（土木工程专业论文）中埋双u管地源热泵系统运行特性的分析与实验研究.pdf

独创性说明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 签名：l 量辛色日期：丝! 堡i ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其它复制手段保存论文。 日期：纱f u 石j 弓 摘要 摘要 地埋管地源热泵系统由于受资源限制较小，安全稳定性高，在住宅、商业等 建筑中得到广泛应用，尤其是在北京这样一个水资源贫乏地区，其应用率达到 3 5 。但由于缺乏实际工程运行特性的基础数据，致使指导工程设计的方法仍然 仿照国外技术，没有适合中国水文地质条件、经济条件、建筑围护结构等条件的 成熟设计方法。另外，指导工程实践的实验研究多数针对单个钻孔、深埋管，也 没有考虑系统长期高效运行的可行性以及地层结构状况的复杂性等因素。 为此，本研究以北京奥林匹克森林公园办公建筑用中埋双u 管热泵系统为 研究对象，搭建了1 ：l 的在线、连续、实时的监控实验平台，通过全程长期的 监控系统供热、供冷运行状况，跟踪采集基础数据，并采用理论与数值模拟相结 合的方法从以下五个方面进行了研究工作： 首先，对中埋地埋管地源热泵系统的定义及其构成进行了阐述；在分析研究 地埋管换热器传热模型的基础上，归纳总结出地下换热器传热与流动特性的主要 影响因素。 第二，以园区内具有典型特点的中埋地埋管热泵系统为工程案例，采用d e s t 软件与实测相结合的方法分析研究了此类建筑的空调负荷特性。 第三，通过实测数据与数值模拟软件t i 矾s y s 相结合的方法重点分析研究 了地埋管系统稳定运行期间管内流速、土壤导热系数、土壤初始温度、钻井深度 等因素对中埋双u 管传热量的影响规律以及全年空调负荷与冷热堆积的问题。 第四，以实测数据为基础，依据工程热力学原理，重点分析研究了空调末端 负荷及蒸发温度、冷凝温度等因素对地源热泵机组运行特性的影响规律。 第五，运用数值模拟软件t n r s y s 分析研究了管内流速、土壤导热系数、 回填材料导热系数、埋管进水温度、钻孔深度以及钻孔间距等因素在冬夏不同工 况下，对4 0 m 埋深单( 双) u 形地埋管换热系统换热性能的影响规律。同时认 识到现行地埋管设计中存在的主要问题，并建立了可行的设计方法体系，对选取 的典型建筑进行了系统优化设计。 关键词：中埋；双u 管；运行特性；实验研究；模拟计算 北京t 业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t g c h p si s 、析d e l y 璐e d 证c o m m e r c i a la r l dr e s i ( 1 e m i a l b u i l d i n g sd u et o t s r e l a t i v e l ys 剃lr e s 0 u r c ec o n s 仃a i n t s ，l l i g hs a f e 锣觚d 鼬i l i 饥e s p e c i a l l yi i lb e i j i n g a t p r e s e n t m e 印p l i c a t i o nm t e sa r e3 5 b u t l e r en e i m e rb 嬲i cd a ：t ao ft l l e a c t u a l p r 巧e c to p e r a t i o nn o rm a ：t u r ed e s i g nf o rt l l er e f e r e n c ea b o u t l i ss y s t e mi i lc h j m t h e m 句o r i t ) ro fe ) 【p e r i m e n t a jr e s e a r c h e sf o rt l l ee n g i i l e e 血gp m c t i c e a r ea r el i m i t e dt 0t 1 1 e a 蹦y s i so f as i n g l eb o r e h o l e 趾dd e 印- b u r i e dn l b e t l l e yh v e rl i t t l ec o i l s i d e r a t i o na b o u t t 1 1 er a t i o n a l i t yo fs y s t e mo p e r a t i o n 孤l dt l l ec o m p l e ) 【i 够o ft 量l eg r o u n df o m a t i o ne t c 1 1 1 e r e f o r e ，t 1 1 i sm l d yd i s c u s st h em o d e r a t e b u 【r i e dg c h p s d l j c hu s e di nap a r k m a n a g e m e mo 伍c eb u i l d h l gi l lb e i j i n go l y m p i cf o r e s tp a r ka n da1 ：1m o d eg c h p s e x p e r i m e n t a lp l a 仃。珊w i l i c hi so nl i n e ，c o n t i n u o u sa i l dr e a l - t i m ei ss e tu p m e 锄w k l e t h eh e a t i i l ga n dc 0 0 1 i n gp e 响n n 锄c ec h 觚斌e r i s t i c so ft l l i ss y s t e ma r em o i l i t o r e d l o n g - t e mt 0p r o v i d eb a s i cd a t a t h ek e ys t u d yc 0 m b i i l e s 、杭mt l l e o r e t i c a la n d n 啪e r i c a ls 证m l a t i o nm e t h o di sp e r f o m e d 嬲f o l l o w s ： f i r s t l y t l l ec o n c e p t i o na l l d c o m p o s i t i o no fm o d e r a t e - b u r i e dg c h p sa r e i i l 仃0 d u c e d t h em a l i nf l a c t o r sw l l i c hi n f l u e n c et l l eh e a ln a n s f - e r 锄dn o wc h 剐_ a c t e r i s t i c s o fg r o u i l dh e a te x c h a i l g e ra r em l d e r s t o o db yt l l e 删y s i so fh e a tt r a i l s f e rm e o r e t i c a l m o d e ls e c o n d l y ，t a l 【i 1 1 9a 咖i c a lm o d e r a t e - b u r i e dg c h p s 弱a i le x 锄p l e ，锄dd i c u s s t 1 1 eb u i l d i r 玛l o a dc h a r a c t 甜s t i c sb yd e s ts o f e w 乏鹏a i l dn l ee x p 甜m e m a lr e s u l t s 1 1 l i r d l y a i l a l y z i n gt l l en o wv e l o c i 劬t l l es o i lt l l e n i l a lc o n d u c t i v i 吼t h e 试t i a l g r o u n dt e m p e r 叭鹏a n db o r e l l o l ed e p t h 砌u e n c et l l em o d e r a t e - b u r i e dg c h p sd 嘶n g t l l es y s t e ms t l b l yo p e r a t e 加l da l s od i s c u s st l l ep r o b l e mo ft 1 1 e 、他o l ey e a rb u i l d i i l g l o a d s 觚d 也ea c c u n “a t i v eq u a n t i 够o f h e a t0 fc 0 0 1 f o u “h l y b a u s e do nt l l em e a s u r e dd a t aa n dt h ee n g i n e e r i n gt l l e 咖o d ”锄i c s ， r e s e a r c l l i n gt 1 1 eb u i l d i r 培l o a d s ，e v a p o r a t i i l gt e m p e r a t u r e ，锄dc o n d e n s i n gt e m p e r a _ t u r e i 川1 u e n c et h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f 孕d m l ds 0 c eh e a tp u m p f i n a l l y ，锄a l y z i i l gt 1 1 e 白c t o r ss u c h 嬲n o wv e l 0 c i 饥s o i lt 1 1 e 硼a jc o n d u c t i v i 劬f i l l m e 肌a lc o n d l l c t i v i 吼i n l e tt e m p e r a t u r eo fm es o m c es i d e ，b o r e h o l ed e p t h 锄dt h e b o r e h o l es p a c i i l ge t ct h r o u 曲n 啪嘶c a ls i i i l l l l a t i o ns 0 r w 乏啪n 矾s y s ，w l l i c hh a v e g r e a ti i l l p a c t o nt h eh e a t 的n s f e rp e r f o n l 均n c eo ft h e 4 0 一m e t e r - d e e p 掣。o u i l dh e a t e x c h 趾g e r sh l 诵n t e r 锄ds 硼m e r m e a w l l i l e ，n l em a i nd e s i 弘i s s u e so fg c h p s a r e u l l d e r s t o o d ，锄dav i a b l ed e s i 印m e t l l o d o l o g yi se 妇b l i s h e dt 0o p t i i i l i z et h et y l ) i c a l t t a b s t 隐c t b u i l d i n gw m c h i ss e l e c t e d k e ) 啪r d s ： m o d e r a t e - b u r i 咄 d o u b l e u劬e ；p e 墒m 锄c ec l m r a c t e r i s t i c s ； e x p e m l e n t ；s i i n u l a t i o n - 目录 皇皇曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼曼鼍曼皇曼皇曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼量曼曼鼻蔓曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量曼曼量曼量曼曼曼 目录 摘要i a b s n ? a c t i i 目录。v 第1 章绪论一1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外地埋管地源热泵系统的发展及研究2 1 2 1 地埋管地源热泵系统的实验研究。2 1 2 2 地埋管地源热泵系统的理论研究。4 1 3 课题研究内容、思路及特色5 1 3 1 研究内容。5 1 3 2 研究思路6 1 3 3 研究特色7 第2 章中埋地埋管换热系统的传热过程分析8 2 1 中埋地埋管地源热泵系统的概念及原理8 2 2 地埋管换热器的传热分析概述11 2 2 1 基于线热源理论的传热模型( 现行规范) l2 2 2 2 基于圆柱源理论的传热模型( a s h 墟) 1 3 2 2 3 基于数值解法的传热模型d s t ( t r n s y s ) 1 5 2 2 4 三种模型的比较2 1 2 3 影响地埋管系统换热性能的因素2 1 2 4 本章小结2 2 第3 章工程概况及其空调负荷特性2 3 3 1 工程概况2 4 3 2 典型建筑空调冷热负荷特性分析2 4 3 2 1 北京地区气象特征分析2 4 3 2 2 典型建筑功能使用特点2 5 北京t 业大学工学硕士学位论文 3 2 3 典型建筑全年动态逐时负荷模拟计算2 6 3 2 4 典型建筑全年动态逐时实测负荷一2 8 3 - 3 本章小结3 0 第4 章地埋管地源热泵系统实验监控平台3 1 4 1 实验监控平台的基本原理及构成3 l 4 1 1 空调末端系统3 2 4 1 2 地埋管换热系统3 2 4 1 3 地源热泵机组3 3 4 2 数据监控仪器3 4 4 2 1 温度测量3 4 4 2 2 压力测量3 4 4 2 3 流量测量3 4 4 2 4 电耗测量3 4 4 3 数据采集与处理3 5 4 3 1 计算机监控硬件系统3 5 4 3 2 计算机监控软件系统3 6 4 3 3 数据处理方法3 7 4 4 本章小结3 8 第5 章中埋地埋管换热系统运行特性实测分析3 9 5 1 研究方法3 9 5 2 实验内容及方案4 0 5 3 实测条件4 1 5 3 1 实测期间室外气象条件4 l 5 3 2 实测数据说明4 2 5 4 实测结果分析4 2 5 4 1 流速的影响( m o d e l ) 4 2 5 4 2 土壤导热系数、土壤初始温度及钻井深度的影响( m o d e 2 ) 4 5 5 4 3 全年空调负荷变化与土壤冷热堆积( m o d e 3 ) 4 6 目录 5 5 本章小结4 8 第6 章地埋管地源热泵机组运行特性分析4 9 6 1 工作原理4 9 6 2 影响因素分析5 0 6 3 实测热泵机组基本技术性能参数5 0 6 4 负荷的影响51 6 5 蒸发温度与冷凝温度的影响5 3 6 5 1 夏季工况5 3 6 5 2 冬季工况。5 4 6 6 本章小结5 5 第7 章地埋管换热系统的优化设计5 6 7 1 模拟系统的构成及验证5 6 7 2 计算条件5 6 7 3 计算结果及分析5 8 7 3 1 地埋管换热器管内流速( m o d e l ) 5 8 7 3 2 土壤导热系数( m o d e 2 ) 5 8 7 3 3 回填材料导热系数( m o d e 3 ) _ 5 9 7 3 4 地埋管换热器进水温度( m o d e 4 ) 5 9 7 3 5 钻井深度( m o d e 5 ) 6 2 7 - 3 6 钻井间距( m o d e 6 ) 6 2 7 4 优化设计方法6 3 7 4 1 案例分析6 4 7 5 本章小结6 6 结论6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 5 致谢7 7 v 1 1 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 地源热泵利用浅层地壳中存储的热能资源对建筑进行供热与制冷，是一种在 技术和经济性上都有较大优势的解决供热与制冷问题的替代手段，已被评为“一 项以节能和环保为特征的2 l 世纪的技术i l 】。通常，根据利用的热源不同，地源 热泵系统可分为：地下水源热泵系统( g m u l l d w 她r h e a tp u m p s ，g w h p s ) 、地表 水源热泵系统( s u r ：f a c e w a t e rh e a tp 啪p s ，s w h p s ) 和地埋管地源热泵系统 ( g r o u n d c o u p l e dh e a tp 啪p s ，g c h p s ) 【2 - 5 】。 地下水源热泵系统需要有丰富、稳定的地下水资源作为先决条件，而且，系 统的经济性与地下水层的深度密切相关，如果水位较低，不仅成井的费用增加， 而且运行中水泵的电耗将大大降低系统效率【6 锕。此外，地下水源热泵系统必须 采取可靠的回灌措施，如果长时间抽水量大于回灌量，则会造成地下水位的下降， 严重时将导致地质层发生变化，甚至发生地面沉降等灾害1 9 j 。再者，地下水层易 受污染也是一个不容忽略的问题，系统对地下环境造成的影响是一个非常复杂而 缓慢的过程，其不利影响一旦造成，将难以挽回【l o j 。 地表水源热泵系统也受到自然条件的限制，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，机组的性能系数也会 降低。 因此近些年来，地埋管地源热泵系统由于受资源限制比较小，安全稳定性较 高，作为一种利用可再生能源、节能环保型的空调系统，越来越受到人们的关注 和应用【l l 。1 4 】。特别是在北京这样一个水资源贫乏地区，更是得到广泛的应用，地 埋管地源热泵系统的应用率达到3 5 【l 副。 地埋管地源热泵技术在北美和欧洲已应用了几十年，是一种比较成熟的建筑 空调节能技术；并且针对系统设计以及工程施工都有一套较为完整的标准、规范、 计算方法和施工工艺1 1 6 1 。在我国应用地埋管地源热泵技术的工程虽然很多，但多 数都是根据国外的技术数据设计，由于地质环境条件、技术条件、经济条件、建 筑围护结构条件等因素的差异，国外的研究成果很少能为国内直接采用。在我国 。 这是一项正在推广应用的新技术，技术体系尚在建设过程中，有许多亟待解决的 问题。国内的几所大学对此也进行了大量的研究，但是到目前为止，指导工程实 践的大多数实验研究只是局限于单个钻孔的设计分析【1 7 锄】，大规模的实际工程应 北京工业大学t 学硕十学位论文 用型研究在国内外公开发表的文献中非常鲜见，缺乏实际工程运行情况的基础实 测数据，没有依据实测基础数据的适合国情的成熟设计方法；其次以往的实验研 究，大多数针对大于8 0 米埋深的深埋系统，对于中、浅埋竖直u 型埋管研究较 少，而钻井深度小于6 0 米时，钻机成本少，费用低，根据文献【2 1 】井深5 0 m 的 造价比井深1 0 0 m 的造价要低3 0 一5 0 。此外这些研究也没有考虑系统长期高效 运行的可行性、地层结构状况的复杂性等。 为此，针对国内大规模使用地埋管地源热泵技术，但缺乏对工程实际运行情 况了解的特点，本研究以北京奥林匹克森林公园地埋管地源热泵系统为研究对 象，搭建了1 ：1 的在线、连续、实时的监控实验平台，通过全程的长期的监控 系统供热与供冷运行状况，跟踪调查采集基础数据，同时结合理论与模拟的分析 方法认识把握地埋管地源热泵系统的运行特性，以期通过实际运行参数和模拟分 析结果为同类建筑的地埋管地源热泵系统最佳设计及运行管理提供技术数据参 考。 1 2 国内外地埋管地源热泵系统的发展及研究 地埋管地源热泵系统是地源热泵的一个分支瞄。2 3 】，地源热泵系统最早应用于 1 9 4 8 年美国俄勒冈州波特兰市联邦大厦( c o m m o n w e a l t hb u i l d i l l g ) f 2 4 。2 6 1 ，该系 统从设计开始就得到了广泛的关注。地埋管地源热泵技术的提出始于英、美两国。 近年来，由于其节能、无污染、运行费用低等优点更是得到了飞速的发展，受到 国内外研究学者的不断关注。 1 2 1 地埋管地源热泵系统的实验研究 国外对地埋管地源热泵系统的研究远远早于我国。欧美等国从7 0 年代就已 经开始对土壤的导热性能、地下埋管换热器的传热特性、不同地埋管换热器形式 对换热过程的影响及其模拟计算方法【2 7 。o 】进行了初步研究，并取得了较大的成 果。近年来，每年见诸报道的地埋管地源热泵工程应用实例不断增加，各国的发 展均很迅速。 但地埋管地源热泵系统的实验研究，国外的资料并不多见。土耳其大学觚f h e p b a s l i ，o z a ya k d e m i r 【j 等人对埋深为5 0 米的地埋管地源热泵系统的性能特点 进行了实验研究，分析指出，在制热工况下，平均热扩散为0 0 0 3 7 5m 2 h ，进水温 度约为5 5 1 3 2 ，平均为8 时，土壤的取热率为1 1 w m 。 a m i c h o p o u l o s ，d b o z i s 【3 l 】等人以实际的工程案例，连续无故障监测数据3 第1 章绪论 年。实验研究表明，地埋管地源热泵系统节能效果良好：供暖季节，与常规的空 气水源热泵和燃油锅炉相比，可节约4 5 和9 7 的能源：供冷季节，可节约 2 8 5 5 的能源。 s p k a v 锄a u g l l j g w 6 0 d h o u s e ，j r c a n e 一3 2 j 指出：对于土壤源热泵竖直地下 埋管换热器，夏季的设计出口温度一般为土壤温度加上1 1 1 4 ，冬季的设计出 口温度为土壤温度减去8 1 1 。 大多数商用公用建筑，从全年来看，放热量大于吸热量。这种不平衡导致更 大的埋管尺寸，更高的初投资。k v a i l a 岫h g s p a 【3 3 1 ，i t a m a o o m l ym e t a 阴1 为减少 埋管尺寸和节约初投资，使用辅助的散热装置来排除季节的或每日的多余热量。 相反，国内对于地埋管地源热泵系统的研究，重点放在实验研究上。同济大 学热能工程系张旭【3 5 】利用探针对土壤及不同比例的砂土混合物，在不同含水率、 密度下的热导率进行了试验研究，分析了影响土壤传热能力的因素。李元旦【3 6 。8 1 等人结合对土壤源热泵冬季制热工况的实测，研究了土壤源热泵的启动工况条 件。 蔡颖玲【3 9 】等人对不同埋深换热器地源热泵冬季供暖工况进行了实验研究。结 果表明，上海地区9 0 m 埋深换热器运行时，单位井深换热量平均为5 7 2 w ，m ， 6 0 m 埋深单u 形埋管换热器运行时，单位井深换热量平均为5 5 7 w m ，6 0 m 埋 深双u 形埋管换热器运行时，单位井深换热量平均为6 5 7 w m 。 王华军【4 0 】等人针对9 0 米深埋u 形管和桩埋管地源热泵系统进行了长期实验 研究。结果表明，长期运行条件下，热泵机组平均c o p 为3 5 5 ，平均e e r 为2 8 0 ( 夏 季) ，冬季工况和夏季工况的系统性能系数分别呈递增和递减趋势，且变化规律可 表述为指数形式。与冬季工况相比，夏季工况的系统e e r 波动较大，而且在初始 阶段存在一个峰值；冬夏负荷不平衡问题可能会对夏季工况产生一定危害，必要 时应采取有效措施消除上述不利影响。 魏加项【4 1 】等人在北京工业大学高科技能源楼建立了一套包含6 0 套不同结构 地下换热系统的实验台，其中4 8 撑9 0 米深埋的u 形管在稳定后单位井深换热率制 热工况下约为4 5 w ，m ，制冷工况下达到了8 5w ，m ，但是值得注意的是，实验采取 了极端的方式，制热工况时回水温度达到零度，热泵运行条件恶化，机组功耗增 加，制热量减少。 於仲义【4 2 】等人在武汉地区以钻井深度为4 0m 的单u 形管为研究对象进行实验 测试，结果表明：对于同一个钻井深度的地埋管换热器，夏季工况中将地埋管进 水温度从3 0 提高到3 5 时，地埋管换热能力变化趋于平缓时单位井深换热量从 4 4 6w m 上升到5 2 3w m ，增加了1 7 3 ；冬季工况中将地埋管进水温度从1 0 降低到8 时，地埋管换热能力变化趋于平缓时单位井深换热量从3 4 8w m 上升 北京工业大学t 学硕士学位论文 到4 0 5 w m ，增加了1 6 4 。 吴晓寒【4 3 】等人以长春地区为例进行垂直埋管式地下换热井温度变化实验研 究，结果表明对于地下2 0 、3 0 m 以下的深层土壤仍不能满足热泵机组长时间连续 运行的要求。在系统运行最初的4 h 内，井内土壤温度下降率达到1 2 5 m ，但在 随后的1 2 h 内，井内土壤温度下降速率下降到o 2 2 i l ，3 0 h 后，井内土壤温度基本 达到平衡，但此时土壤的温度也下降到较低的水平了，因此对于北方寒冷地区， 由于冬季供暖负荷较大，应避免热泵系统长时间连续运行，最好运行1 2 h 即停机 以恢复地下土壤温度。 王勇m 】等人以重庆市某空军场站的双u 管竖埋式土壤源热泵系统为研究对 象，对该系统冬季变工况下的运行能耗进行了分析，建立了水源热泵机组能耗的 数学模型，在变工况运行的基础上，测试并得到了机组的运行能效比在此基础 上对蒸发器不同进水温度变化对机组能耗的影响进行了分析，得到了蒸发器不同 进水温度下对应的机组能效比。根据地源侧变流量工况的测试，找到了变流量工 况下系统能效比的变化规律。 朱汉宝，周亚烈4 5 】等人通过利用七口不同深度的实验钻井，采用热响应原理， 做了数组热响应实验与热恢复实验。分别详细地分析了热响应实验初始运行时 间、u 形管内循环水流速、埋管深度与回填材料等因素对u 形管埋地换热器传热 性能的影响程度。研究结果表明：在分析实验数据时，一般需要忽略实验前1 0 小时的数据；u 形管内循环水的流速设计在0 8 i i l 卜1 2 耐s 之问比较恰当； 6 旺1 0 0 m 深的钻井比较适宜；需选择导热系数与土壤导热系数相匹配的回填材 料。 1 2 2 地埋管地源热泵系统的理论研究 在地埋管地源热泵系统的理论研究方面，国外做了大量的研究工作，并形成 了具有代表性的理论模型【4 7 1 。近年来，r o 彻 1 a y e r 、b e c k m 锄和m i t c h e h 基于 有限差分法建立了二维的u 形地下埋管换热器数值模型4 引。 s h o n d e r 和b e c k 【4 9 】建立了u 形地下埋管换热器一维数学模型，在模型中将u 形管等量成单根管进行考虑，并假设在等价单根管外围有一层薄层，用来模拟u 形管的热容和传热流体。 我国重庆建筑大学刘宪英1 5 0 。5 1 】等人采用系统能量平衡结合传热方程建立了 垂直套管管群换热器传热模型，并模拟了过渡季节大地的温度场。 山东建筑工程学院刁乃仁等人1 5 2 渤】根据传热基本原理，采用理论研究与工程 实践相结合的技术路线，系统深入地研究了地埋管浅层地热能利用中地热换热器 第l 章绪论 的传热机理与优化设计方法等，首次求得地热换热器传热分析中钻孔内准三维模 型、钻孔外有限长竖直和倾斜线热源模型以及有渗流时导热与对流复合作用的二 维非稳态传热模型的解析解，创建了基于这些解析解和叠加原理的地热换热器传 热分析方法。 杨昌智，黄兵吲建立了钻井单位井深换热量与钻井深度、流量变化关系的数 学模型。通过实例计算，分析了在流量不变时钻井的单位井深换热量随钻井深度 的变化以及5 0 m ，1 0 0 m ，1 5 0 m 和2 0 0 m 钻井单位井深换热量随流量的变化。得出 在设计地源热泵地下换热器时，需要合理的选择钻井深度、u 形管内的流体流量 来保证钻井的换热经济性。 杨卫波【5 8 】等人建立了考虑土壤冻结的地埋管周围土壤传热模型，并利用显热 容法对冻结相变问题进行了处理。基于模型的数值求解探讨了土壤含水率、原始 温度、热扩散率及s t e 胁数对埋管周围土壤温度分布及冻结速度的影响。结果显 示，与未考虑土壤冻结相比，计算出的地埋管周围土壤温度高，传热热阻小，从 而可以减少埋管的设计长度，降低系统初投资；提高土壤含水率有利于地源热泵 的设计与运行，较小热扩散率和s t e f 弧数可以有效的降低土壤的冻结速度。 。 1 3 课题研究内容、思路及特色 1 3 1 研究内容 在对现有地埋管地源热泵技术认识的基础上，充分消化吸收国外先进技术， 结合北京奥林匹克森林公园典型工程案例，从实测、理论分析以及模拟计算等多 角度进行了较为全面、深入、认真的分析与研究。本硕士论文将从以下七个章节 分别进行讨论： 第一章，论述了课题的研究背景及意义，并对国内外的研究现状及本课题的 主要研究内容进行了概述。 第二章从热泵、热泵系统的概念出发，介绍了中埋地埋管地源热泵系统的定 义及其构成，并在分析研究地埋管换热器传热模型的基础上，综合认识地下换热 器传热与流动特性的主要影响因素。 第三章，以园区内具有典型特点的中埋地埋管地源热泵系统为工程案例，应 用d e s t 软件与实验测试相结合的方法对其进行了空调负荷特性的分析研究。 第四章，从测控原理、基本构成以及测点布置等几方面详细而系统地介绍了 地埋管地源热泵系统的实验监测平台。该l ：1 的实验平台可在线、连续、实时 北京t 业大学工学硕士学位论文 的监控采集基础数据，为进一步深入地分析和研究地埋管地源热泵系统的影响因 素及其变化规律提供长期、可靠的实测运行数据保障。 第五章，依托前述所搭建的1 ：1 实验平台和实时监控数据采集系统，通过 实测数据与数值模拟结合的方法重点分析了地埋管地源热泵系统稳定运行期间 管内流速、土壤导热系数、土壤初始温度、钻井深度等因素对中埋双u 管传热 量的影响规律以及全年空调负荷与冷热堆积的问题。 第六章，以实测数据为基础，依据工程热力学原理，重点分析研究了空调末 端负荷及蒸发温度、冷凝温度等因素对地源热泵机组运行特性的影响规律。 第七章，运用数值模拟程序n 浓s y s ，对管内流速、土壤导热系数、回填材 料导热系数、埋管进水温度、钻孔深度以及钻孔间距等因素在冬夏不同工况下， 对钻井深度为4 0 m 的单( 双) u 形地埋管换热系统换热性能的影响规律进行了 比较研究，同时还对地埋管地源热泵系统的初投资和运行费用进行了综合技术经 济比较。总结出现行地埋管地源热泵系统设计中存在的主要问题，并建立了可行 的设计方法体系，针对选取的典型建筑进行了地埋管地源热泵系统的优化设计。 1 3 2 研究思路 根据上述研究的内容，本课题的研究思路如图1 1 所示。 中埋双l 管地源热泵系统 2 i i o l ( 4 嘶) i i 空调末端系统il 地源热泵机组| i 地下换热系统l l i 实验监测系统| | 理论与模拟计算分析i l l 建筑空调动态i 地源热泵机组| l 地下换热系统的影响因素l l 负荷特性分析 l 运行特性分析| |及传热流动特性分析i l 地j 早管地源热泵系统 节能优化运行设计方法 l 典型案倒工程应用分析 图1 1 本课题的研究思路 f i g u r el lr e s e a p c hi d e 鹬o f m i sp a p e r 第1 章绪论 1 3 3 研究特色 l 、针对北京地区大规模工程应用型地埋管地源热泵系统的实际工程，搭建 了1 ：l 的在线、连续、实时的实验监控平台，通过该实测平台，对系统的基本运 行状况可进行长期的实时跟踪监测； 2 、对北京地区应用中埋地埋管地源热泵系统的容积率较低的办公建筑进行 了长期监测，获得了大量基础数据，通过对基础数据的研究，可为今后地埋管地 源热泵空调系统的应用、设计以及节能运行提供参考指导。 7 北京工业大学t 学硕士学位论文 第2 章中埋地埋管换热系统的传热过程分析 地埋管地源热泵系统是一种高效节能型并能实现可持续发展的新技术，被认 为是本世纪最具发展潜力的热泵空调技术之一。目前，在国家政策以及国际技术 交流的共同促进下，地埋管地源热泵在国内开始得到大面积推广，但由于其传热 过程是一个复杂的，非稳态的，涉及时间跨度较长的过程，现有的各种设计方法 都进行了一定的简化，得出的结论往往相差很大，也就不能完整的认识地埋管地 源热泵系统的传热与流动影响因素及其规律，不能真实地反映地埋管换热器的换 热情况，进而使得实际工程应用的效果并不理想。本章从热泵、热泵系统的概念 出发，介绍了中埋地埋管地源热泵系统的定义及其构成，并在分析研究地埋管换 热器传热模型的基础上，总结归纳出地埋管换热系统传热与流动特性的主要影响 因素。 2 1 中埋地埋管地源热泵系统的概念及原理 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思 义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源( 如空气、土壤、水 中所含的热能、太阳能、工业废热等) 转换为可以利用的高位热能从而达到节约 部分高位能( 如煤、燃气、油、电等) 的目的【5 9 j 。在工程实践中，常在暖通空调系 统的部分设备或全部设备中选用热泵机组，当空调系统中选用热泵时，称其系统 为热泵空调系统，或简称热泵空调1 5 引。 地埋管地源热泵系统是地源热泵系统的一种形式，其以岩土体为低温热源， 由热泵机组系统、地埋管换热系统、建筑物内空调系统组成的供热空调系统【1 8 l ， 如图2 1 所示。其中，建筑物内空调系统与常规空调系统基本相同，可以为风机 盘管系统，地板辐射系统等，热泵机组由蒸发器、冷凝器、压缩机以及节流装置 等部件组成，工作原理与常规的制冷机组相同，只是提升的能量来自地下土壤。 因此，设置地下埋管换热器是其区别于其他空调系统的最大结构特点。 图2 1 地埋管地源热泵系统的组成 f i g u r e2 - 1s t n l 咖eo f 掣o u n d - c o u p l e dh e a tp 啪ps y s t e m 地埋管换热器根据管路埋置方式不同，分为水平地埋管换热器和竖直地埋管 第2 章中埋地埋管换热系统的传热理论研究 换热器，如图2 2 ，2 3 所示。水平地埋管换热器是将高密度聚乙烯管( p e ) 敷 设在离地面2 0 米深度范围内，受地表气候变化的影响大，换热效率较低，而且 施工时占用场地面积大。竖直u 形地埋管换热器具有施工简单，换热性能好， 承压高，管路接头少，不易泄漏等优点，是目前工程实例中应用最多的，一般按 埋设的深度不同分为浅埋( 埋深5 3 0 m ) ，中埋( 埋深3 1 8 0 m ) 和深埋( 埋深三8 0 m ) 地埋管换热器【2 1 1 。图2 _ 4 为北京地区地温随深度变化实测图，其中，1 牡9 撑钻孔 为奥林匹克森林公园工程场区的9 个地质勘探孔，孔深4 5 0 0 1 1 0 0 0 m 。从图中 不难看出，浅埋管受地面温度影响大，一年中的地层温度变化很大，地源热泵系 统运行所造成的影响程度相对季节而言可以忽略，即岩土体冬夏热动态平衡好， 因此适用于单季使用的情况，其优点是：投资少，成本低，对钻机的要求不高， 可使用普通型承压塑料管，缺点是：占用场地面积大，管路接头多，换热效率较 中、深埋低。深埋管埋设于深层岩土体中，受地面温度影响很小，因此必须注意 冬季吸热量和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使用效果，其优点 是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定，换热效率高，管路接头少，缺点是： 投资大，成本高，需采用高承压塑料管，对钻机的要求高。中埋管的性能介于浅、 深埋管之间，塑料管可用普通承压型的。 簟i 双u ，眵埋警 大小螺旋埋管， 图2 3 各种形式的竖直埋管示意图 f i g u 陀2 3s c h e m a t i co f t l 伧v e n i c a l lg r o u i l dh e a te x c h 锄g e r s r 础万要萋一 u 茹篇闺 蛸忉z liu 箩阍 酯栅舭一 毯 硌灿z m 2 一， 2，i 0 冁 m乃1h冁雾h 北京工业大学t 学硕士学位论文 深 度 h ) 恒 温 层 大她热i 焉 图2 4 浅层地热能与北京地区地层温度随深度变化的实测图 f i g u r e2 - 4g e o m e 珊a 1e n e 理拶柚de x p e r i m e n t a l 目o u n dt e m p e r a t u r ev e r s u sw i t hd e p t l lo fb e j i n g 图2 5 为中埋地埋管地源热泵系统的工作原理图。夏季( 制冷工况) 时，利 用制冷剂蒸发将空调房间的热量取出，在冷凝器中连同压缩机的功所转化的热量 一起放热给地埋管换热器，经过整个夏季冷凝热排放与积聚后，恒温带会形成一 定的温升；而冬季( 制热工况) 则利用制冷剂蒸发吸收地下土壤中的热量并连同 压缩机的功所转化的热量通过冷凝器放热给空调房间，如果冬季从地下累计吸取 的热量等于夏季累计排放的热量，则此恒温带又会形成相同的温降，恢复到原始 的恒温带温度。因此，埋管岩土体可以看作为“蓄热体”。 图2 5 中埋地埋管地源热泵系统的工作原理图 f i g u r e2 - 5 蹦n c i p l ec h a no f m o d e r a t e - b 州e d 印u i l d - c o u p l e dh e a lp u m ps y s t 锄 第2 章中埋地埋管换热系统的传热理论研究 2 2 地埋管换热器的传热分析概述 图2 6 反映了自然状态下岩土体的能量平衡。图2 7 反映了地埋管地源热泵 系统放热运行时，埋管岩土体的能量平衡。从图中可以看出，一定面积和深度的 岩土体，其热能处于平衡状态。一部分为岩土体本身所储存的热能q r ，这部分 热能长期稳定存在；另一部分为地球热传导的热能q d ，主要与构造作用、地壳 厚度及地层分布等有关；还有一部分为太阳辐射能q 。地埋管地源热泵系统放 热运行时，经过埋管管内流体的对流换热、埋管管壁的导热、埋管管外壁面与其 相邻的回填材料边界间的传热、回填材料内部的导热、回填