（岩土工程专业论文）地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ow u h a n u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o rt h ed o c t o r sd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r a n d o mh e a tt r a n s f e ra n dr e l i a b i l i t yt h e o r yo n g r o u n d - c o u p l e dp i p eo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p p h d c a n d i d a t e ：l i uz h u o d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f g u a nc h a n g s h e n g s p e c i a l i t y ： g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g w u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y w u h a n 4 3 0 0 7 0 ，h u b e i ，p r c h i n a a p r i l ，2 0 1 0 【八 矗 j ： 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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的成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构学位证书而使用过的材 料。与我一起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。 签名：主! 量堕日期：丝丝：乏2 关于论文使用授权的说明 冬 、本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 毖翩繇铷期：碰斟 ”鬈嚣瓮粼囊穗霸蠢瀣：搿凇鬻璁纛舞蕊毋鞣纛穗赫鬟麓纛露麓麓麓骚藤澎蠢器凝嚣礤囊谶澎懑灞赫豳滋蔽蒺结爨瀚螽玉魑滋a 菇。鞴漆潞蕊基融勰麓赫i 滋妊 a “ j 武汉理i ：人学博 ：学位论文 摘要 地源热泵空调技术在我国的应用，呈现出较大的发展势头。地埋管换热器作 为地源热泵空调系统的关键器件，其换热功能的优劣直接关系到地埋管式地源热 泵空调系统的运行效果。地源热泵地埋管在岩土介质中的传热问题，是近年来暖 通与岩土工程领域的交叉学科研究课题，其研究的内容涉及多孔介质的传热传质、 地下非稳态传热、温度场随机分布等复杂问题。长期以来地源热泵工程界忽略了 岩土介质固有的随机组成与结构性质，偏藿于应用确定性的传热理论来解释岩土 介质的传热现象，并以此作为工程设计的依据，从而极易导致地源热泵系统的投 资过大或换热功能不足等问题。在实际工程中，影响地源热泵系统正常运行的因 素极其复杂多样，而许多因素本身具有显著的不确定性( 主要是随机性) 。j 下是由 于岩土介质传热具有的随机现象，致使在国际上至今还没有一致公认的地源热泵 换热器设计计算方法，从而严重制约了地源热泵技术的推广应用。近年来人们开 始更多关注地下埋管及其工况环境、地质条件和系统运行的复杂性，尤其是随机 性的影响。本文以地源热泵地埋管在岩土介质中的传热问题为研究对象，考虑岩 土多孔介质的组成与结构的随机分布性质，采用随机传热分析、随机有限元方法、 可靠性理论，对岩土随机热物性参数统计方法、随机传热模型、传热随机有限元 方法、地埋管可靠性理论与设计方法进行了系统的研究。主要完成了以下工作： 阐述了地源热泵地埋管换热器传热问题国内外研究现状，分析了现有地源热 泵地埋管换热器传热模型，提出了地源热泵地埋管可靠性设计的概念，以及地埋 管随机传热研究的必要性。介绍了地源热泵系统的基本概念与工作原理，探讨了 地源热泵系统地下换热形式与传热机理，分析了多因素对地源热泵性能的影响， 以及地埋管设计中的问题与缺陷。 研究了地埋管在岩土介质中的传热随机特性，分析了岩土传热参数现场试验 及确定性计算方法，以及地源热泵地埋管传热随机影响因素。研究了岩土热物性 参数随机性分析方法、岩土材料随机温度场及其计算方法、岩土介质随机场的离 散分析模型、随机场的局部平均理论。在分析岩土介质传热特性基础上，研究了 地源热泵地埋管换热器随机传热模型，提出了地源热泵地埋管随机传热温度场统 武汉理i ：人学博十学位论文 计分析方法。基于地源热泵地埋管稳念与非稳态传热有限元模型，提出了地源热 泵地埋管随机传热的随机有限元分析理论。 研究了地源热泵地埋管换热器可靠性基本概念、可靠性指标体系、总负荷随 机影响因素，建立了地埋管换热器功能状态方程，提出了地埋管可靠性设计与分 析方法、以及可靠度计算方法。结合工程实例对文本的理论和方法进行了计算机 模拟计算分析，研究结果表明本文方法具有重要的理论意义和使用价值。 总之，本文结合现场试验方法与计算机模拟技术，采用多学科交叉理论，研 究了复杂的地源热泵地埋管随机传热模型，初步揭示了岩土介质的随机传热性质、 及其与非稳态传热的耦合特征，研究了地源热泵地埋管与岩土的随机传热机理、 随机温度场分布规律，为地源热泵地埋管随机传热研究丌辟了新的研究领域。在 深入研究地埋管随机传热模型的基础上，建立了地源热泵地埋管随机传热的随机 有限元分析方法，提出了地源热泵地埋管可靠性理论，为岩土介质随机传热模型 的研究提供了新的思路，为地源热泵空调系统的设计提供了新的方法。 关键词：地源热泵；地埋管；岩土介质；随机分析；非稳态传热；随机温度场； 随机有限元；可靠性理论 l i 工 e n g i n e e r i n g c o n c e r n i n gt h ec o m p l e xi s s u e so nh e a ta n dm a s st r a n s f e ri n p o r o u sm e d i a ，u n d e r g r o u n dn o n s t e a d y s t a t eh e a tt r a n s f e r , t e m p e r a t u r e f i e l dr a n d o md i s t r i b u t i o n f o ral o n gt i m e t h ei n h e r e n tn a t u r eo fr o c ka n d s o ilw i t hr a n d o mc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eh a v i n gb e e nn e g l e c t e d a n dt h e h e a tt r a n s f e rp h e n o m e n o ni nr o c ka n ds o i li se x p l a i n e db yd e t e r m i n i s t i c t h e o r ye m p h a t i c a ll y , a n da sab a s i sf o re n g i n e e r i n gd e s i g n ，s ot h a tt h e p r o b l e m so nl a r g ei n v e s t m e n ta n d1 a c ko ff u n c t i o n a n ds oo na r ea r o u s e d p r a c t i c a l l yt h ei m p a c tf a c t o r so fg s h ps y s t e m so p e r a t i o na r ee x t r e m e l y c o m p l e x ，m a n yf a c t o r sh a v es i g n i f i c a n tu n c e r t a i n t i e s ( m o s t l yr a n d o m n e s s ) i ti st h er a n d o mh e a tt r a n s f e rp h e n o m e n o ni n g e o t e c h n i c a lm e d i u m r e s u l t i n gi n n ou n i v e r s a l l ya g r e e dg s h ph e a te x c h a n g e rd e s i g na n d c a l c u l a t i o nm e t h o d s t h a tt h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fg s h p t e c h n o l o g yh a v eb e e ns e r i o u s l yc o n s t r a i n e d r e c e n t l y , m o r ea t t e n t i o nt o g r o u n d c o u p l e dp i p ea n de n v i r o n m e n t g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h e c o m p l e x i t yo fs y s t e mo p e r a t i o n ，e s p e c i a l l y t h er a n d o me f f e c t sa r e c o n c e r n e d c o n s i d e r i n gb u r i e dp i p eh e a tt r a n s f e rp r o b l e m so fg s h pi n r o c ka n ds o i la sa no b j e c to fs t u d y , t h er a n d o mh e a tt r a n s f e ra n a l y s i s s t o c h a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，r e l i a b i l i t yt h e o r ya r ea p p l i e dt oa n a l y s e s y s t e m a t i c a l l yt h er a n d o md i s t r i b u t i o no fc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo f r o c ka n ds o i lp o r o u sm e d i a s t a t i s t i c a lm e t h o d so fr a n d o mt h e r m a l p a r a m e t e r s ，r a n d o mh e a tt r a n s f e rm o d e l ，h e a tt r a n s f e rs t o c h a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，g r o u n d c o u p l e dp i p er e l i a b i l i t yt h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n m a i nr e s u l t sc o m p l e t e da r ea sf o l l o w s ： t h eh e a tt r a n s f e rr e s e a r c hs t a t u so ng r o u n d c o u p l e dp i p eo fg s h pa t h o m ea n da b r o a di sd i s c u s s e d t h ee x i s t i n gh e a tt r a n s f e rm o d e l so fg sh p w i t hb u r i e d p i p eh e a te x c h a n g e ra r ea n a l y z e d ，t h ec o n c e p to nb u r i e dp i p e r e l i a b i l i t yo fg s h pa n dn e c e s s i t yo fr a n d o mh e a tt r a n s f e rr e s e a r c ha r ep u t p r o p o s e d t h et h eb a s i cc o n c e p ta n dp r i n c i p l eo fg s h ps y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h ef o r mo fg r o u n dh e a te x c h a n g e ra n dh e a tt r a n s f e r m e c h a n i s ma r ed i s c u s s e d ，m u l t i p l ef a c t o r se f f e c t i n go nt h ep e r f o r m a n c eo f h l n o n s t e a d y s t a t eh e a tt r a n s f e r t h es t o c h a s t i cf i n i t e e l e m e n tt h e o r yf o r g r o u n d c o u p l e dp i p ei ss e tu p t h eb a s i cc o n c e p t so fr e l i a b i l i t yo fg s h p r e l i a b i l i t yi n d e xs y s t e m ， s t o c h a s t i ca n a l y s i sm e t h o d so nt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o na r es t u d i e d f u n c t i o ne q u a t i o no fs t a t ei sg i v e n a l s ot h er e l i a b i l i t yd e s i g na n da n a l y s i s m e t h o d a sw e l la st h er e l i a b il i t yc a l c u l a t i o na r ep r o p o s e d t h ee n g i n e e r i n g e x a m p l e so fc o m p u t e rs i m u l a t i o na r ed i s c u s s e do nt h et h e o r ya n dm e t h o d s g i v n i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s u l t e ss h o wt h a tt h em e t h o d sa r e s i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n dv a l u a b l ei ne n g i n e e r i n g i ns h o r t ，u s i n gf i e l dt e s ta n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n di n t e r d i s c i p li n a r yt h e o r y , t h ec o m p l e xr a n d o mh e a tt r a n s f e rm o d e l so f g s h pa r es t u d i e d t h er a n d o mh e a tt r a n s f e rn a t u r eo fr o c ka n ds o i lm e d i a a n di t s r e l a t i o n s h i p w i t h n o n s t e a d y s t a t e h e a tt r a n s f e r c o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r ei n i t i a l l yr e v e a l e d t h er a n d o mh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m a n dr a n d o md i s t i l b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do ng r o u n d c o u p l e dp i p ei n r o c ka n ds o i la r ea n a l y z e d t h er e s u l t se s t a b l i s han e wa r e ai ng s h p r e s e a r c h b a s e do ns t u d yo fr a n d o mh e a tt r a n s f e rm o d e lo fg s h pb u r i e d p i p e ，t h er a n d o ms t o c h a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di ss e tu pf o r a n a l y s i so fr a n d o mh e a tt r a n s f e ro fg s h p , w i c hp r o v i d e san e wt h e o r ya n d c a l c u l a t i o nm e t h o df o rr a n d o mh e a tt r a n s f e rs t u d yi nr o c ka n ds o i l t h e r e l i a b i l i t ya n a l y s i st h e o r yi sp r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e s an e wd e s i g n m e t h o df o rg s h pt e c h n o l o g y 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 ；g r o u n d - c o u p l e dp i p e ；r o c k sa n ds o i l m e d i a ； r a n d o m a n a l y s i s ；n o n s t e a d y - - s t a t e h e a t t r a n s f e r ； r a n d o m t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t o c h a s t i cf i n i t ee l e m e n t ；r e l i a b i l i t yt h e o r y i v l 上、 武汉理i ：人学博f ：学佗论文 目录 第1 章概论。1 1 1 地源热泵技术建筑节能工程应用概况1 1 1 1 地源热泵工程应用背景1 1 1 2 地源热泵技术研究现状2 1 1 3 地源热泵技术应用研究的意义4 1 2 地源热泵地埋管换热器传热国内外研究现状5 1 3 现有地源热泵地埋管传热模型的局限性8 1 4 本文的研究内容9 1 5 本文特色与创新性1 1 1 6 小结1 1 第2 章地埋管式地源热泵空调系统基本原理1 3 2 1 地源热泵技术基本概念1 3 2 2 地源热泵系统工作原理1 4 2 3 地源热泵系统分类形式1 4 2 3 1 地埋管闭环路系统1 4 2 3 2 开环路系统1 5 2 3 3 复合式地源热泵系统1 6 2 4 地源热泵地埋管换热器构造及布置形式1 6 2 5 地源热泵空调系统设计方法17 2 5 1 地质水文勘查1 7 2 5 2 建筑冷热负荷估算1 7 2 5 3 垂直式地埋管换热器长度计算1 8 2 6 地埋管换热器施工技术2 0 2 7 地源热泵地埋管换热器设计的关键问题2 1 2 8 小结2 2 v 武汉理i ：人学博十学位论文 第3 章岩土介质热物性随机分析方法2 3 3 1 岩土介质热物性分析2 3 3 1 1 地球的基本构造2 3 3 1 2 地壳岩土层中的温度分布2 3 3 1 3 地下储存能与岩土材料性质2 4 3 1 4 岩土材料热物性2 5 3 1 5 岩土材料温度特性2 6 3 2 岩土热物性参数选取的现场测试方法，2 7 3 2 1 岩土热物性参数现场测试一般方法2 7 3 2 2 基于线热源模型的岩土热物性测试方法2 8 3 2 3 基于圆柱热源模型的现场测量方法2 9 3 3 地源热泵地埋管传热随机影响因素分析3 0 3 3 1 地源热泵随机负荷3 0 3 3 2 岩土介质随机热物性3 l 3 3 3 影响埋管形式的随机因素3 1 3 3 4 初始条件和边界条件的随机性3 1 3 3 5 设计计算模型的不确定性3 2 3 3 6 地源热泵其他随机影响因素3 2 3 4 岩土材料随机温度场计算方法3 3 3 4 1 地源热泵地埋管岩土随机场概念3 3 3 4 2 岩土温度场随机分析3 4 3 4 3 随机温度场的计算方法3 5 3 5 岩土介质随机场的离散分析模型3 7 3 6 随机场的局部平均方法4 0 3 7 小结4 1 第4 章地源热泵地埋管随机传热温度场模型4 3 4 1 传热控制方程一般形式及定解条件4 3 4 1 1 物质的热传导与对流换热4 3 4 1 2 导热微分方程4 3 v i 武汉理i ：人。学博十。学f 节论文 4 1 3 对流换热微分方程4 4 4 1 4 定解条件4 4 4 2 地源热泵地埋管传热模型4 5 4 2 1 地源热泵地埋管传热一维模型4 5 4 2 2 地源热泵一维线热源k e l v i n 模型4 6 4 2 3 地源热泵圆柱面传热模型4 7 4 2 4 修正的圆柱面热源模型4 7 4 3 地源热泵地埋管随机线热源模型统计分析4 9 4 3 1 地源热泵地埋管一维随机模型4 9 4 3 2 地源热泵地埋管三维热传导随机模型5 0 4 4 小结5 l 第5 章地源热泵地埋管随机传热有限元方法5 2 5 1 传热分析有限元方法的泛函极值5 2 5 1 1 传热微分方程形式5 2 5 1 2 传热分析的泛函极值问题5 3 5 2 传热模型的有限元法单元分析5 5 5 2 1r i z e 与g a l e r k i n 有限元方法5 5 5 2 2 无内热源非稳态温度场单元分析5 6 5 3 随机有限元基本方法5 8 5 3 1 基本概念5 8 5 3 2 随机摄动有限元方法5 9 5 4 稳态传热随机摄动有限元方法6 0 5 4 i 随机摄动有限元法的基本列式6 0 5 4 2 温度场的一阶和二阶统计特征6 1 5 4 3 材料随机性的随机摄动有限元法6 2 5 5 基于正交局部平均的随机摄动有限元法6 3 5 5 1 随机变量正交化方法6 3 5 5 2 多随机变量的随机摄动有限元法6 4 5 6 随机有限元变分方法6 5 v 1 l 武汉理i ：人学博 ：学f 节论文 5 7 地源热泵地埋管非稳态随机传热模型 5 7 1 地源热泵地埋管的非稳态传热模型 5 7 2 地源热泵地埋管非稳态随机传热模型统计分析 5 8 小结 第6 章地源热泵地埋管可靠性理论 6 1 地源热泵地埋管可靠性基本概念 6 2 地源热泵地埋管可靠性指标 6 3 地源热泵地埋管功能状态分析 6 4 地源热泵地埋管换热器负荷分析 6 4 1 建筑屋面得热谐波反应法 6 4 2 热负荷计算的反应系数法 6 4 3 耗能负荷随机特征 6 5 地源热泵地埋管换热器系统可靠度分析 6 5 1 地源热泵地埋管换热器可靠度计算公式 6 5 2 地源热泵地埋管换热器系统可靠度分析8 2 6 6 地源热泵地埋管换热器可靠性设计方法：8 3 6 6 1 地源热泵地埋管换热器可靠性设计步骤8 3 6 6 2 热物性测试数据及其统计特征8 4 6 6 3 地埋管换热器长度可靠性计算方法8 5 6 6 4k 与三的特征分析8 6 6 7 地源热泵地埋管可靠度指标近似算法8 6 6 7 1 地埋管可靠度计算的一次二阶矩法8 6 6 7 2 可靠度计算改进的一次二阶矩法8 7 6 7 3 可靠度计算的最大熵法8 8 6 8 小结8 9 第7 章工程实例分析9 1 7 1 地埋管一维随机温度场模拟与统计分析9 1 7 2 地源热泵地埋管换热器可靠性设计与分析9 5 7 3 小结9 8 史 。9 9 9 9 1 0 0 参考文献10 2 在读研究生期间参加的主要研究项目1 0 8 在读研究生期间发表的论文1 0 8 1 i ! i ：谢10 9 i x j 建筑节能与环境保护是影响我国经济可持续发展的重大课题，利用地源热泵 ( g r o u n ds o u s eh e a tp u m p g s h p ) 地埋管获取地下浅层低温热源的节能环保技术， 已成为当前暖通和岩土工程界共同关注的热点问题之一。早在2 0 世纪4 0 年代，美 国就丌始研究地源热泵的理论与工程应用。随后日本、德国、瑞典、埃及等国也开 展了相应的研究，并应用于建筑节能、路桥融雪等工程中【l 卅。该项技术不同于水 源或浅水源热泵技术，其特点是利用地埋管中的循环液与岩土中的低温热源进行热 交换。近年来这一技术在我国部分地区己进入工程实用阶段，并取得了一些成果。 随着我国经济的高速增长，导致能源短缺和环境恶化。开发利用可再生能源， 对我国经济可持续发展具有重要意义。在科学用能条件下，地表浅层低温热能具有 环保节能、可再生等特点，国家正在鼓励开发利用这一资源，迫切需要研究地源热 泵的基础理论和关键技术，为地源热泵地埋管设计提供理论基础。 当前，节能与环保已成为世界各国发展的主题。地热( 冷) 源作为可再生能 源，其资源的合理开发利用同益受到广泛的关注。应用地源热泵技术提取地热进 行采暖或制冷，在发达国家或地区己进入实用阶段，并产生了明显的节能效益许 多发展中国家也在积极探索地源热泵技术的应用。我国作为经济高速增长的发展 中国家，能源消耗巨大。为保持经济稳步增长，必需加快可再生能源的开发利用。 然而，要全面推广地源热泵技术的应用还有许多技术难题亟待解决。 地源热泵地埋管与岩土材料的复杂组成结构，在传热过程中所表现出的随机特 性不容忽视。尤其是岩土介质的热物性参数，当考虑材料的多孔性和复杂工况条件 时，许多设计参数显示出固有的随机属性。本文以地源热泵地埋管与岩土随机传热 性能和可靠性理论为研究对象，分析地源热泵技术的现状，提出当前必须深入研究 的关键技术和理论问题，采用多学科交叉的研究方法，研究随机传热过程、随机温 度场分布，提出随机传热分析的随机有限元方法，建立可靠性理论，为探索地源热 泵地埋管设计方法提供新的思路。 1 1 地源热泵技术建筑节能工程应用概况 1 1 1 地源热泵工程应用背景 热泵技术作为建筑节能的重要手段，早期主要以空气作为热源。空气热源具 武汉理i ：人学博十学位论文 有经济性、灵活性等特点。而地源热泵由于技术、观念、灵活性不足等原因，至 今未能得到广泛应用【7 9 】。随着技术的进步、能源价格的刁i 断攀升、比空气源热泵 更节能、更环保的地源热泵技术必将迎来应用的黄金时代。 地源热泵技术的应用，已引起我国政府和科技工程界的高度重视。面对全球 能源问题，我国已出台了一些相关政策，鼓励和推广地源热泵技术的研究和应用。 地源热泵技术是使用少量的高位能( 如电能) ，将浅层地能( 如土壤热能、地 下水或地表水中的低位热能) 向高位热能转换的技术【2 l 。由于地源热泵换热器的 工作环境极其复杂，现有的换热器传热模式较为简单，导致相应的设计方法不尽 完善，直接影响了地源热泵技术的推广应用。在影响地源热泵换热器的诸多因素 中，有些因素具有随机性或不确定性本质。如地下岩土导热系数，随季节变化的 地源热( 冷) 采用量。有些因素具有非稳念性，如地下导热及埋管流体热交换。 因此，采用现有的设计理论与方法可能导致地源热泵换热系统投资偏大，或者无 法满足经济性要求。 由于我国地域辽阔，各地区气候差异较大，地质状况错综复杂，在推广地源 热泵技术应用时，可以借鉴国际上的成功经验，但不能照搬。 1 1 2 地源热泵技术研究现状 地源热泵的历史可以追溯到2 0 世纪初期，这期间美国和西欧发达国家开始研 究这一技术的工程应用。二战结束以后，在欧洲和北美地区地源热泵进入了规模 应用时期，地源热泵的许多基础理论开始形成。同时，基于实际工程提供了大量 的试验测试数据，为后续研究提供了基础。由于地源热泵固有的初投资较高特性， 加上当时廉价能源等因素，这一研究高潮仅持续到2 0 世纪5 0 年代中期【1 0 。12 1 。 到上世纪7 0 年代，石油危机把人们的注意力集中到了节能、高效益用能上， 地源热泵的研究由此进入了又一高潮。1 9 7 3 年欧美等国爆发了能源危机，促使人 们重新考虑地源热泵技术的应用。从1 9 7 7 年开始，美国的一些大学和专门研究机 构o r n l ，以及b n l 国家重点实验室在美国能源部的积极支持下，重新开始了对 地源热泵的大规模研究，促进了地源热泵的推广应用及商业化【l3 1 。 直到上世纪9 0 年代，随着计算机的普及与发展，使得地源热泵的计算和设计 更加便利，地源热泵的理论和工程实践可以应用计算机进行模拟研究，加快了地 源热泵技术的应用步伐，逐渐显示出地源热泵的广阔应用前景。 目前，地源热泵应用已进入了一个新的发展阶段。在欧美各国地源热泵在热 泵装置的市场占有份额越来越大。每年所报道的地源热泵工程项目和研究报告不 断增加。根据国际上近年来的数字统计，发达国家地源热泵产品的发展势头十分 2 武汉理l ：人学博1 ：学位论文 可观。部分发达地区的地源热泵利用情况如f ： 目自i f ，世界各幽都比以往更加关注能源、环境j 可持续发展i 口j 题，以燃煤为 主的能源结构已经造成了极为严重的大气污染。因此，要实现经济的可持续发展， 必须尽可能多地利用清洁的可再生能源，必须加大节能力度，所以地源热泵系统 是一个很好的选择；另一方面，经过多年的研究，地源热泵系统在技术上已经趋 于成熟，而且经过示范与实践，确认了地源热泵系统具有节能、环保、自然资源 再利用，舒适、安全、性能稳定、清洁、使用灵活等很多优点。 至l j 2 0 0 0 年为止，美国每年可安装5 6 万套地源热泵系统，其中4 万套为地源热 泵系统。之后，美国的地源热泵安装数量每年以3 5 的速度递增。美国每年新建 独立家庭住宅或别墅一百万座，其中2 5 采用地板采热方式，这是与地源热泵可 以直接配套的地上导热系统，也是地源热泵系统的潜在市场。此外，美国政府十 分关注地源热泵技术的发展和市场推广情况，美国能源部与大学的研究机构极力 促进有关企业和民问科技力量的参与。美国政府曾经资助过十几项重大的地源热 泵实验示范项目，并在2 0 多个州鼓励市政部门和公立学校、医院等率先安装地源 热泵采暖和制冷系统。目前，美国至少有1 6 家地源热泵制造商服务于民用和商用 市场。据美国能源部能源信息署的调查显示，2 0 0 6 年地源热泵机组销售量约为6 4 0 0 0 台，民用应用占5 3 ，商业应用占4 7 。据业内估计，2 0 0 7 年地源热泵机组 的销售量约为5 00 0 0 台，6 3 为民用、3 7 为商用；另有信息称，在民用系统中， 约7 5 用于新建建筑，2 5 用于旧住宅改造训。 近年来，欧洲地源热泵市场蓬勃发展，瑞典是欧洲最大的地源热泵市场，在 过去1 0 年里地源热泵是瑞典最流行的热泵类型。在其他欧洲市场，如德国、法国、 芬兰、瑞士、奥地利和挪威，地源热泵应用也开始增加。瑞典在地源热泵应用的 初期，政府采取了一定的补贴政策。1 9 9 0 年以来，政府补贴取消，但地源热泵安 装仍以每年1 0 0 0 套的速度递增。瑞典全国已经安装了2 3 万套地源热泵，其中约5 万套为土壤源热泵系统。瑞士是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，其中 地源热泵系统所占的比例越来越高，至1 9 9 8 年，地源热泵系统已占地源热泵安装 市场的7 0 以上，总数达至1 1 2 0 万台以上，是地源热泵系统密度最大的国家，总装 机容量的增加呈直线上升趋势。2 0 0 6 年奥地利的热泵市场增长了4 5 ，最热门的 就是地源热泵( 占7 1 ) 。在德国地源热泵也占有举足轻重的地位。加拿大地源 热泵市场正在急剧增长，其主要原因是加拿大联邦政府的拨款支持，以及各省政 府有针对性的补贴和公共服务部门对住宅改造的激励。据估算，2 0 0 4 年加拿大的 地源热泵装机机组为3 5 0 0 0 台，2 0 0 5 年为3 7 0 0 0 台。日本的一些市政建设项目和公 武汉理i ：人学博十学位论文 益性建筑( 如医院、养老院、道路等) 曾利用地热泵系统实现供暖、制冷、热水 供应、道路融雪等综合性服务，效果十分明显【1 4 07 1 。 我国地源热泵技术的工程应用已经丌始，且呈现出迅猛发展的势头。建设管 理部门、越来越多的建筑业主、以及开发商越来越关注地源热泵的应用，可以预 见我国的地源热泵市场前景十分广阔。1 9 9 7 年1 1 月中国科技部和美国能源部签 署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中一项重要内容就是推广运用地 源热泵技术，引进美国的地源热泵技术和设备，促进我国地源热泵技术的市场化 产业化的发展，使我国地源热泵的研究开发尽快跟上国际先进水平。因此，在充 分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，在各级政府的有力支持下，我国 的地源热泵技术一定能够产生巨大的经济和社会效益。 1 1 3 地源热泵技术应用研究的意义 地源热泵系统是指应用热泵技术，开发利用岩土或地下水中蕴含的低温位热 能的一种热泵系统，其换热介质不同于空气源热泵系统，是目前较为理想的新型 热源形式。地源热泵换热器所处的工况介质，实际上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，地下岩土全年温度基本稳定，大约等于 当地年平均温度。在夏季可以提供相对较低的冷凝温度，冬季可以提供较高的蒸 发温度。因此岩土体是一种比空气环境更理想的冷热源。已有的研究结果表明地 源热泵主要有以下优点 1 8 - 1 9 】： 地表浅层储存的地热是一种可再生能源，应用地源热泵技术可以将地表浅层 地热资源作为冷热源进行能量转换，实现对建筑物的空调调节。这种空调系统基 本不受地域的限制。 位于地表5 m 以下岩土层温度一年四季相对较稳定，夏季比环境空气温度低， 冬季比环境空气温度高，是一种良好的热泵冷热源。这种热物性使得地源热泵比 传统空调系统的运行效率高，长期使用的节能效果显著，且运行更加稳定可靠。 地源热泵空调还具有明显的环保特性。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。而地源 热泵通过地埋管换热器在地下吸放热，因此，地下换热一般不会造成环境污染。 地源热泵空调的适用范围较广，具有较大的潜力市场。在我国无论冬季和夏 季，北方地区和南方地区，各种类型的建筑物，都可以采用地源热泵技术，或者 与其他空调形式组成复合系统，如可以与冷却塔、太阳能联合运行，改善其夏季、 冬季的工作状况以达到节能环保的目的。 此外，地源热泵系统在运行时无需除霜，从而减少了冬季除霜的能耗。也无 4 武汉理i ：人学尊十学位论文 需丌采地卜水，彳i 会影向地下水的水质。凶此，就环保意义而古，地源热泵比水 源和潜水源热泵具有更大的发展潜力。 1 2 地源热泵地埋管换热器传热国内外研究现状 地源热泵系统的关键部件是地埋管换热器，其功能的优劣直接关系到系统的 效能。地埋管换热器热交换是极其复杂的非稳态传热过程，其影响因素较多，传 热时i 、日j 较长。一般说来，该传热过程所涉及到的几何条件和物理条件包括：岩土 介质的热物性、密度、温湿度，埋管材料性质、管径、管中流体物性、流速等诸 多因素对传热的影响，在研究传热问题时通常只能使用简化的传热模型。国际上， 至今还没有一致公认的地埋管换热器设计计算方法。换热器传热模型是该项技术 应用基础，但是实用传热模型的研究却一直是地源热泵空调技术的难点。目前国 外应用比较广泛的传热模型主要有三种：v c m e i 模型，i g s h p a 模型和n w w a 模型。这些模型或者对不同的影响因素有所考虑，或者在计算方法上有所差异。 但本质都是确定性模型与方法。 2 0 世纪4 0 - - - 5 0 年代，欧美各国开始注重地源热泵技术的应用，对地埋管与岩 土的传热模式进行了系统研究。最有代表性的是1 9 4 8 年i n g e r s o l l 和p l a s s 根据 k e l v i n 线源概念，提出了地埋管传热的线热源理论，目前大多数地源热泵地埋管 的设计皆以该理论为基础。之后，出现了b n l 改进的线源理论。8 0 年代m e i 提 出了三维瞬态远边界传热模型，9 0 年代初，美国提出了i g s h p a 北美标准方法， 以及n w w a 方法。近年来，美国、德国、日本、瑞典、埃及等国的地源热泵技 术已经进入实用阶段。在理论上对地源热泵地埋管的试验方法、传热模式、分析 计算理论展开了全面研究，取得了一些成果。如a f i fh e p b a s l i 用实验方法研究了 地源热泵垂直埋管性能，研究了热泵系统模拟与效能评【2 毗2 3 1 ，l o u i s 研究了有限 长源理论计算方法，地源孔井热交换器数值解法及改进有限线性源模型，h i k m e t 研究了水平地源热泵数值试验，运用神经网络和模糊理论研究了地源热泵系统效 率预测评价 2 4 - 2 9 ，m u s t a f a 探讨了地源热泵水平埋管性能，及水平地源热泵热性 能评价f 3 0 1 ，此外j a m e s 还研究了空气与地源热泵的优化深度问题及地埋管换热器 的优化深度布割3 i 】，o n d e r 分析了太阳能地源热泵性能，o n d e r 和o z g e n e r 提出 了地源热泵热能经济性评价参数【3 2 - 3 6 1 ，g u o h u i 研究了雨水地源热泵测试与模拟【3 7 】， s a r k h i 研究了标准柱井效率评价应用【3 8 】，k a t s u n o r i 研究了地源热泵预测方法【3 9 】， a b