆更低，重庆1 月份日照率只有9 。由于日 照少，也增加了冬季阴冷的程度。冬季的相对湿度仍然很高，达7 3 8 3 ，因 而使人感觉湿冷。 鉴于夏热冬冷地区的气候特点，这一地区夏季需要制冷，冬季同样有采暖的需 求与必要。这种夏季需要供冷、冬季需要供暖的背景为地埋管地源热泵系统的应 用提供了比较适宜的应用场所。 2 2 建筑能耗模拟及软件 2 2 1建筑能耗模拟的必要性与重要性 在传统的暖通空调设计中，依据经验根据冷热负荷指标估算建筑负荷或者采 用静态负荷计算软件确定冬夏季极端工况的设计参数，已经不适应建筑节能背景 下，从只重视一次投资和运行能耗向全寿命周期评价转变，从冬夏两点典型工况 设计方法向全年全工况设计方法转变的要求【2 4 j 。 从建筑的方案设计阶段就开始考虑节能措施的应用有助于从源头控制能源 消耗。由于建筑物本身及其环境控制系统的复杂性，仅凭经验或简单的计算方法 无法准确判断设计方案的优劣。随着人们对建筑环境质量要求的不断提高和对建 筑节能的日益重视，建筑模拟也越来越成为建筑与建筑环境控制系统的设计、评 价、分析工作中必不可少的重要工具之一。 时至今日，建筑模拟技术通过4 0 余年的不断发展，已经在建筑环境等相关领 域得到了较广泛的应用，贯穿于建筑设计的整个寿命周期里，包括设计、施工、 运行、维护和管理等各个阶段。主要表现在以下几方面【2 习： 建筑冷热负荷计算，用于空调设备的选择； 在设计或者改造建筑时，对建筑进行能耗分析； 对建筑进行经济性分析，有助于设计者从费用和能耗两方面对设计方案 进行评估； 建筑能耗的管理和控制模式的制订，帮助制订建筑管理控制模式，以挖 掘建筑的最大节能潜力。 2 2 2 建筑能耗模拟软件 此类软件主要用于建筑和系统的动态模拟分析，以d o e - 2 、e n e r g y p l u s 和 e s p - r 等为代表。这类软件的主要模拟目标是建筑和系统的长周期的动态热特性 ( 往往以小时为时间步长) ，采用的是完备的房间模型和较简单的系统模型及简化 7 东南大学硕l j 学位论文 的或理想化的控制模型，适于模拟分析建筑物围护结构的动态热特性，模拟建筑 物的全年运行能耗。 这类软件f 如d o e 2 、e s p - r 、e n e r g y p l u s ) 首先从建筑物出发，可以灵活地处 理各种形式的建筑物，很好地预测建筑热性能和不同围护结构形式对能耗的影 响。然而由于这类软件是基于建筑物而不是基于空调系统，就很难灵活地构成各 种系统。d o e 2 只能对预先定义好的有限种系统形式进行模拟，e n e r g y p l u s 希望 能够处理各种形式的系统，然而目前还未实现。 而d e s t ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t s ) 也正是在1 0 多年前在认识到当时各种 建筑模拟软件的特点与不足的基础上，开发并不断发展完善而形成的建筑动态模 拟工具。它基于“分阶段模拟”的理念，实现了建筑物与空调系统的连接，使之既 可用于详细地分析建筑物的热特性，又可以模拟系统性能，较好地解决了建筑物 和系统设计耦合的问题【2 引。 2 3 建筑能耗模拟软件d e s t 及其特点 d e s t 软件的研发始于1 9 8 9 年，开始立足于建筑环境模拟，其基础算法是清 华大学江亿院士8 0 年代初提出的用于分析建筑热状况的状态空间法，以后逐步 加入空调系统模块。d e s t 目前已有住宅版本，商业建筑版本等。如今d e s t 已 陆续在大陆、欧洲、日本、香港等地区开始得到广泛应用。 文献【2 6 】通过理论验证，检验了d e s t 的数学模型和基础物理模型在动态传热 模型的准确性，并与世界上2 2 个同类模拟软件模拟结果进行比对，d e s t 的结果 与实测结果大多较接近，在实验验证中，建筑实例的实测数据与d e s t 的计算结 果也是致的。通过这些分析，可以认为d e s t 的计算结果是可信的，d e s t 对 建筑的模拟能较好地反映出实际建筑的热状况。通过这几种验证，d e s t 的物理 模型和数学模型都得到了较严格的检验，其模拟结果也具有了相当的可靠性，可 以将其用于实际建筑的模拟中去，辅助建筑的设计。 为了实现“分阶段模拟”的目标，d e s t 在设计和开发中突出了自己的特点： 1 ) 以自然室温为桥梁，联系建筑物和环境控制系统 2 ) 分阶段设计，分阶段模拟 3 ) 理想控制的概念 4 ) 图形化界面 5 ) 通用性平台 2 4 夏热冬冷地区建筑负荷特性 地埋管换热负荷受限于建筑物结构、使用功能和当地气候条件，进而影响到 地埋管换热性能动态变化。因此，地埋管换热负荷的特征分析是地埋管设计以及 性能分析的前提，事关实际工程中空调系统方案的可行性。从这点来说，决定着地 埋管换热负荷的建筑物负荷分析已不仅仅是为空调设备选型服务的，更主要的是 研究地埋管动态的换热负荷特性，以及在此基础上能否保障地埋管地源热泵系统 长期正常运行。本节以一幢办公建筑为基础，保持该建筑的物理结构不变，然后 选取夏热冬冷地区长江中下游沿岸的典型城市重庆、武汉、南京、上海，仅改变 他们的气象文件，进而得出夏热冬冷地区的建筑负荷特性。 本建筑模型为一幢位于南京市区内的办公建筑，该办公楼长2 9 5 m ，宽2 0 6 m ， 8 图2 - 3 典型楼层空间布置图 建筑围护结构： 该办公楼的外墙采用普