（制冷及低温工程专业论文）地热换热器循环液温度设定对地源热泵系统影响的分析与研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着节约能源与环境保护成为当今科学技术发展的重要方向，建筑领域里对降低空 调采暖系统能耗的研究越来越受重视。在这种背景下，地源热泵技术由于利用大地中的 大量低品位热能来实现对建筑物的供热制冷，并且高效环保，得到了越来越多的应用。 地源热泵与传统空调最大的区别就在于地热换热器，合理的设计地热换热器可以节省初 投资，有效的利用土地，并使运行安全可靠，降低系统的运行成本。 地热换热器是地源热泵系统的重要组成部分，地热换热器循环液进出口温度的设定 是否合理，对整个地源热泵系统能否满足要求和正常的使用关系重大。所以对地热换热 器循环液进出口温度进行研究非常必要。 首先，合理准确的建筑负荷计算是地热换热器设计计算的基础。本文将介绍建筑负 荷计算的方法和应用计算机技术的建筑负荷模拟软件，并且对建筑逐时负荷进行累加处 理，得到放入地热换热器中的累计负荷。 其次，应用“地热之星v 3 0 ”对济南地区某建筑进行模拟，设定不同的地热换热器 循环液进出口温度，对地热换热器的设计长度进行分析讨论，并分析各种温度变化条件 下，地埋管每米的平均换热量。对不同构造( 单u 、双u ) 的地热换热器换热性能进行了 对比模拟。分析对比了两种不同构造( 单u 、双u ) 连续运行时的地下循环液温度变化情 况。在连续运行过程中，换热器附近温度状况持续恶化，对系统运行不利。通过采取可 控间隙运行的方式，让土壤温度有一定的恢复时间，提高换热率以减少换热器数量，可 以节省土壤资源和建设成本。在间歇运行的模拟中，分析了对应的地热换热器循环液进 出口温度的变化规律。 再次，以实际地源热泵工程为例，并进行设备的选择以及初投资计算，然后将地源热 泵系统的冬季和夏季运行费用累加即得全年总运行费用。并与三种空调形式进行经济分 析，运用费用年值指标对几种方案进行比较。结果在循环液温度较为合适时地源热泵方案 比其他空调系统更经济合理，具有明显的技术经济优势。 本文所做的工作，主是设计地源热泵地热换热器循环液最佳的不同进出口温度，循 环液出口温度的设定不仅影响系统的效率，同时也影响到系统的初投资，根据本文研究 表明：采用浓度为7 的n a c i 溶液时，济南夏季地热换热器循环液的最佳出口温度为： 山东建筑大学硕士学位论文 2 7 3 2 ，与此对应的冬季出口温度为：3 9 。这些研究结果对地源热泵项目的 设计与施工具有一定的参考价值，能够为本技术的推广提供有力支持。 关键词：地源热泵，地热换热器循环液进出口温度，不同运行模式，技术经济分析 玎 山东建筑大学硕士学位论文 t h e i m p a c ta n ds t u d yt og r o u n ds o u r c eh e a tp u m po fi n l e ta n do u t l e t t e m p e r a t u r ed e s i g no f t h ec i r c u l a t i n gf l u i di nt h eg r o u n dh e a t e x c h a n g e r m a o s h e n gw a n g ( a i r c o n d i t i o n i n ga n dr e f r i g e r a t i o nl o wt e m p e r a t u r e ) d i r e c t e db yd r n a i r e nd i a o a b s t r a c t w h i l et h ee n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb e c o m e sa l li m p o r t a n td i r e c t i o no f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt or e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o ni nb u i l d i n g s i nt h i sb a c k g r o u n d ，m o r ea n dm o r eg r o u n d - s o u r c eh e a t p u m p ( g s h p ) s y s t e m sh a v eb e e nu s e db e c a u s eo ft 1 1 e i ra d v a n t a g e ss u c ha sm a k i n g 墩o f t h e l o w g r a d ee n e r g ys o u r c ef o rb u i l d i n gh e a t i n ga n dm r - c o n d i t i o n i n g , h i g h l ye f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf e a t u r e s t h eg s h ps y s t e mi sq u i e t l yd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a l h v a cs y s t e mi ni t sg r o u n dh e a te x c h a n g e r ( g h e ) ，w h i c hi sb u r i e du n d e r g r o u n dt oa b s o r bo r d i s s i p a t eh e a t r e a s o n a b l ed e s i g n i n go ft h eg h e w o u l dr e d u c et h ef i r s tc o s to ft h ep r o j e c t , m a k er a t i o n a lu s eo ft h ef i e l d ，e n s u r er e l i a b l yo p e r a t ea n ds a v eo p e r a t i o nc o s to f t h ep r o j e c t t h eg r o u n dh e a te x c h a n g e ri st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n to ft b eg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p s y s t e m r e a s o n a b l ei n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r eo ft h ec i r c u l a t i n gf l u i di nt h eg r o u n dh e a t e x c h a n g e ri ss i g n i f i c a n t s oi ti sv e r yn e c e s s a r y t or e s e a r c ht h eg r o u n dh e a te x c h a n g e r f i r s t ，t h er e a s o n a b l ea c c u r a t eb u i l d i n gl o a dc o m p u t a t i o ni st h ef o u n d a t i o no ft h eg h e d e s i g n i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e sm e t h o d so ft h eb u i l d i n gl o a dc o m p u t a t i o na n dt h es o t t w a r e t h a tu s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g yt os i m u l a t e t og e tt h el o a dt h a tp u ti i l t og h e ，w ec u m u l a t e s u mt h eh o u r l yb u i l d i n gl o a d s e c o n d ，w h i l et h e ”g e o t h e r m a ls t a r sv 3 0 - i sa p p l i e do f tab u i l d i n go ft h ej i n a na r e at o s i m u l a t et h es i t u a t i o n ，d i f f e r e n ti n l e ta n do u t l e tt m n p e r a t u r o fc i r c u l a t i n gf l u i di nt h eg r o u n d h e a te x c h a n g e rw a ss e tt oa n a l y z ea n dd i s c u s st h ed e s i g n e dl e n g t ho ft h eg r o u n dh e a t i i i 山东建筑大学硕士学位论文 e x c h a n g e r , a n dt h e na n a l y z et h ea v e r a g eh e a t 甑c h a n g ec a p a c i t yp e rm e t e ri nav a r y i n g t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s c o m p a r e ds i m u l a t i o nw a sd o n et ot h eh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e so ft h e g r o u n dh e a te x c h a n g e ro fd i f f e r e n ts t y l e s ( s i n g l e - u ，d o u b l e - u ) a n db a c k f i l lm a t e r i a l s a n dt h e v a r y m gt e m p e r a t u r eo f t h eu n d e r g r o u n dc i r c u l a t i n gf l u i di nt h et w od i f f e r e n ts t y l e s ( s i n g l e - u ， d o u b l eu ) w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d i t sn e g a t i v et ot h er u n n i n go ft h es y s t e mw h i l et h e t e m p e r a t u r ea r o u n dt h eh e a te x c h a n g e rc o n t i n u e s t od e t e r i o r a t ed u r i n gt h ec o n t i n u o u s o p e r a t i o np r o c e s s b yt h ew a yt h a ta d o p t i o no fc o n t r o l l e ds p a c e ，w h i c ha l l o w s t h es o i l t e m p e r a t u r eh a sac e r t a i nr e c o v e r yt i m ea n di m p r o v et h eh e a tt r a n s f e rr a t ei no r d e rt or e d u c e t h en u m b e ro fh e a te x c h a n g e r s ，a n di tc a na l s os a v es o i lr e s o u r c e sa n dc o n s t r u c t i o nc o s t s i n t h es i m u l a t i o no ft h ei n t e r m i t t e n to p e r a t i o n , t h ec o r r e s p o n d i n gi n l e ta n do t r l e tt e m p e r a t u r e so f c i r c u l a t i n gf l u i di nt h eg r o u n dh e a te x c h a n g e rw a sa n a l y z e d a g a i n ，t a k et h ea c t u a lg r o u n d s o u r c eh e a tp u m pp r o j e c tf o re x a m p l e ，a n dm a k et h ec h o i c e o fe q u i p m e n ta sw e l la st h ec a l c u l a t i o no ft h ef i r s tc o s t ，a n dt h e nt h et o t a la n n u a lo p e r a t i n g c o s t sw a sd e r i v e df r o ma d d i n gu pt h eo p e r a t i n gc o s t si nw i n t e ra n ds u m m e ro ft h e g r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m a n di tw a sa n a l y z e di ne c o n o m i cw i t ht h eo t h e rt h r e ek i n d s o fa i r - c o n d i t i o n e df o r m ，t h ea n n u a lc o s ti n d i c a t o r sw a su s e dt oc o m p a r et h e s es c h e m e s a sa r e s u l t ，t h ew a yt h a tt h eg r o u n d s o u r c eh e a tp u m pw h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h ec i r c u l a t i n gf l u i d i sa p p r o p r i a t ew a sm o r ee c o n o m i ca n dr e a s o n a b l et h a na n yo t h e ra i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m sa n d i th a do b v i o u st e c h n i c a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e s t h em a i nw o r kt h i sp a p e rd o n ew a st od e s i g na no p t i m a ld i f f e r e n ti n l e ta n do u t l e t t e m p e r a t u r eo ft h ec i r c u l a t i n gf l u i di ng r o u n d s o u l c oh e a tp u m p ，t h ee n a c t m e n to ft h eo u t l e t t e m p e r a t u r eo ft h ec i r c u l a t i n gf l u i dn o to n l ya f f e c t e dt h ee f f i c i e n c yb u ta l s ot h ei n i t i a l i n v e s t m e n to ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h i sa r t i c l e , s t u d i e sh a v es h o w nt h a t ：w i t ht h e c o n c e n t r a t i o no f7 n a c is o l u t i o nt h eo p t i m a lo u t l e tt e m p e r a t u r ei ns u m m e ro fj i n a ni s ：2 7 一3 2 ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n go u t l e tt e m p e r a t u r ei nw i n t e ri s ：3 1 2 9 t h e s er e s e a r c h e s h a dac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u eo i lt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h eg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p p r o j e c ta n dt h e y 伽p r o v i d es t r o n gs u p p o r tf o rp r o m o t i o n o ft h i st e c h n o l o g y i v 山东建筑大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，i n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r eo ft h ec i r c u l a t i n g f l u i di nt h eg r o u n dh e a te x c h a n g e r , d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e s ，t e c h n o l o g ya n de c o n o m i c a l a n a l y s i s v 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，论文中不含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 i 学位论文作者签名： 日期型! ! ：6 f 五 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： 导师签名： 日期丝】堕：么：! 垒 日期丝2 垡：丕 山东建靛大学硕士学位论文 第一章前言 随着我国政府和社会公众对大气环境越柬越重视，城镇中已经普遍禁止采用中小型 燃煤锅炉供热。因此，除了集中供热的形式以外，急需发展其它替代燃煤锅炉的供热方 式。热泵就是能够有效的减少大气污染的供热和空调的选择。以建筑物的空调( 包括供 热和制冷) 为目的的热泵系统，其中一个热源就是建筑物内部的环境，其另一个热源按 性质柬分，可分为空气源热泵和地源热泵两大类。在冬季供热工况下，室外空气、地表 水或大地中的低品位热量通过热泵做功而提高温度以对建筑物供热。 宅气源热泵利用室外的空气作为低温热源，系统最为简单，凼而初投资最省。空气 源熟泵的缺点是受室外环境的影响能效比较低而且。室外空气较低时供热量越小， 特别是当空气温度低于一定的限制时热泵就难以正常工作或是工作效率极低，需要用电 或是其它辅助热源对空气进行加热，热泵的效率就会大大的降低。此外，在冬季工况下， 空气源热泵的蒸发器容易结霜，需要定期除霜，也需要损失相当大的一部分能量。而地 源热泵具有空气源热泵所不具备的优势，本文主要研究地源热泵系统。 i l 地源热泵系统简介 地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种。热泵 是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地 下土壤中的热量或者是冷量到所需要的地方。通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖 用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蒿冷能力，冬季地源热泵把热量从地下土 壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循 环。 一 输 围l1 地潭热幕系统运秆围 困l2 地评热泵供畦模式图 地源热泵系统是利用2 0 0 米以内的浅层地壳中储存的热能资源来对建筑进行供热与 供冷，具有良好的节能和环境散益，近些柬_ i f 罔内得到了同益广泛的应用。根掘中华 凰善 一：l 山东建筑大学硕士学位论文 人民共和国国标地源热泵系统工程技术规范( g b 5 0 3 6 6 2 0 0 5 ) 中的表述，根据系统 形式的不同，地源热泵分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热 泵系统。在靠近江河湖海等大量自然水体的地方，可以利用这些自然水体作为热泵的低 温热源，称之为地表水地源热泵系统。与空气源热泵相比，它的效率可以大大的提高， 是值得考虑的一种热泵的形式。利用各种工业废水和城市污水中的热量的热泵供热系统 也归于这种系统。当然这种方式受到了自然条件和水源的限制。 地埋管地源热泵系统和地下水地源热泵系统都是利用大地( 土壤、地层、地下水) 作为热源。由于较深层的地层中在未受干扰的情况下常年保持在较为恒定的温度，远高 墨_ 图1 3 地源热泵的运行原理图一制热模式 于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。因此，地源热泵系统可以克服空气源热泵 系统的技术障碍，且效率大大提高。 地源热泵能够通过输入少量的高品位能源，将低品位热能流向高品位热能。浅层土 壤能分别在冬季作为热泵供暖所需要的热源和夏季空调供冷时所需要的冷源，即在冬季， 把浅层土壤能中的热量提取出来，经热泵系统转化为高位热能时，用于室内采暖；夏季， 把室内的热量提取出来，释放到浅层土壤中去。通常地源热泵系统消耗l k w 的电能，可 以得到4 l ( w 或是更多的热量或冷量。由于浅层土壤能中在未受干扰的情况下能够常年保 持恒定的温度，远远高于冬季的室外平均温度，又低于夏季的室外平均温度，因此地源 热泵能够克服空气源热泵的技术障碍，且能够大大提高效率。 此外，冬季通过热泵把浅层土壤能中的热量转化为高品位热能对建筑供热的同时， 还能够蓄存冷量，为夏季使用提供更好的条件；夏季通过热泵把建筑物中的热量转移给 浅层土壤，对建筑物降温的同时，又能够在大地中蓄存热量以便冬季使用。浅层土壤在 地源热泵系统应用中起到了蓄能器的作用，有利于提高热泵系统全年的运行效率。 2 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 1 地源热泵系统的组成 地源热泵系统一般由三个必需的环路构成( 参见图1 3 ) ：地热换热器环路、室内环 路、制冷剂环路。 有的地源热泵系统还设有生活热水环路。对于夏季工况来说，该循环能够充分利用 冷凝器排出的热量，基本上不需要消耗额外的能量就能得到满足生活用热水；在冬季工 况下，其能耗也低于电热水器【，但对地源热泵系统的初投资有很大的影响。 1 1 2 地源热泵系统的优点 由于地源热泵系统采取了特殊的换热方式，使它具有普通中央空调和锅炉不可比拟 的优点： ( 1 ) 绿色环保 地埋管地源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无废气、废渣、废水的排放，可 大幅度的降低温室气体的排放，能够保护环境，是一种理想的绿色技术。 ( 2 ) 高效节能 与锅炉( 电、燃料) 供热系统相比，地埋管地源热泵系统的转换效率最高可达4 7 ， 而锅炉供热只能将9 0 以上的电能或7 0 - 9 0 的燃料内能转换为热量供用户使用，因 此它要比电锅炉加热节省2 3 以上的电能，比燃料锅炉节省1 2 以上的能量，运行费用 为各种采暖设备的3 0 - - - 7 0 。由于土壤的温度全年稳定在1 0 2 0 之间，其制冷、 制热系数可达3 5 - 4 7 ，与传统的空气源热泵( 家用窗式和分体式空调、中央式风冷热 泵) 相比，要高出4 0 以上。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得地源热泵系 统换热效率很高。因此在产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，从而 达到节能的目的，其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统4 0 - 6 0 。 ( 3 ) 分户计费 实现机组独立计费，分户计表，方便业主对整个系统的管理和操作。 ( 4 ) 使用寿命长 家用空调设计寿命8 年，燃气锅炉为1 0 年；地埋管地源热泵机组为1 5 年，水循环 和风管系统2 5 年以上，地热换热器环路为5 0 年，它比所有各种空调系统和采暖设备的 寿命都要长。 ( 5 ) 控制设备简单 地埋管地源热泵系统采用将地源热泵机组分散安装于各处所( 居室、会所、办公室 等) 的方式，中央控制仅需选择水路控制，除去了一般中央空调集中控制所有参量的复 山东建筑大学硕士学位论文 杂环节，从而降低控制成本。在各分散安装单元( 居室、会所、办公室) 可根据用户要 求设不同的体积很小的终端控制器，实现从最简单( 起停、供暖、制冷三档) 到复杂的 可编程智能控制方式。 ( 6 ) 系统可靠性强 每台机组可独立供冷或供热，个别机组故障不影响整个系统的运行。机组的运行工 况稳定，几乎不受环境温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结 霜除霜之虑。 ( 7 ) 同时供暖制冷 地埋管地源热泵系统可做到同时有的房间或区域制冷，有的房间或区域供暖，这对 大型商业建筑尤其重要。采用传统中央空调系统只有使用造价极其昂贵的四管制空调系 统才能做到，而地埋管地源热泵不需增加任何设备便可做到。 ( 8 ) 维护费用低廉 地源热泵系统不设冷却塔和屋顶风机，没有室外设备安装维护费用。压缩机工作稳 定，不会出现传统设备中制冷剂压力过高或过低的现象。其维护费用大大低于传统的中 央空调。 ( 9 ) 远程中央控制智能化 远程控制智能化软件可以利用中央计算机控制整个系统，能够随人流变化而自动调 整热泵制冷或供暖，实现节能最大化，运行费用最小化。还可设置显示和打印设备，可 存储、分析各种采暖、制冷、维修等经济及技术数据，促进系统运行最优化。 ( 1 0 ) 应用灵活、安全可靠 灵活性强，可用于新建、扩建和改建工程，可逐步分期施工，热泵机组可灵活地安 置在任何地方，节约空间。无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。 ( 1 1 ) 送回风分区、新风独立 地埋管地源热泵系统，采用送回风分区、新风独立系统，每个工作单元都有 相对独立的送风途径，新风从室外采集，可有效降低室内致病菌群的含量，保证 空气质量，大大降低交叉感染的机会。 我国提出建设低碳社会，研究绿色空调新技术是必然的趋势。若能够充分的利用地 源热泵系统的节能优势，便能够有效的降低暖通空调的能耗，从而大大的降低建筑能耗。 4 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 地源热泵国际研究现状 地源热泵( g r o u n d s 黼h o tp u m p ) 的提出始于美英两国，2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，美英两国已经开始采用地下盘管热源的家庭用热泵【2 】，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： 上世纪8 0 年代初，欧洲先后召开了5 次以土壤源热泵为专题的国际学术会议【3 1 。这 一阶段的主要工作是对地热换热器建立建立相应的数学模型，并进行数值分析、仿真【4 1 。 有些地源热泵厂家编制了相应的e e d 、g c h p e c a l e 、g l d e s i 朗、g l h e pr o 和g s 2 0 0 0 1 5 1 等模拟软件。 上世纪9 0 年代以来，地源热泵的研究主要集中在地热换热器的换热机理、强化换热 以及系统对应的地热换热器的匹配等问题，为了更好的模拟地热换热器的实际换热状况， 学者主要研究地热换热器与土壤之间的相互耦合的传热传质等问题，以便更好的指导实 际应用网；并对采用更好的热物性回填材料展开实验研究忉嗍，以强化地热换热器在土壤 中的导热过程，进而减少地热换热器的埋管长度，节省系统的初投资。 国际最新研究动态表明【9 】，地源热泵发展的核心技术是有关地热换热器的传热强化、 地源热泵系统仿真及最佳匹配参数等。 针对地源热泵系统的初投资高，以及多年后系统能效比下降等问题，国外学者提出 了地热换热器多年技术经济模型【硼。 1 3 地源热泵国内研究现状 2 0 世纪8 0 年代初，天津商学院和天津大学开始对地源热泵进行研究【l l 】。1 9 9 5 年， 中国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坚合 众国能源部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 年又签署了该项 合作协议书的附件六一中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部 地热开发利用的合作协议书。其中，两国政府将地源热泵技术纳入了两国可再生能源的 合作项目，这一措施极大地促进了该技术的国际合作和推广应用【1 2 】。 1 9 9 8 年开始，国内很多大学纷纷建立了地源热泵实验台。其中，1 9 9 8 年重庆建筑 大学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副1 3 1 ；1 9 9 8 年青岛建筑 工程学院建设了聚乙烯垂直埋管地源热泵装置；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埋管地源热泵装置等。科研单位和企业互相合 作，做了许多实验研究和工程示范【1 4 】。 山东建筑大学硕士学位论文 2 0 0 0 年以后，清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、山东建筑大学( 原山东建筑 工程学院) 和天津大学等院校重点对地源熟泵的换热理论和设备匹配等问题进行了深入 研究，推导建立了自己的地下换热理论。最近几年，国内已经开始对地源热泵的系统匹 配1 甸题进行了研究，建立了系统各部件的理论计算模型，同时对新型制冷剂在地源热泵 系统中的应用以及在变负荷状况下地源热泵的运行工况、地源热泵系统的匹配，设备的 优化分析等等进行了深入研究【1 5 】【1 6 1 。 清华大学葛云亭等对空调设备的动态特性进行了研究【1 7 】，采用分布参数的方法建立 各部件仿真模型( 压缩机模型除外) ，并以整个系统的压力平衡、能量平衡及质量平衡为 约束条件使其有机的结合起来，构成整个制冷空调系统的仿真模型，该方法可以直接用 于地源热泵机组的优化匹配分析。 重庆大学对换热器理论模型进行了深入研究，对不同岩土换热器对换热性能的影响 进行了实验，提出了不同地区地热换热器的换热量。 哈尔滨工业大学对地源热泵的耦合模型进行了研究。 张琴舜、邹文进、沈秀中等人利用l a b v i e w 软件利用建立了冷凝器动态数学模型【瑚， 从冷凝器的汽侧、水侧和管壁等3 个环节进行考虑。分别建立质量方程和能量方程以及 换热方程等。根据冷凝器进口参数，可以适时动态的模拟出冷凝器出口等参数，计算值 通过实验得到了很好的验证。 文献【1 9 】【2 0 1 利用稳态分布参数法对冷凝器的运行影响因素进行了分析，得到了对地源 热泵机组进行优化的方法和措施；很多学者在空调设备的仿真研究领域取得了一系列有 价值的结论【2 l - 2 3 1 。 2 0 0 2 年开始，国内学者开始注意研究地质状况对地热换热器的影响【2 4 1 ，地下渗流对 地热换热器的传热影响【2 5 】等。国内学者采用制冷系统热动力学的方法研究热泵装置的耦 合过程 2 6 】。因采用土壤作为热源，其夏季或是冬季运行的工作点和空气源热泵都有一定 的差别【2 n ，具体说来就是在新的室外侧换热流体温度下，对地源热泵系统进行匹配，使 其能效比最高并最大程度的发挥地源热泵的节能优势。目前，学者已经开始对地源热泵 系统的长时间运行以及对系统的影响开始了研究【2 射。 随着国家能源政策的调整，国内学者已经开始针对浅层地热能和其他新能源复合利 用进行研究，例如与太阳能、水电等的联合应用研究【2 1 1 。 6 山东建筑大学硕士学位论文 1 4 当前地源热泵系统设计及应用中的主要问题 对于传统空调系统来讲，地埋管地源热泵系统的节能需要有一定的前提条件。 地埋管地源热泵系统的换热条件和换热环境区别于传统的空调系统，其要发挥出比 传统空调系统节能的优势，必须需要合理的确定地热换热器的换热条件，即地热换热器 的运行工况。 由于不同的运行工况参数设置，才导致了地源热泵机组有不同的运行效率。合理的 确定地埋管地源热泵系统的运行工况参数，不仅要涉及到地埋管地源热泵系统运行的效 率，对地热换热器的设计也会产生影响，进而涉及到该系统的总投资及其总收益。在实 际工程运用中，由于增加了室外的地埋管工程，加大了系统的初投资，必然需要通过减 少系统的运行费来实现投资回报，只有这样，才能体现地源热泵的节能优势。 然而许多已经运行的地埋管地源热泵系统的实际工程中，并没有反映出其节能的优 势。原因就是在地源热泵系统的设计过程中，并没有从实际工程等因素与传统的空调系 统进行节能比较。许多实际工程由于随意确定的运行工况参数，导致体现不出地源热泵 系统的节能效果。 不管是用土壤热物性响应测试法，即测试土壤的热物性，进而对地埋管进行设计， 还是对地热换热器用数值模拟计算方法进行模拟计算，两者都对在地埋管吸热工况和排 热工况下，缺少对地热换热器循环液进出口温度的控制分析和比较。而大多数工程的设 计是根据经验而定。暖通空调设计师根据经验在某工况下估算的地埋管的换热量来对地 埋管进行设计与旋工。由于地埋管地源热泵系统在我国大规模使用时间还不长，缺少相 应的能耗统计分析数据，这些根据经验所得出的运行工况参数是否恰当，并未经过实际 工程长期运行检验，地埋管地源热泵系统的节能性还难以评价。 所以，在实际工程的设计过程中，需要根据如气象参数、建筑负荷、投资回报率等 各种因素，来合理的确定地埋管地源热泵系统的运行工况参数，以此来选择地热换热器 运行参数，来确保地源热泵系统的节能效果。 总结地源热泵的应用研究现状，地源热泵系统研究中的关键技术归纳为以下几点： 地热换热器的换热性能与热泵机组性能的匹配影响。 地质情况、岩土温度的分布情况、埋管的布置形式和型号的设计对地热换热器换 热性能的相互影响情况。 地热换热器与热泵机组的合理匹配和最佳运行参数的理论研究。 综合国内外地源热泵的研究现状，可以发现影响地源热泵广泛应用的主要技术障碍 7 山东建筑大学硕士学位论文 是： 不同冷热负荷下合理利用地热换热器形式与热泵系统最佳匹配技术的研究不够； 在动态负荷、建筑环境区域布置、地能资源综合利用等方面仍然有许多工作需要开展。 利用地能资源供热制冷的关键应用技术_ 换热装置强化技术、提高地源热量的 扩散速度、提高地源传热温差技术和地热换热器布置技术等还有待进一步研究。 缺乏可靠预计地热换热器多年运行工况的方法。 1 5 本文研究的主要内容 国外有很多学者已经对地热换热器的传热模型进行了研究和模拟，但大多数模型是 利用温频法，或是其它能量分析法等，通过输入月平均负荷来模拟地热换热器换热性能、 地热换热器循环液最高和最低入口温度等。这几类模型只能模拟地热换热器在数年或数 十年内地下土壤的温度变化情况，并不能够准确的模拟地热换热器瞬时的运行工况，如 任一时刻地热换热器循环液进出口温度、换热量等。 山东建筑大学( 原山东建筑工程学院) 、青岛理工大学( 原青岛建筑工程学院) 、 同济大学，重庆大学等也分别根据各自的实际地质条件给出了相关的实验结果。实验结 果表明，不同的地质条件及气候条件，地埋管单位管长换热量相差较大。 在目前已开展的研究，绝大多数只是局限于对所建立的地源热泵实验系统运行进行 性能测试，并与传统的空气源热泵进行相关的技术经济比较。在实际的地源热泵系统工 程设计中，地热换热器的设计主要是根据土壤热响应测试或是根据实际工程经验估算等， 缺乏相应的理论基础，使得系统的运行效率极低。 地热换热器是地源热泵系统中主要的组成部件，地热换热器的换热效能直接影响整 个系统的运行效率。建立地源热泵系统模型对地热换热器循环液进出口温度进行优化分 析，得出济南地区地热换热器循环液最佳进出1 2 温度设定。比较不同地热换热器循环液 温度设定的运行的优缺点和经济性，根据工程的实际特点做经济性分析，在给定气候条 件和电费计价方式下确定出初投资和运行费用最小的系统形式和控制措施。 本文针对地源热泵系统设计和应用中所出现的问题，确定研究内容主要包括以下几 个方面： 1 5 1 建筑负荷逐时模拟计算 本文采用d e s t 软件进行建筑负荷的逐时模拟计算。 由于地热换热器既有的蓄热特性，在地热换热器设计计算中，既要考虑建筑的峰值 8 山东建蕈大学硕士学位论文 负荷，同时还得考虑地埋管所承担建筑物长期持续性的冷热负荷，对每一个空调系统方 案的确定建筑物的负荷特性都是一个非常重要的影响因素，本文采用d e - s t 软件对建 筑物进行负荷计算，并分别统计建筑物的峰值负荷与日负荷、月负荷、年负荷等相关因 一 一 一 紊，对地源热泵系统进行更为细致的分析与研究，并且本文采用的地热之星软件嵌套 d e s t 软件，更有利于本文的研究内容。 52 地埋管换热器循环液进出口温度设定对系统的影响研究 本文采用山东建筑大学自主研发的地热之星”软件进行理论模拟及设计研究。 旦| 自e 吲二b _ | 翌剧旦童匣【! 丑| f # # 一 一 4n m # 1 0 水l j s t 二 m z 围1 , 4 地熟之星敏件界面 4 口 o 在地热换热器传热分析的算法方面，”地热之星”采用叠加原理方法，在计算钻孔井 热阻时采用了有限长线热源温度响应的解析解，在计算钻孔内热阻时采用的是山东建筑 大学地源热泵研究所自己导得的准三维模型的解析解，可计算单u 和双u 形管的钻孔。 地源热泵系统主机的效率是由地热换热器的换热效率决定，在流量相同的情况下， 不同循环液的进口温度决定了换热器换热强度的不同。 根据地热之星软件，建立地源热泵系统模型，在动态负荷下，对地热换热器循环液 进出口温度的设定进行优化分析，得出济南地区建筑物地热换热器循环液最佳进出口温 度设定并比较不同地热换热罄循环液温度设定的运行的优缺点和经济性，根据工程的 实际特点- 在给定气候条件和电费计价方式下，用费用年值法做经崭性分析，最终确定 初投资和远行费用煅小时循环液的最佳进出口温度 i 出对工程设计有所帮助的结论。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章地热换热器循环液进出口温度的理论模型 在地源热泵系统中，地热换热器是区别于传统空气源热泵的最大特点，同时初投资 也较大，这也是阻碍地源热泵系统发展的主要原因之一。地源热泵系统的经济性和运行 一 一 一 驹可靠性主要依靠于地热换热器设计是否合理。合理的建立地下传热模型，正确的设计 地热换热器，是推广地源热泵技术的关键之一。 本论文中，地热换热器的模拟计算，在给定的地埋管布置形式、负荷以及地热换热 器循环液进出口温度变化，计算地埋管的长度，并进而确定系统的性能系数和能耗，以 便对系统进行能耗分析。 2 1 主要研究方法简介 关于地热换热器的传热分析，迄今为止，国际上还没有公认的模型。由于多孔介质 中，传热传质问题非常复杂，国际上现有的地热换热器传热模型绝大多数采用的是纯导 热模型，忽略了多孔介质中对流换热产生的影响。 地热换热器模型主要分为两类：一类是半经验性设计计算公式，根据建筑物的冷、 热负荷，估算地埋管的长度一1 。在这类方法中，国际地源热泵学会( i n t e r n a t i o n a l g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pa s s o c i a t i o n ，i g s h p a ) 推荐的公式影响最大。地源热泵供 热空调技术规范畸1 中，基本上参考了i g s h p a 方法。 第二类方法是采用离散化和计算的方法，采用有限元或有限差分法，来求解 地下土壤的温度响应，进而进行传热分析。在地热换热器传热分析的研究历史上， 在2 0 世纪8 0 年代，美国橡树岭国家实验室( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 做的研究口6 。圳具有代表性随着计算机技术的巨大发展，适应性强的数值计算方 法成为传热分析的重要手段，也已成为地热换热器理论研究的重要工具。 不同于上述两类方法，在2 0 世纪8 q 年代到9 0 年代，瑞典的e s k i l s o n n 们和 h e l l s t r o m h 采用了叠加原理的方法，即g 一函数方法。 在研究历史上，地热换热器的传热分析方法有以下几种。 2 1 1 半经验公式方法 在实际工程中，主要采用半经验公式。该方法的提出较早，是以一维的线热源或圆 柱模型为基础的计算公式。由于其计算相对于其他方法比较简单，又优于纯经验估计的 方法，因此实际工程中得到较多的应用。但其精度有限，适用于换热器容量不大( 小型工 程) 或地埋管成本较低的情况。主要以国际地源热泵协会( i g s h p a ) ，以及美国供热制冷 l o 山东建筑大学硕士学位论文 和空调工程师协会( a s h r a e ) 共同推荐的俄克拉荷马州立大学( o k l a h o m as t a t e u n i v e r s i t y ) 研究的方法【3 3 1 影响最