（市政工程专业论文）地源热泵性能分析.pdf

人昧卿1 人。? 硕卜研究 1 - 辛佃论文 地源热泵性能分析 摘要 地源热泵作为一项高效节能、绿色环保型的空调技术，在国外已 成为一种广泛采用的供热空调方式，而在国内正处于研究和应用推广 阶段，有着巨大的发展潜力。垂直深埋u 型管式地源热泵以其占地而 积少、可用范围广、灵活性较高、恒温效果好、换热效率高、维护费 用低等众多优势，日益流行。本文在第一、二章对地源热泵系统的原 理、构造、特点以及近年来垂直深埋u 型管地下传热计算模型的发展 进行了较为系统的阐述，并介绍了几种典型的传热模型。 本文着眼于地源热泵u 型埋管换热器的传热性能研究，针对u 型埋 管换热器的传热特点，将其传热过程处理为深度方向上的一维传热和 水平面上的二维传热，建立了传热模型。在水平面上的二维传热计算 中，分别对u 型埋管的两支管脚的传热方程进行了离散化处理，采用 数值计算方法，编制了计算机程序，最后采用迭加原理得到了u 型埋 管的总体传热结果。并对u 型埋管换热器的传热性能进行了研究，通 过计算得到了周围土壤在不同深度的温度变化、回填物导热系数、u 型埋管管脚间距对地埋换热器的传热性能及土壤温度场的影响。因此， 所得的结果对今后的地源热泵空调系统的设计、制造、运行等具有一 定的参考价值。 i 厶棘刖1 人j 坝1 埘，07 | j j f ? ，论正 关键词：地源热泵，垂直深埋u 型管，原始地温，数值模拟 太原理 人学硕七研究生学伸论文 p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p a b s t r a c t g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt ob o t h r e s i d e n t i a la n dc o m m e r c i a lh e a t i n ga n dc o o l i n gi na m e r i c aa n de u r o p ea s t h e s es y s t e m sc a nm a k es i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n st or e d u c t i o n si ne l e c t r i c a l e n e r g yu s a g ea n dh a v eb e e nr e c o g n i z e d a sa ne n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y a l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a lu n i t a r ys y s t e m h o w e v e r , t h i st e c h n o l o g yh a ss e l d o mb e e na d o p t e ds of a ri n o u r c o u n t r y m a n yaw o r ko fr e s e a r c ho ng s h p a n dp o p u l a r i z i n ga p p l i c a t i o n n e e dt ob ed o n e v e r t i c a lu - t u b eg r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp o p u l a rb e c a u s eo fm a n yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g ei th a s ，s u c ha s ： f e w e ra r e ar e q u i r e m e n t ，f e w e rl i m i t s ，r u n n i n gs t e a d i l y , b e t t e rp e r f o r m a n c e ， l o w e rc o s t so ns y s t e mm a i n t e n a n c ee t c t h es u b j e c t sp r e s e n t e di nt h ef i r s t c h a p t e ra n ds e c o n dc h a p t e rf o c u so nt h ep r i n c i p l e ，c o n s t r u c t i o n ，a d v a n t a g e s o fg s h p s y s t e m a n dh e a tt r a n s f e rm o d e lo fv e r t i c a lu - t u b e g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p i i i 太原理l 人学硕十研究生学付论文 b a s e do ni t sp e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e r , r e s e a r c hi sc a r r i e do i lt h e u t u b eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r s a n dt h et h e o r e t i c a lm o d e l ，w h i c hi s c o m p o s e do fo n e d i m e n s i o nh e a tt r a n s f e re q u a t i o ni nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n a n dt w o - d i m e n s i o nh e a tt r a n s f e re q u a t i o ni nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，i s e s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h 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 ds o i l d u r i n gt h ec a l c u l a t i o no f t w o d i m e n s i o nh e a tt r a n s f e r , e a c hp o l a rc o o r d i n a t ei ss e tu pt og e n e r m en u m e r i c a lg r i d sf o re a c ho ft w o l e g so f v e r t i c a lg r o u n dl o o ph e a te x c h a n g e r s ，c a l c u l a t ee a c ho n e ，a n dt h e n s y n t h e s i z et h et w or e s u l t st oo b t a i nt h ei n f l u e n c eo ft h et w o i na d d i t i o n ， i n v e s t i g a t i o ni sc a r r i e do np e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ra m o n gt h eu t u b e u n d e r g r o u n d h e a t p u m p s t h r o u g h c a t c u l m i o na n d a n a l y s i s ，s o i l t e m p e r a t u r ev a r yw i t hd i f f e r e n td e p t ha tr a d i u sd i r e c t i o n ，v a r i o u sf l u x e si n u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r s ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t i e sa n dd i s t a n c eb e t w e e n t w ol e g so nt h eh e a tt r a n s f e ro f u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r sa r ed i s c u s s e d t h e n ，a l lt h i se x p e r i m e n tr e s u l t sc a na l s op r o v i d es o m er e f e r e n c ev a l u e sf o r t h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n do p e r a t i o no f g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s i nt h ef u r t h e r k e yw o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) ，v e r t i c a lu - t u b e g r o u n dh e a te x c h a n g e r ，g r o u n dt e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下。 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：壹当日期：呈盛：丛 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：里当 日期i 导师签名： 如lf 。1 6 e ! 其1 1 ：迎亟：丝 人昧胛1 人t 硕十州究，上学何论文 1 1 引言 第一章绪论 能源是人类赖以生仃和推动社会进步的重要物质基础。人类在认识和利用能 携5 方面仃川次重人的突破，即火的发现、蕉汽机的发明、电能的利用、原子能的 丌发和使用。每次重大突破都推动了经济和科学技术的发展。而科学技术的发展 和经济发展对能源需求量也相应增加。如2 0 世纪5 0 年代世界总能耗以标准煤计 相当于2 6 亿吨，7 0 年代增加到7 2 亿吨，8 0 年代增加到8 0 亿吨。7 0 年代世界总 能耗的构成石油及天然气占2 3 ，按这样的消耗速度世界石油和天然气总储量只能 维持几十年。 在中国，煤作为主要能源，煤炭在我国能源体系中占主导地位，长期以来， 煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有绝对主导地位，尽管近年来，比 例略有下降，但仍然保持在6 5 以上，并再次呈现出上升的迹象。2 0 0 2 年煤炭在 我国能源生产结构、消费结构中的比例分别由2 0 0 1 年的6 8 6 和6 5 3 上升为 7 0 7 和6 6 1 。长期以来以煤炭作为主要能源对我国的大气环境造成了严重的破 坏。虽然我国制定的空气环境二级标准远远低于发达国家的同类标准，但是实际 监测结果表明，我国绝大多数城市仍然难以达到标准。尤其对北方城市如此，采 暖季节会大大超过标准的好几倍。川 我国正在规划改变以煤为主的能源结构，计划到2 0 1 0 年使我国能源结构中煤 炭的比重降到6 0 以下，天然气的比重降到8 左右，此外电力供需总量差不多平 衡，但是突出的问题是电力负荷峰谷差较大，长远看会克服，但目前对电力负荷 削峰填谷还是较为重要的。 因此，开发利用清洁能源和可再生能源，寻求和推广使用替代能源势在必行。 建筑能耗( 即建筑使用的能耗) 包括采暖、空调、热水供应、炊事、家用电 器等方面的能耗。建筑能耗占总能耗的2 7 ，其中，以建筑采暖和空调能耗为主， 占建筑总能耗的5 0 7 0 ，是建筑能耗的最主要部分，也是浪费最为严重和节 太原理1 人中坝十f 究7 i - 子何论文 能潜力最大的部分。在发达国家，建筑能耗占全社会总能耗的比例高达3 0 4 0 ，有的甚至更高，而我国目前这一l c i 剪j 4 , h x j 较低，1 9 9 9 年我国建筑能耗占社 会总能耗的比例达2 0 2 5 。但所占份额正在高速提高。由此可见建筑节能对 全社会能源消耗的降低具有重要作用，建筑节能的紧迫性己成为广泛共识，建筑 节能中处于重要位置的采暖空调节能备受关注。1 2 1 热泵技术作为建筑节能的重要手段，在世界各国均得到了广泛应用，但究其 热源的选取上，则主要以空气作热源为多。其实，在热泵出现的早期，空气作为 热源并不为研究者们看好，因为其技术经济性受到怀疑，但是由于其应用上的灵 活性和便捷性，使其今同的应用达到了最大化。相反，当初被视为首选的土壤作 为热源的方案却因技术原因及灵活性、便捷性的不足而败下阵来，土壤源热泵至 今未能得到广泛应用。不过技术的发展最终不会忽视最根本的立足点，随着技术 的进步、能源价格的不断攀升、比空气源热泵具有更节能、更环保的地源热泵必 将迎来应用的黄金时代。 1 2 地源热泵的国内外发展史 1 2 1 地源热泵的国外发展史 热泵的研究历史可以追溯到1 9 1 2 年瑞士z o e l l y 提出“地源热泵”这一概念【3 j 。 1 9 4 6 年美国丌始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统， 运行很成功。从而就开始了热泵的性能研究，至今对其做了广泛的数值分析和实 验研究。尤其对地源热泵系统的地下换热过程和温度分布场进行了大量研究，建 立了相应的数值模型与计算机模拟卧i 训。 根据文献 8 统计，从全世界的范围来看，地源热泵系统的使用自从1 9 9 5 年 丌始以每年9 7 的速度增长，到2 0 0 1 年为止增加了5 9 ，这主要集中在美、欧、 日等国家。在这些国家中地源热泵技术已经很成熟，并且有十分完善的标准。 美国近年来在地源热泵方面进行了大量推广工作，美国政府也充分肯定了它 的潜力，鼓励使用这种寿命周期费用低、温室气体排放量少的空调技术。目前， 美国能源部和环保局已经联合成立了地源热泵中心，筹集了l 亿多美元资助科研 项目和市场丌发，已资助了十几项重大的地源热泵实验示范项目，并在2 0 多个州 2 太原理j 人学硕十岍究t 学付论文 鼓励市政部门和公立学校、医院等率先安装地源热泵供暖和制冷系统。现在美国 的家庭、银行、医院、机场、连锁旅客、超市、办公楼和学校等均有一定比例的 建筑使用地源 丸泵。根据荚田地源热泵联合会的统计，截止1 9 8 5 年荚田安装地 隙热泉1 4 ，0 0 0 台，1 9 9 7 年安装4 5 ，0 0 0 台，剑目酌为止安装了结4 0 0 ，0 0 0 台， 并且每年以1 0 的速度增长。1 9 9 8 年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到 空调保有量的1 9 以上，其中在新建筑罩面占领3 0 ，到2 0 1 0 年将达到1 2 0 ，0 0 0 台，其中绝大多数为地源热泵【9 1 。 欧洲地激热象研究丌发已有2 0 年的力史，该项技术的可持续性已在欧洲得到 了普遍认可，并且欧洲有完善的设计和安装标准。欧洲许多国家气候条件决定了 他们一般只需供暖，很少需要制冷，因此与美国的地源热泵发展有所不同，中、 北欧如瑞士、奥地利、瑞典、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下室土壤埋 盘管( 埋深( 4 0 0 米) 的) 地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活用水。很 难查明在欧洲已经安装了的热泵的可靠数目，尤其是独立的热源。然而随着大规 模商业应用的增长，南欧许多国家开始应用地源热泵来实现制冷，因此应用地源 热泵柬实现加热和制冷双重功能，将在欧洲变得越来越重要。9 0 年代以来，欧洲 地源热泵安装进入了快速增长时期。欧洲地源热泵主要集中于北欧和中欧，如奥 地利、法国、瑞典、瑞士、德国、丹麦掣1o 】【l 。图卜l 给出了近期欧洲几个应用 热泵的主要国家已经安装的机组的数目。 下面以瑞士、德国、瑞典、加拿大和奥地利为例，介绍欧洲地源热泵的发展 情况。 1 瑞士 瑞士地源热泵技术得到了快速发展，年增长速率达到了1 5 。目前瑞士已 有2 5 0 0 0 套地源热泵在运行，其中水平螺旋状封闭循环占5 ，垂直封闭地源热泵 占6 5 ，地下水源热泵占3 0 。瑞士地源热泵的发展开始于1 9 8 0 年，并得到了快 速发展。小型地源热泵( 2 0 k w ) 在瑞士得到了快速增长。在2 0 0 1 年，瑞士地源 热泵的安装容量达到了4 4 0 m w ，产热量达到了6 6 0 g w h 。在2 0 0 2 年，瑞士钻孔 总深度达到了6 0 0 k m ，钻孔成本( 包括钻孔，u 型管安装，回填土) 达到了4 5 美 元m 。 3 太原理】：人学硕十研究生学付论文 撂恕l 瓣俄限于锻咿( $ - 雌盯。l 辑，i 援巍柏1 新前嚣鬟( o h f 撕衡弱) 图卜1 欧洲部分国家的已装热泵机组数目( s a n n e r ，1 9 9 9 ；d o n n e r b a u e r ，2 0 0 3 ) 【i i 】 图卜2 瑞士的b i t e ( b o r e h o l dh e a te x c h a n g e ) 地热产量( 进入热泵前) 1 1 1 f i g u r e1 - 2s e l ls t a t u so f h e a tp u m pi ns w e d e n 注：数据基于a w p 销售统计；调查受托于瑞士联邦能源办公室b e r n ( 见w ii c l m r y b a c h 1 9 9 9 ) 2 德国 自从1 9 9 6 年以来，德国统计了不同热源热泵的安装情况，见图1 - 3 。最近几年 4 太原理i 。人半硕十研究生学侍论文 德国地源热泵的应用稳定增长，2 0 世纪8 0 年代德国地源热泵在所有热泵中所占比 例还不到3 0 ，1 9 9 6 年已增长到7 8 ，2 0 0 2 年已增长到8 2 。尽管从2 0 0 1 年n 2 0 0 2 年，袍固建筑市场n 萎缩，f e t 地源热泵的销售量仍有轻微增长。 图1 - 3德国1 9 9 6 20 0 2 不同类型的热泵年销售量( 按热源分类) 1 1 1 1 f i g u r e1 - 3s e l ls t a t u so f h e a tp u m pi ng e r m a n yf r o m1 9 9 6 t o2 0 0 2 ( 数据来源于i w ze v o fh a a n o v e r 和b w pe v o f m u n i e h i 只产出生活热水的热泵不在此类) 3 瑞典 地源热泵早在1 9 8 0 年就在瑞典深受欢迎，至u 1 9 8 5 年已经安装了5 0 0 0 0 套地源热 泵。接着由于较低的能源价格和质量问题，曾一度使瑞典地源热泵市场萎缩，从 1 9 8 5 1 9 9 5 年，年平均安装热泵2 0 0 0 套。由于瑞典政府的支持和补贴，公众对地 源热泵的认可和接受在1 9 9 5 年以后开始增长。在2 0 0 1 2 0 0 2 年总共有2 7 0 0 0 套地源 热泵被安装，其中9 0 是居民用户。目前瑞典地源热泵的安装总量估计达到了2 0 万套。瑞典是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，其中封闭循环系统所占 比例越来越高，至1 9 9 8 年已占7 0 以上，总数达2 0 万台以上。 5 太原理j 人学硕十研究生学何论文 表1 - 1 地下耦合热泵采暖占总生活采暖之比( 数据来源于v a nd ey e n 。1 9 9 9 ) 1 1 2 1 t a b l el 一】t h ep r o p o r t i o no f g r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p ( g s h p ) h e a t i n g t o l i v i n g h e m i o g 此外，日本的热泵制造技术是相当不错的，水水式供暖 丸泵的数帚也名列世 界6 0 茅，年生产量达到4 0 0 万台。但是由于同本宵丰富的热水资源、同本上地使 用费用相当昂贵，所以作为住宅供暖制冷的地源热泵应用还十分少见，而主要供 应给冰蓄热采暖$ j j 冷系统和水箱式采暖制冷系统。一些市政建设项目和公益性 建筑( 如医院、养老院、道路等) 曾利用地热泵做供暖制冷热水供应道路融雪 等综合性服务，效果颇佳2 i 。 从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬 夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况 对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。 1 2 2 地源热泵的国内发展史 在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持 较高速度的增长，另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高 能源利用效率，要求能源结构调整。 能源利用效率提高，会鼓励各种节能设备和技术的推广，能源结构调整的方 向就是从以煤为主转为以燃气，直至以电为主。在我国的能源消耗中，用于供暖、 空调的耗能比例相当高，而地源热泵凭借其节能环保的特点在国、内外得到了广 泛的应用。 我国在地源热泵领域的研究始于2 0 世纪8 0 年代初的天津大学和天津商学院， 自此，其它少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但 是，由于我国能源价格的特殊性，以及其它一些因素的影响，地源热泵的应用推 广非常缓慢。2 0 世纪9 0 年代以后。由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所 具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开 始投身于此项研究。1 9 9 5 年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了中华人 民共和国国家科学技术委员会和美利峰合众国能源部效率和可再生能源技术的发 展与利用领域合作协议书，并于1 9 9 7 年又签署了该合作协议书的附件中华人 民共和国国家科学技术委员会与美利峰合众国能源部地热开发利用的合作协议 7 太原理人学硕十研究生学仲论文 书 j 4 lo 其中，两国政府将地源热泵空调技术纳入了两国能源效率和可再生能源 的合作项目，这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。 中国的地源热泵的研究和应用与国外相比，在热泵机组的优化设计和工程应 用上还存在较大差距。但国内的地源热泵市场是十分巨大的，应用实例也越来越 多。1 9 9 8 年是我国在该领域的一个里程碑，从这一年丌始，国内数家大学纷纷建 立了地源热泵的实验台。其中，1 9 9 8 年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器 和水平埋管换热器在内的实验装置；1 9 9 8 年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源 热泵装置：1 9 9 8 年湖南大学建设了水平埋管地源热泵实验装置：1 9 9 9 年同济大学 建设了垂直地源热泵装置等。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批 量生产相关产品。 国内的热泵制造厂商中清华同方人工环境设备公司、山东海阳富尔达是比较 早的热泵制造厂家。清华大学、天津大学分别与有关企业结成产学研联合体开发 出中国品牌的地源热泵机组，已建成数个示范工程，越来越多的中国用户开始熟 悉热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。之所以对中国的热泵市场发展前景持乐 观念度，一方面是要节约常规能源、充分利用可再生能源的国内外大趋势；另一 方面，我国具有较好的热泵科研与应用的基础，早在5 0 年代，天津大学热能研究 所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1 9 6 5 年研制成功国内第一台水冷式 热泵空调机。重庆建筑大学、天津商学院等单位对地源热泵也进行了多年的研究。 在中国科学院广州能源研究所等单位还多次召开全国性的有关热泵技术发展与应 用的专题研讨会，这些都必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。 1 3 地源热泵技术的研究现状 1 3 1 地源热泵技术的国外研究现状 土壤源热泵在国外起步较早，其发展大致可以分为以下三个阶段： 第一阶段，1 9 1 2 年，瑞士人佐伊利( a z o e l l y ) 无提出了利用土壤作为热泵 热源的专利设想，但是，直到二战结束后，才在欧洲与北美兴起对其大规模的研 究与开发，这一阶段主要是对土壤源热泵进行了一系列基础性的实验研究，包括 土壤源热泵运行的实验研究，埋地盘管的实验研究，埋地盘管的数学模型的建立， 8 人腺删1 人学硕f ：研究叶二学何论文 同时也对土壤的热流理论方面作过研究，如丌尔文线源理论；然而，由于土壤源 热泵的高投资及当时廉价的能源资源，这一阶段的研究高潮持续到2 0 世纪5 0 年 代中期便基本f 争e 了”。 第二：阶段，1 9 7 3 一， | jj “能源危机”的出现，美园和欧洲又展门了对l 壤 源热泵大规模的实验与理论研究，瑞典在短短的几年内共安装了土壤源热泵1 0 0 0 多台套，美国从1 9 7 7 年丌始，重新丌始了对土壤源热泵的大规模研究，1 9 7 8 年， 洲l ( b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 制定了土壤源热泵的研究计划，调杏其作 为空凋系统的应用睛况，爿发衷了一一些研究成果，主要自对土壤掘热泵实融、运行 的计算机械模拟等；资料研究表明：几乎所有的有关土壤源热泵的研究工作都是 在美国能源部的支持下，出美国的多所大学和b n l o r n l 等国家级重点实验室进行 的，可以说，土壤源热泵的绝大部分研究工作均是在这一阶段完成的。 第三阶段，进人二十世纪九十年代，土壤源热泵的应用与发展进人了一个全 新快速发展的时期，土壤源热泵在欧洲和北美迅速普及；在中欧和北欧地区，土 壤源热泵已成为家用热泵的主要热源；在美国，土壤源热泵因其节能性、舒适性 正在大力推广；在加拿大，从1 9 9 1 年到1 9 9 6 年家用的土壤源热泵以每年2 0 的递 增销量而处于各种热泵系统的首位l 搭j 。 1 3 2 地源热泵技术的国内研究现状 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【l6 1 。 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。这一阶段的研究主要内容如下： a 有关地源热泵理论方面的研究。这些研究包括： ( 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念工况数值模拟研究 9 太原理1 人宁仰! 十研究t 。付论文 ( 4 ) 地热换热器合理问距的理论分析 ( 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 b 完成了地源热泵供冷及供热方面的试验。 ( 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 c 相关产品的丌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 年代未，我国水冷式冷水机组丌始应用，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( 即国标g b l 0 8 7 0 - 8 9 ) ，但缺乏风冷式冷水 机组及热泵机组的内容。因此导致我国某些机型处于无章可循的局面。例如，水 冷式冷水机组名义工况冷却水进口温度有3 0 0 。c ，3 2 0 ，风冷式室外侧空气干球 温度有3 0 0 ，3 5 0 ：而且型号表示与制冷量极不对应，缺少统一指导，使用户 选型和使用处于较困难的境地，质量评估也缺少技术指导。 9 0 年代以来，冷水机组和热泵机组发展迅速，为了满足生产需要，根据 j i s b 8 6 1 3 8 6 冷水机组、a r l 5 9 0 8 1 活塞式冷水机组和a r l 5 9 0 9 2 容积式 冷水机组以及j b t 7 6 6 6 9 5 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( j b t 4 3 2 9 9 7 ) 。因此目前我国的热泵机组大多是按 照该标准执行的。 9 0 年代术，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( j b t 4 3 2 9 9 7 ) 的标准执行。 实际上，地源热泵的运行工况与j b t 4 3 2 9 9 7 舰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工况和制造标 准，分别适用于水环热泵、地下水源热泵和土壤源热泵。目| j i ，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， 1 0 太原理i 人学硕十。研究个。学伸论史 为地源热泵机组的生产和选型提供理论基础。 d 丌始了地下水源热泵和土壤源热泵的1 程应用。 n 地源锻泵系统t _ p ，地 丸换热器的研究f 怂地源执象技术的难妊，同时电 足也是该项技术研究的核心和应用的堆础。现自的地热换热器设计方法大都基于 荚斟和欧洲对地热换热器的试验研究。国内有关地源热泵的研究重点均放在地热 换热器的试验研究上，试验的重点是： ( 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 ( 4 ) 土壤热物性的确定等 重庆建筑大学、同济大学、青岛建筑工程学院，山东建筑工程学院等也分别 根据各自的地质条件给出了相关的试验结果。结果表明，不同的地理位置及土壤 热物性，单位管长放热量相差较大。目前已丌展的研究绝大多数都局限于对所建 立的实验系统进行性能测试并与传统的空气源热泵性能进行技术经济比较，从而 得出地源热泵节能的一般性结论。由于缺乏对换热器在土壤中复杂的传热机理的 深入研究，使得所得结论只适用于某一具体实验系统，理论性较差，提供的基础 数据又较少，因而难于指导实际的工程设计。目鲋，国内对地源热泵的研究仍然 处于试验研究的阶段，只有个别工程应用的实例。对地热换热器的设计有的是按 照试验数据进行估算，有的则是根掘模型利用计算机进行模拟。由于影响地热换 热器的因素很多，而且地下传热过程复杂，现有的各种设计方法得出的结论往往 相差很大，而且在短时间内很难达成共识，且由于缺乏已有工程经验总结，因此 难于判断现有方法的优劣。 1 4 小结 中国能源结构的调整为地源热泵在中国的进一步应用提供了良好的背景，本 章介绍地源热泵系统的优缺点的同时，结合地源热泵在世界范围内的应用、发展 状态和我国国情，为本文以下的研究提供了很好的背景资料。对当前u 型垂直式 土壤源热泵的研究成果和动态进行了归纳总结，为我们今后深入研究提供了理论 和实践的指导。 太原瑚1 人学旧 一研究， 0 1 吖矗论上 1 5 本文的研究任务 本文的蔓要研究任务是： l 、通过对u 型埋管换热器传热特性的深入分析，建立了与实际工程应用相吻合的 三维数学模型，分别就管内深度方向的一维传热及水平方向的二维传热建立传 热微分方程，对方程离散化后进行耦合。 2 、然后，在建立模型的基础上，变换数学模型中的几何参数、物理参数和物性参 数进行计算。为了得到某一因素的影响效果，在固定其他影响因素条件下对其 做一系列变换进行计算，得到一系列计算结果。计算得到的数据本身可以作为 地源热泵工程设计的参考，经过整理分析得出各种因素的影响趋势、变化规律 可以为优化工程设计提供依据。 1 2 太原理i 。人学硕十研究生学 奇论文 第二章地源热泵的原理 2 1 地源热泵的工作原理及分类 2 1 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，它本身 消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整 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，对蒸气压缩式热泵( 制冷) 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 ( 制冷) 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， 以吸收被冷却物体的热量，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； 膨胀阀或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。 在图中工质1 、2 均表示与热泵系统进行热交换的循环介质。在热泵系统循环 中实线箭头和虚线箭头分别表示热泵在制冷和制热时的工质流向。在制冷时，工 质2 换热器1 ( 蒸发器) 中与系统工质进行热交换，系统工质吸热变成低温低压蒸 汽后进入压缩机，被压缩成高温高压气体，在换热器2 ( 冷凝器) 中与工质l 热交 1 3 太原珲1 人学硕十研究，l - 学衍论文 换，排放热量。工质2 的冷量可供建筑物空调用。制热时，工质1 在换热器2 ( 蒸 发器) 中与系统工质热交换，系统工质吸热变成低压蒸汽进入压缩机，被压缩成 高温高压气体，在换热器1 ( 冷凝器) 中与工质2 热交换，工质2 吸收热量，可供 建筑物供暖所需，这就是热泵的工作原理。 循环泵 膨胀l l l 4 33 。 一 厂一 i 换换向阀 22 。 一二1 3 压缩机 图2 - 1 热泵工作原理图 f i g u r e2 - iw o r kp r i n c i p l em a po f h e a tp u m p 机组输入电能w 工质l 图2 - 2 地源热泵工作原理图 f i g u r e2 - 2w o r kp r i n c i p l em a po f g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p 2 1 2 地源热泵的工作原理 地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能( 地下水、土壤 1 4 太原理1 人宁颐十研究生学仲论文 或地表水) 进行冷热交换束作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取” 出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”：夏季把室内热量取出来，释放到地下 水、七壤或地表水中，此时地能为“冷源”( 见图2 2 ) 。 2 2 地源热泵分类 2 2 1 按照室外换热方式不同分类 地源热泵按照室外换热方式不同可分为三类：地下水系统、地表水系统、土 壤埋盘管系统。 1 地下水系统 地下水系统得热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水( 见图2 3 ) 。经过换 热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把 地下水回灌到原来的地下水层。地下水系统具有系统渐变易行，综合造价低，水 井占地面积小，可以满足大面积建筑物的供暖空调的要求等优点；但地下水系统 需要有丰富、稳定，优质的地下水。目前国内地下水回灌技术还不是很成熟，很 难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。此外，即使能够全部回灌， 怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。水资源是当前最紧缺、最宝贵 的资源，任何对水资源的浪费或污染都是绝对不允许的。国外由于对环保和使用 地下水的规定和立法越来越严格，地下水热泵的应用已逐渐减少了。 2 地表水系统 地表水系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水( 见图2 4 ) 。在靠近 江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得 考虑的一种空调热泵的型式。地表水系统亦具有系统简便易行，初投资较低等优 点；但地表水系统也受到自然条件的限制。此外，由于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。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等 多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境 1 5 太原理1 人学硕十研究乍学忙论文 的影响有时也需要预先加以考虑。 图2 - 3 地下水系统 f i g u r e2 - 3s y s t e mo f g r o u n d w a t e rh e a tp u m p 图2 - 4地表水系统 f i g u r e2 - 4s y s t e mo f s u r f a c e - w a t e rh e a tp u m p 3 土壤埋盘管系统 土壤埋盘管系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。其又称 为“地下耦合热泵”或“闭路地源热泵”，有的时候可以直接称为“地源热泵”( 见 图2 5 ) 。它通过循环液( 水或以水为主要成分的防冻液) 在封闭地下埋管中的流 动，实现系统与大地之间的传热。其优点是系统不受地下水量的影响，对地下水 没有破坏或污染作用，系统运行具有高度的可靠性和稳定性。它的主要缺点是： 由于管壁传热温差的存在，机组冬季地源侧水温低于地下水式系统5 一i o c ，机 1 6 太原理1 人学硕十研究生中仲论文 组运行条件相对较差，降低了运行效率；埋地热换热器受土壤性质影响较大；连 续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤 号孰系放小而使埋地换热器的持续吸热速事小，导致f 地换热器的丽积较大，如 平面如胃的埋地换热器的面积约为房问面积的2 侣左右；在岩石地区因较高的钻 孔费用而难以推广应用。 2 2 2 按照循环水是否为密闭系统分类 地源热泵按照循环水是否为密闭系统分为闭环系统、斤环系统。 闭环系统指的是通过水或防冻液在预埋地下的塑料管中进行循环流动来传递 热量的地下换热系统，如埋盘管方式( 垂直埋灌或水平埋管) ，地表水安置换热器 方式。 丌环系统通常指利用传统的地下水井传递地下水中或地下土壤中热量的地下 换热系统，此外表面水热泵s w 肿中的池塘或湖水直接利用热泵系统也属于开环 系统，如抽取地下水或地表水方式。 2 2 3 按照埋管方式的不同分类 按照埋管方式的不同分为水平埋管式、垂直埋管式和桩埋管地源热泵系统。 使用的管路可以是直管，也可以是套管或螺旋管。换热器使用垂直直管的时候一 般使用u 型接头连接换热器的进水管和出水管，因此也称为u 型管。 1 水平埋管地源热泵系统 通过中间介质( 通常为水或者是加入防冻剂的水) 作为热载体，使中间介质 在水平埋于土壤内部的封闭环路( 土壤换热器) 中循环流动，从而实现与大地土 壤进行热交换的目的( 见图2 5 ) 。这种方式的优点在于挖沟槽的成本低于打井的 成本，安装比较灵活。缺点是需要大量土地面积，土壤温度易受季节影响，土壤 热特性随季节、降雨量和埋设深度而波动。 1 7 太原理i 人学硕十研究t 学侍论文 图2 5 水平埋管系统1 1 7 】 f i g u r e2 - 5h o r i z o n t a li n s t a l l a t i o no f s y s t e m 2 垂直埋管地源热泵系统 通过中阃介质( 通常为水或者是加入防冻剂的水) 作为热载体，使中b j 介质 在垂直埋于土壤内部的封闭环路( 土壤换热器) 中循环流动，从而实现与大地土 壤进行热交换的目的( 见图2 6 ) 。其优点在于所用管材较少，泵的损耗小，要求 土地面积较小，土壤温度不受外界环境影响。缺点是要使用钻井设备，费用较高。 图2 - 6 垂直埋管系统1 1 7 j f i g u r e2 - 6v e r t i c a li n s t a l l a t i o no f s y s t e m 3 桩埋管地源热泵系统 桩埋管系统将换热器管道埋入桩基中。埋入桩基的u 型管一进一回形成环路， 通过桩基与周围土壤换热“1 9 1 。这种埋管方式对于密度较高的住宅区非常使用， 它不需要很大的土地施工面积，而且降低了打井费用，机组运行效果与前两种形 式相当。由于这种埋管方式受到技术力量和实际情况的制约，在国内的应用较少。 1 8 太原理| 人中硕十研究生学仲论文 它不需要很大的土地施工面积，而且降低了打井费用，机组运行效果与前两种形 式相当。由于这种埋管方式受到技术力鼍和实际情况的制约，在国内的应用较少。 2 3 地源热泵的特点 1 属可再生能源利用技术 地源 丸泵足利用了地球袁面浅层地于丸资源( 通常小于4 0 0 米深) 作为冷热源， 进行能量转换的供暖空调系统。地衷浅层地热资源可以称之为地能( e a r t h e n e r g y ) ，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低 温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳能量比人类 每年利用能量的5 0 0 倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处 不在