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文档简介

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 与传统的空调系统相同,地埋管地源热泵空调系统的初投资与运行费用也是相互制 约的。地埋管数量多,初投资增加,但热泵机组运行效率高,节省运行费用。能否解决 好初投资与运行费用的矛盾,直接影响到地源热泵系统的经济性和可靠性。本文通过地 埋管循环液温度选择作为研究重点,通过地埋管循环液温度的合理设计,实现地埋管地 源热泵系统初投资与运行费用的总和达到较小的优选目标。 对一维传热模型和二维有限长线热源模型进行了分析比较。前者比较简单,但由于 忽略了地面作为一个边界影响以及钻孔的有限深度,当时间趋于无限大时,温度场不会 趋于稳定。因此不能用来讨论长时间的问题。很多情况下,地埋管换热器全年的冷热负 荷是不平衡的,长时间运行,换热器周围岩土年平均温度的变化会影响地埋管换热器长 期的换热性能,这是在设计时必须考虑的。 在对地热换热器地下传热分析模型进行综述的基础上,建立了有限长线热源传热模 型,对地热换热器管内循环液的温度对地热换热器设计大小以及对地源热泵运行效率的 影响进行了模拟分析。 对济南和莱芜的两个地源热泵空调实际工程,综合考虑了地热换热器循环液的出口 温度对初投资与运行费用的影响,进行了实际工程的设计。其中对济南的工程,通过夏 季循环液温度的变化,分析了其对初投资和运行费用的影响,得到了济南地区循环液的 最佳温度范围;而对莱芜的工程,通过冬季循环液温度的变化,分析了其对初投资与运 行费用的影响,并分别分析对比了三种空调形式,运用动态费用年值的经济分析方法, 由于牵扯到能源价格等诸多因素,可以看出地源热泵系统的费用年值较小,较经济。 循环液温度的设定对地热换热器的单位孔深换热量和初投资都有很大影响。循环液 出口温度的设定同时影响到热泵的效率。研究结果表明:济南夏季最佳出口温度为: 2 9 一3 5 c ,与此对应的冬季出口温度为:5 1 0 。 关键词:地热换热器,动态模拟与分析,循环液,温度,经济性 山东建筑大学硕士学位论文 g r o u n dh e a ti n t e r c h a n g e rc i r c u l a t i o nf l u i di m p o r ta n d e x p o r t t e m p e r a t u r ed e s i g na n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n a b s t r a c t w i t ht h et r a d i t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ms i m i l a rt op i p eg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e me a r l yi n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t sa r ea l s om u t u a lr e s t r a i n t p i p e i n s t a l l a t i o nq u a n t i t ya r em a n y , i n i t i a l l yi n v e s t si n c r e a s e s ,b u tt h eh e a tp u m pu n i to p e r a t i n g e f f i c i e n c yi sh i g h ,s a v e st h eo p e r a t i n gc o s t w h e t h e rt os o l v ea tt h eb e g i n n i n go ft h e i n v e s t m e n ta n dt h eo p e r a t i n gc o s tc o n t r a d i c t i o n ,i m m e d i a t ei n f l u e n c et o p l a c es o u r c eh e a t p u m ps y s t e m se f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r ,a n db u r i e ds e l e c t e da st h et e m p e r a t u r e c y c l eo fr e s e a r c hp r i o r i t i e s ,t h r o u g ht h ep i p ec y c l eo ft e m p e r a t u r er e a s o n a b l yd e s i g n e dt o a c h i e v eb u r i e dg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e me a r l yi n v e s t m e n ta n d o p e r a t i n gc o s t st ot h e s u mo fs m a l l e ro p t i m i z a t i o ng o a l s h a v ec a r r i e do nt h ea n a l y s i sc o m p a r i s o nt ot h eo n e d i m e n s i o n a lh e a tt r a n s f e rm o d e la n d t h et w o - d i m e n s i o n a ll i m i t e dl o n g l i n eh e a ts o u r c em o d e l t h ef o r m e ri sr e l a t i v e l ys i m p l e ,b u t o v e r l o o k e dt h ei m p a c to nt h eg r o u n da sab o r d e ra n dt h el i m i t e dd e p t ho f d r i l l i n g ,w h e nt h e t i m et e n d st oi n f i n i t y ,t h et e m p e r a t u r ew i l ln o tb es t a b i l i z i n g t h e r e f o r ec a n n o tu s ef o rt o d i s c u s st h el o n gt i m et h eq u e s t i o n i nm a n yc a s e s ,b u r i e di nt h ec o l da n dh e a te x c h a n g e rf o r t h el o a di su n b a l a n c e d ,t h el o n gr u n ,h e a t e x c h a n g e r ,t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h e s u r r o u n d i n gr o c ka n ds o i lc h a n g e sw i l la f f e c tt h el o n g - t e r mh e a te x c h a n g e rt op i p et h eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e ,t h i si si nt h ed e s i g nm u s tb ec o n s i d e r e d i nt h eu n d e r g r o u n dg r o u n dh e a te x c h a n g e rm o d e li sr e v i e w e do nt h eb a s i so fal i m i t e d l o n g t e r ms o u r c e so fh e a tt r a n s f e rm o d e l ,t h eg r o u n dh e a te x c h a n g e ro ft h ec y c l eo ft h e t e m p e r a t u r eo fg r o u n dh e a te x c h a n g e rd e s i g na n ds i z eo ft h eg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p o p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fas i m u l a t i o na n a l y s i s i i 山东建筑大学硕士学位论文 j i n a na n dl a i w uo nt h et w og r o u n d s o u r c eh e a tp u m pa c t u a l l yw o r k s ,c o n s i d e r i n gt h e h e a te x c h a n g e rt ot h ee x p o r tc y c l eo ft e m p e r a t u r eo l lt h ei n i t i a li n v e s t m e n ta n dt h ei m p a c to f o p e r a t i n gc o s t s ,t h ea c t u a lp r o j e c td e s i g n o n eo ft h ep r o j e c ti nj i n a n ,t h r o u g ht h es u m m e r c y c l eo ft e m p e r a t u r ec h a n g e ,o fi t si n i t i a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t so ft h ei m p a c th a s b e e nc i r c u l a t i n gi nj i n a no ft h eb e s tt e m p e r a t u r er a n g e ,a n dt h ew o r k so fl a i w u ,t h r o u g ht h e w i n t e rc y c l eo ft e m p e r a t u r ec h a n g e si ni t sa n a l y s i so ft h ei n i t i a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i n g c o s t so ft h ei m p a c ta n dw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ef o r mo ft h r e ea i r - c o n d i t i o n i n g ,u s eo f t h ev a l u eo ft h ec o s to f d y n a m i ce c o n o m i ca n a l y s i sm e t h o d s ,a si n v o l v e di ne n e r g yp r i c e sa n d o t h e rf a c t o r s ,w ec a ns e et h a tg r o u n d s o u r c eh e a tp u m pt h ec o s to ft h es y s t e mo fs m a l l e r , m o r ee c o n o m i c a l t h ec i r c u l a t i o nf l u i dt e m p e r a t u r e sh y p o t h e s i sa n da tt h eb e g i n n i n go fi n v e s t st ot h e g r o u n dh e a te x c h a n g e r su n i td e p t ho fh o l eh e a tt r a n s f e rq u a n t i t yh a st h ev e r yt r e m e n d o u s i n f l u e n c e c y c l eo fe x p o r tt e m p e r a t u r es e t t i n g sa tt h es a m et i m ea f f e c t e dt h ee f f i c i e n c yo fh e a t p u m p t h er e s u l t ss h o wt h a t :i nj i n a n ,s u m m e rt e m p e r a t u r ei st h eb e s te x p o r t : 2 9 3 5 , a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p o r tw i n t e rt e m p e r a t u r e :5 1o k e yw o r d s :g r o u n dh e a te x c h a n g e r , d y n a m i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i s ,t e m p e r a t u r e ,e c o n o m y i i l 山东建筑大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外,论文中不合其他人已经发表或撰写过 的研究成果,也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过 的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名: 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论 文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名:查圣盘 日期 导师签 名:,乏臣缅三 日期 z o o 扩多;p 少口护乡,渺 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 热泵与建筑供热空调 第一章绪论 “热泵 ( h e a tp u m p s ) 这一术语是借鉴“水泵 一词得来的。在自然界中,水从高 处自发流向低处,水泵可将水从低处泵送到高处利用。同样,热量可自发从高温热源传 向低温热源,而热泵可将低温热源的热量“泵送”( 交换传递) 到高温热源加以利用,所 以热泵实质上是一种热量提升装置。我国暖通空调术语标准( g b5 0 1 5 5 叫2 ) 对“热 泵的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”,新国际制冷词典( n e w i n t e r n a t i o n a ld i c t i o n a r yo fr e f r i g e r a t i o n ) 对“热泵”的解释是“以冷凝器释放出 的热量来供暖的制冷系统”。口3 热泵技术是利用低温可再生能源的有效技术之一,也是解决暖通空调的能源和环境 问题的有效措施之一。 在发达国家中,搏妪蹩茧旦迫堂堑丑燮全堂量竺:! ! 二! 竺兰:堕着我国经济的发 展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供热和空调也已成为普遍的需求。在我国, 供暖空调的能耗约占住宅总能耗的6 5 ,而在大型公共建筑中,空调用电一般约占5 0 - - 6 0 n 1 。由此可见供热空调的能耗在总建筑能耗中占了主导地位。 我国的能源结构主要依靠矿物燃料,特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物, 包括大量s 0 。,n 0 。等有害气体以及c 0 :等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境 问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。作为中国传统供热热源的燃煤锅炉是最主 要的大气污染源,因此城镇中的中小型燃煤锅炉正在被逐步淘汰。燃油和天然气锅炉虽 减轻了对大气的污染,但运行费用很高。此外,供热需要的温度较低的低品位能源,直 接燃烧矿物燃料的锅炉房供热方式是能源利用上很大的浪费。我国的供热已经历了一家 一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房,体 现了我国政府对保护大气环境的高度重视。因此,除了集中供热的型式以外,急需发展 其他的替代供热方式。 通过热泵技术从低温热源中取热,提升其温度后,为建筑物提供热量,解决供暖和 生活热水的热量供应,是直接燃烧一次能源而获取热量的主要替代方式n 3 圳。热泵是通 过做功使热量从低温介质向高温介质流动的装置,通常的热泵采用电力作为驱动能源。 山东建筑大学硕士学位论文一 建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季的制冷两种相反的要求,传统的空调系统 通常需分别设置冷源和热源。建筑空调系统必须有冷源,如果让它在冬季以热泵的方式 运行,则可以省去锅炉和锅炉房,不但节省了初投资,而且全年仅采用电力这种清洁能 源,彻底解决了大气污染问题。而与直接把电能转换为热能的电锅炉相比,采用热泵空 调系统供热的电耗仅为前者的1 3 1 4 ,可以大大节省运行费用。热泵还可兼顾生活热 水供应,特别是在制冷工况下可利用制冷的废热加热热水,不需额外消耗能量。因此推 广冬季用电供暖时,应该着重推广热泵方式。 热泵是减少c o 。排放量的最经济有效的技术。现在全世界约有1 3 亿台热泵在运行, 总供热量约为每年4 7 x l o 埔j ,每年减少c 0 。排放量约为1 3 亿吨。随着热泵技术的进一 步改进和发电效率的进一步提高,采用热泵技术供热使全世界c 0 :排放量减少1 6 是有可 能的。因此,它是建筑节能和减少c o 。排放的关键技术之一。除了减少矿物燃料的消耗 以外,由于在大型电站中集中燃烧矿物燃料发电有利于采用先进技术除去或减少燃烧产 物中的粉尘、s 0 :和n 0 。等大气污染物,采用电动热泵供热与分散的锅炉房供热相比还可 以大大减少燃煤产生的大气污染。 热泵利用的低温热源通常是环境( 大气、地表水和大地) 或各种废热。由热泵从这 些热源吸收的热量属于可再生的能源。热泵作为一项可利用再生能源,保护环境的可持 续发展技术,在欧美等许多国家的研究与应用已有数十年的历史哺1 。 1 2 空调热泵的分类及其优缺点 以建筑物的空调( 包括供热和制冷) 为目的的热泵系统有许多种,例如,有利用建 筑通风系统的热量( 冷量) 的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环 热泵系统等盯3 。本文主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分, 国外的文献通常把它们分为空气源热泵( a i rs o u r c eh e a tp u m p ,a s h p ) 和地源热泵 ( g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ,g s h p ) 两大类。 空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源,从室 外空气中吸收热量,经热泵提高温度送入室内供暖。空气源热泵应是住宅和其他小规模 民用建筑供热的最佳方式,其性能系数( c o p ) 一般在2 3 ,在我国华北大部分地区, 这种方式冬季平均电热转换率有可能达到3 以上。空气源热泵系统简单,初投资较低。 空气源( 风冷) 热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和风 2 山东建筑大学硕士学位论文 冷热泵冷热水机组睛3 。空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效 率大大降低。此外,其所必需的室外机或冷却塔对建筑物有一定的影响或损坏作用。空 气源热泵的制热量随室外空气温度降低而减少,这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因 此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时,需要用电或其他辅助热源对空气进行 加热。目前空气源热泵的主要技术难点在于外温为o 。c 左右时蒸发器的结霜处理和为适 应外温在5 一1 0 范围内的变化,需要压缩机在很大的压缩比范围内都具有良好的性 能。国内外近1 0 年来的大量研究攻关都集中在这两个难点上。前者通过优化的化霜循环、 智能化霜控制、智能化探测结霜厚度传感器,特殊的空气换热器形式设计以及不结霜表 面材料的研制等,正在陆续得到解决。后者则通过改变热泵循环方式,如中间补气、压 缩机串联和并联转换等来尝试解决。然而对后者革命性的突破可能有待新的压缩机形式 的出现,这还需等待1 。0 - - - 2 0 年的时间。因此,在建筑空调中采用空气源热泵受到气候 条件的制约和技术上的难点。 以岩土体或地下水、地表水为低温热源,由水源热泵机组、,地能采集系统、室内系 统和控制系统组成的供热空调系统被称之为地源热泵供热空调系统( g r o u n d s o u r c e h e a tp u m ps y s t e m ) 。地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷,还可供生活热水,一 机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑,省去了 锅炉房和冷却塔,节省建筑空间,也有利于建筑的美观。另外,由于较深的地层中在未 受干扰的情况下常年保持恒定的温度,远高于冬季的室外温度,又低于夏季的室外温度, 因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍,且效率大大提高。冬季通过热泵把大地中 的热量升高温度后对建筑供热,同时使大地中的温度降低,即蓄存了冷量,可供夏季使 用;夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地,对建筑物降温,同时在大地中蓄存热 量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用,进一步提高了空调 系统全年的能源利用效率。而且地源温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳 定,整个系统的维护费用也较锅炉一制冷机系统大大减少,保证了系统的高效性和经济 性。 地源热泵的地能采集系统是利用热泵技术将岩土体或地下水、地表水中的热( 冷) 量加以利用的热交换系统,是地源热泵系统特有一个组成部分。根据地能采集系统形式 不同,地源热泵系统分地下水、地表水、地埋管以及单井回灌等多种形式。 地下水换热系统( g r o u n dw a t e rs y s t e m ) 是与地下水进行热交换的地能采集系统。 山东建筑大学硕士学位论文 根据地下水是否直接流经水源热泵机组分为直接和间接两种。间接地下水换热系统 ( i n d i r e c tc l o s e d l o o pg r o u n d w a t e rs y s t e m ) 为由抽水井取出的地下水经中间换热器 热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。直接地下水换热系统( d i r e c t c l o s e d - l o o pg r o u n d w a t e rs y s t e m ) 是由抽水井取出的地下水,经处理后直接流经水源 热泵机组热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。由于地下水温常年基本恒定, 夏季比室外空气温度低,冬季比室外空气温度高,且具有较大的热容量,因此地下水热 泵系统的效率比空气源热泵高,c o p 值一般在3 4 5 ,并且不存在结霜等问题。最近几年 地下水热泵系统在我国得到了迅速发展。但地下水热泵系统的应用也受到许多条件的限 制。首先,这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。按常规计算,1 0 ,0 0 0 m 2 的空调面积需要的地下水量约为1 2 0m 3 h r 。地下水热泵系统的经济性还与地下水层的 深度有很大的关系。如果地下水位较低,不仅成井的费用增加:运行中水泵的耗电将大 大降低系统的效率。此外,虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层,但目前国内地 下水回灌技术还不成熟,在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度,从地下抽 出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内,造成宝贵的地下水资源流失。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可允许的。 国外由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严格,地下水源热泵的应用已逐渐减 少9 | 。 地表水换热系统( s u r f a c ew a t e rs y s t e m ) 是与地表水进行热交换的地能采集系统, 根据传热介质是否与大气相通,分开式和闭式系统两种。闭式地表水换热系统 ( c l o s e d l o o ps u r f a c ew a t e rs y s t e m ) 是将封闭的换热盘管按照特定的排列方法放入 具有一定深度的地表水体中,传热介质通过换热管管壁与地表水进行热交换的系统。开 式地表水换热系统( o p e n - l o o ps u r f a c ew a t e rs y s t e m ) 是地表水在循环泵的驱动下, 经处理直接流经水源热泵机组或通过中间换热器进行热交换的系统。地表水热泵系统的 一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。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。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。 地埋管换热系统( c l o s e d l o o pg r o u n d c o u p l e ds y s t e m ) 是传热介质( 一般为水或 4 山东建筑大学硕士学位论文 添加防冻剂的水溶液) 通过垂直或水平埋设在岩土体中的换热管管壁与岩土体进行热交 换的地能采集系统,也称地耦合系统,也是通常意义下的地源热泵空调系统。在冬季供 热过程中,流体从地下收集热量,再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运 行,即从室内带走热量,再通过系统将热量送到地下岩土中。因此,不需要抽取地下水 作为传热的介质。它是一种可持续发展的建筑节能新技术n 训。该系统在结构上的特点是 有一个由地下埋管组成的地热换热器( g e o t h e r m a lh e a te x c h a n g e r ,或g r o u n dh e a t e x c h a n g e r ) ,地热换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管两种。由于地下耦合热 泵系统需要通过埋管与地下岩土换热,传热效率较低,通常需要一个较庞大的地热换热 器,增加了系统的初投资,限制了该技术的应用范围。 1 3 地源热泵的发展 地球是一个巨大的蓄热体,一年四季其地下的土壤温度十分稳定,是一种取之不尽、 用之不竭的可再生能源。地源热泵系统是利用地表岩土体中低温低品位热能资源,结合 热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现低品位热能向高品位热能转移。该系统可以 有效地提高一次能源利用率,同时减少c 0 2 和其他燃烧产生的污染物的排放,是一种可 持续发展的节能新技术。 l s l nh l h 嘶t h t r d 粕蜷憎_ l 一蜥_ | f h c 订t 固参i 垂自嘣吒仁f t 州雒h e 蜥唯- “( 旅l i ! 玎 融 r 曲i 衅阳惜,二州事一覆 c h 喇声* h 艿醢露 洲p r s 晷口r - _ 电呻l 1 日卜圆一 l n 叫一l 叫孛参冲u 一 i f r c 州群# l荔皂叶声r 2 辔槛mt t 幢琶兰重封 d 铆q 喾蠛i 哪 萋州i 号 琶l n 一瞄一l 扫一 f i g 1 一l 地源热泵双循环构成图 水源热泵系统由地源热泵主机( 能量提升设备) 、地下埋管换热系统( 能量提取设 备) 、末端或地采暖系统( 能量释放设备) 及系统管路附件( 能量运输设备) 等四部分组 山东建筑大学硕士学位论文 成。冬季地源热泵主机通过消耗少量电能,把地表岩土体中低品位热能转移到室内,实 现采暖需求,无需锅炉和大量的电能,节约了能源并避免了烟尘对环境的污染;夏季地 源热泵主机则通过制冷运行,将室内的热量转移到地表岩土体中,达到室内制冷的目的。 1 3 1 土壤源热泵在国外的发展 土壤源热泵的提出始于英、美两国。2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初,英、美就开始采 用地下盘管热源的家庭用热泵,并开始研究土壤源热泵。早期使用的土壤源热泵和研究 工作主要有: ( 1 ) 1 9 4 6 年美国开始了对土壤源热泵1 2 个主要项目的研究,这些研究包括地下盘 管的形式、盘管参数、管材及直接膨胀式系统对土壤源热泵性能的影响。 ( 2 ) 1 9 4 7 年英国电气研究协会开始研究地下埋管地源热泵。 ( 3 ) 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 线热源理论提出了地下埋管换热器的线 热源理论。该理论是把地下埋管换热器的埋管中心轴视为一线热源,以该轴为中心呈辐 射状以定热流形式向周围土壤传热。 ( 4 ) 1 9 5 1 年英国诺里奇建成一栋平房( 1 6 5 m 2 ) 土壤源热泵供暖系统,其性能系数 达2 8 。该系统到1 9 7 9 年还在使用。 ( 5 ) 19 5 2 年英国电气工业研究会的格利菲斯( g r i f f i c h ) 发表了研究土壤性质和土 壤导热热性的文章。 ( 6 ) 1 9 5 3 年,美国电力协会认为这个时期的试验还是没有提供出可供使用的设计 方法。但是由于这个时期能源价格低,土壤源热泵系统的初投资高,使用这种系统并不 经济:计算复杂、土壤对金属的腐蚀等原因,因此,土壤源热泵系统的早期研究高潮持 续到2 0 世纪5 0 年代中期就基本停止了。该系统未得到普遍的推广和应用。大规模的应 用直到2 0 世纪7 0 年代以后,才在欧洲和北美兴起。 1 9 7 3 年在欧美等国家开始的“能源危机”重新促使人们有了对土壤源热泵研究的兴 趣和需求,特别是北欧国家( 如瑞典等) 的兴趣,再一次进入土壤源热泵的研究高潮。 1 9 7 4 年,欧洲开始了3 0 个工程开发研究项目,发展地源热泵的设计方法、安装技术并 积累运行经验。瑞典安装了6 0 0 0 个水平地下埋管系统,德国也有大量的此类工程出现, 6 山东建筑大学硕士学位论文 所有的地源热泵系统都只用于供暖,且主要安装水平埋管。美国于1 9 7 7 年开始,重新开 始了对土壤源热泵的大规模研究,最显著的特征就是政府积极支持与倡导。19 7 8 年布鲁 克文b n 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 ) 锋j l j 定了土壤源热泵的研究计划,调查其运行 情况,并发表一些研究成果。几乎所有的研究都在美国能源部( d o e ) 的支持下,由美 国橡树岭o r n l ( o a k r i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 和布鲁克海文b n l ( b r o o k h a v e nn a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 等国家实验室和俄克拉何马州立大学( o k l a h o m as t a t eu n i x ? e r s i t y ) 等研究机 构进行的。这一时期的工作主要集中于土壤的导热性能、地下埋管换热器的传热性能、 不同地下埋换热器形式对换热过程的影响及其模拟计算方法【1 9 ,2 0 ,17 1 。地埋管已由早期的 金属管改为塑料管,解决了土壤对埋管的腐蚀问题。1 9 7 6 年,世界能源组织成立了国际 热泵委员会【2 l 】。苏联、英国、法国、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国家参加了国际热 泵委员会。可以认为,土壤源热泵的大部分工作都在这一阶段完成,并完成了商品化以 及大规模推广应用的准备工作。 2 0 世纪8 0 1 年代,土壤源热泵的研究工作和学术交流十分活跃,同时不断地扩大了 应用范围。2 0 世纪8 0 年代初期欧洲先后召开了5 次大型的土壤源热泵的专题国际会议, 研究工作主要有: ( 1 ) 1 9 8 3 年,b n l 修改了线热源理论。它是将埋管周围的岩土分为俩个区,即严 格区和自由区,在土壤源热泵运行时,不同区域之间的热传导引起区域温度的变化【2 2 1 。 ( 2 ) 1 9 8 3 年,c l a e s s 和d u n a n d 首次对垂直u 型埋管提出了等效管的概念。 ( 3 ) 1 9 8 5 年,m e i 和e m e r s o n 开发了一个适用于水平管的数值模型,其中包括管 周围冻土影响模型。 ( 4 ) 1 9 8 6 年,v c m e i 提出了建立在能量平衡基础上的三维瞬态远边界传热模型【2 2 】。 该模型有别于线热源理论,是可以考虑结冰界面的移动以及回填土等因素的影响。 ( 5 ) 1 9 8 6 年,t k l e i 忽略轴向传热,建立u 型管径向一维导热微分方程,用有限 差分法进行求解。 ( 6 ) 2 0 世纪8 0 年代后期在研究和模拟中发现,回填土的性能对地下埋管换热器的 传热性能的影响是不可忽视的【2 2 2 3 洲。 土壤源热泵系统直到2 0 世纪8 0 年代后期才在商业和民用建筑的设计中采用。截止 7 山东建筑大学硕士学位论文 1 9 8 5 年美国共有1 4 0 0 0 台地源热泵【5 5 】。瑞士2 0 世纪8 0 年代开始采用土耦合热泵系统供 暖。1 9 8 5 年瑞典生产2 0 0 0 0 套热泵,其中土壤耦合热泵为6 0 0 0 台,占3 0 t 4 7 1 。进入9 0 年代,研究热点依然集中在地下埋管换热器的换热机理、强化传热等方面【1 8 , 2 5 , 2 6 】,与前 阶段的研究不同,最新的研究更多地关注相互耦合的传热、传质模型,以便更好地模拟 地下埋管的真实换热;研究物性更好的回填材料,以强化埋管在土壤中的导热过程;为 进一步优化系统,研究埋管换热器与热泵装置的匹配问题等,从而使土壤源热泵的应用 和发展进入了一个新的发展阶段。主要的研究工作有: ( 7 ) 1 9 9 0 年,h a i l e ys m 等对地下埋管换热器周围土壤热传导率进行分析,研究 表明土壤含湿量对其热导率有着重要影响 5 8 j 。 ( 8 ) 1 9 9 0 年,c o u v i l l i o n 采用有限元法模拟了水平埋管矩形截面回填土的实验系统, 模拟结果与实验数据吻合较好【19 1 。 ( 9 ) 1 9 9 2 年,d r o w nd c 等对土壤条件以及土壤的热导率对土壤蓄热热泵系统的 影响进行多年的监视5 9 1 。 ( 1 0 ) 1 9 9 2 年,d e n gy 等对多层土质的土壤中采用垂直地埋管换热器进行测试, 发现不同土质层热导率是不连续的,粗砂层和细砂层的热导率比粘土层分别高出6 2 和 2 7 【6 0 1 ( 1 1 ) 1 9 9 3 年,成立了国际土壤源热泵协会( i g s h p a ) ,1 9 9 6 年该协会专门主办了 土壤源热泵的期刊和网上杂志。土壤源热泵目前正应用于大型商业建筑。 ( 1 2 ) 1 9 9 7 年,r o t t m a y e r 、b e c k m a n 和m i t c h e l l 基于有限差分法开发了一个二维 的u 型地下埋管换热器数值模拟【2 8 】。 ( 1 3 ) 1 9 9 8 年,l e o n gw h 等对三种土质( 砂土、淤泥亚粘土、淤泥粘土) ,五种不 同的相对湿度( 0 、1 2 5 、2 5 、5 0 和1 0 0 ) 下,对于土壤耦合热泵系统的性能系 数( c o p ) 值进行了计算机模拟,发现土壤类型和湿度对土壤耦合热泵性能影响很大【2 9 1 。 ( 1 4 ) 1 9 9 9 年,s h o n d e rb e c k 开发了u 型地下埋管换热器的一维传热模型,在模型 中将u 型管等量成单根管进行考虑,并假设在等价单根管外围有一薄层,用来模拟u 型 管的热容和传热流体。该模型假设在薄层和回填土中进行一维动态热传导,采用有限差 分网络划分和c r a n k n i c o l s o n 求解方法【3 0 1 。 8 山东建筑大学硕士学位论文 以上数例,足以表明这个时期的研究工作十分活跃,同时,每年见诸报道的土壤源 热泵工程的应用实例不断增加,各国的土壤源热泵发展很快。 目前美国发展最快的企业之一是土壤源热泵供暖和制冷,仅1 9 9 4 1 9 9 5 年土壤源热 泵的应用从1 8 发展到3 0 。全美有各类地源热泵系统6 0 多万套,其中2 0 万套以上为 闭式循环系统,开式循环的地源热泵系统有3 5 , - - 4 0 万套,每年递增2 0 2 0 0 0 年安装5 “ 万套,其中4 万套以上为闭式循环系统。1 9 9 8 年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调 总数量的1 9 ,其中新建建筑占3 0 。 与美国地源热泵发展历史有所不同,中、北欧如瑞士、瑞典、奥地利、德国等国家 主要把地下土壤埋管的地源热泵系统用于室内地板辐射采暖和提供生活热水。据1 9 9 9 年统计,在家用供暖装置中,地源热泵系统所占比例为:瑞士9 6 ,奥地利3 8 ,丹麦 2 7 1 6 4 1 加拿大地源热泵技术发展较晚,其中闭式循环刚刚开始,至1 9 9 4 年,仅有7 0 0 0 8 0 0 0 台土壤源热泵系统投入使用,加上开式系统总数不超过l 万台。 瑞典政府在地源热泵应用的初期采用了一定的补贴政策。2 0 世纪9 0 年代以后,政 府补贴取消,但仍以1 0 0 0 套年的速度递增。全国已安装了2 3 万套,其中5 万套为闭式 循环系统。 瑞士是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家,其中闭式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。 目前,国外已有大量的工程实例和成型设计技术,地源热泵应用日益广泛,潜在着 一个广阔的发展市场。国际著名组织及从事热泵的研究者都认为,土壤源热泵是最有前 途的节能装置和系统,是国际空调和制冷行业前沿课题之一,也是浅层低能利用的重要 形式。 1 3 2 国内的研究与应用现状 早在2 0 世纪5 0 年代我国已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。在国家自然科学基金委员会的资助下,自2 0 世纪9 0 年代初期以来国内也 已开始了对地源热泵的探索性研究。青岛建筑工程学院对竖直埋管进行了实验室研究, 对u 型埋管周围土壤温度场也进行了理论研究和实验测试,于1 9 9 8 年建立了聚乙烯竖 9 山东建筑大学硕士学位论文 直埋管地源热泵装置;1 9 9 8 年重庆建筑工程学院也建成了包括浅埋竖管换热器和水平埋 管换热器在内的试验装置,主要进行了1 5 m 的套管式竖直浅埋传热的实验室研究。同济 大学于1 9 9 9 年5 月建成了地源热泵实验台,并进行实验研究。湖南大学等单位建起了水 平埋管地源热泵试验装置,对地源热泵技术进行了实验研究。有的学者也采用了数值分 析和理论研究的方法研究了地埋管换热器中的传热。有关学者对这一时期的地源热泵研 究与应用进行了总结和展望。 在地源热泵系统中,地埋管换热器的研究一直是地源热泵技术的难点,同时也是该 项技术研究的核心和应用的基础。现有的地埋管设计方法大都基于美国和欧洲对地埋管 换热器的理论和实验研究。国内对于地源热泵系统的研究重点均放于地埋管换热器的实 验研究上,实验的重点是:单位管长放热量的确定、系统c o p 的确定、埋管合理间距的 确定、岩土热物性的确定等。 我国地源热泵研究起步于2 0 世纪8 0 年代,首先是一些高校和科研就够对地源热泵 的相关技术进行了专题研究。研究工作主要集中于以下几个方面: 地下埋管换热器的传热模型和传热研究; 夏季瞬态工况数值模拟的研究; 热泵装备与部件的仿真模型的理论和实验研究; 地源热泵空调系统制冷工质代替研究; 其他能源如太阳能、水能等与地热源联合应用的研究; 地源热泵系统的设计与施工; 地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究; 地下水源热泵回灌技术与实践; 土壤热物性及土壤热导率的实验研究; 同井回灌地下水源热泵地下水运移数值模拟与实验研究; 土壤蓄冷与土壤源热泵集成系统的应用基础研究等。 1 4 地源热泵空调系统研究的意义及应用前景 山东建筑大学硕士学位论文 传统的空调系统通常需设置锅炉作为空调制冷的热源,即热泵的热汇。 我们知道,锅炉设备通常是以消耗矿物燃料( 主要是包括燃煤) 、燃油以及燃气为代 价来提供所需的热量,其中主要以燃煤锅炉为主。一方面,煤的燃烧必然带来其固有的 副产品一周围环境的三大污染物质:氮硫氧化物s o x 和n o ”碳氧化合物以及排放出大 量的粉尘。我们知道,氮硫氧化物是空气中主要的污染物之一,空气中氮硫氧化物含量 超过一定量就会形成酸雨现象,破坏周围环境。而大量的粉尘必然影响人们的健康。碳 氧化合物的危害程度虽然没有氮硫氧化物和粉尘严重,但是如果空气中含有大量的碳氧 化合物势必造成全球性的气候变暖( 即所谓的温室效应) 以及破坏大气臭氧层。目前, 全球都面l 临着气候变暖的严重问题,这在很大程度上与燃煤锅炉排放了大量的温室效应 气体有关【1 2 。1 3 1 。因此,燃煤锅炉是最主要的大气污染源,特别是中小型的燃煤锅炉,其 燃烧效率低,严重污染着周围的环境。 目前在我国已经强制限制中小型燃煤锅炉的发展,所有的中小型燃煤锅炉机组( 部 分边远地区除外) 都会被强制限期拆除。特别是在城市,已经明令禁止在城市中使用中 小型燃煤锅炉,以保护我们的生活环境;燃油和燃气锅炉对环境的污染程度虽然没有燃 煤锅炉严重,但同样会排放大量的温室效应气体,仍然对我们生活的环境会产生影响, 并且对于燃油、燃气锅炉,其燃料费用和运行费用都是十分的昂贵。另一方面,矿物燃 料燃煤、燃油以及燃气的储存量在全球总是有限的,它们都是属于一种不可再生的能源 资源。随着这些不可再生能源的逐渐开采,必然出现全球性的能

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