（工程热物理专业论文）地源热泵复合系统的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着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己成为普遍 的需求。由于能源与环境问题成为了世界各国面临的重大社会问题，地源热泵复合系统 作为一种节能环保的空调系统己受到人们广泛关注，为了进一步推广和应用这项技术， 需要一个准确方便的地源热泵复合系统的设计方法，并通过实际具体计算比较确定出最 为经济的系统。 本文对于特定地区的特定建筑物设计了普通地源热泵空调系统和地源热泵复合空调 系统，并对各种系统的经济性做出了分析比较。 首先，对特定地区的特定建筑物使用d e s t 软件计算其全年逐时空调负荷。本文选取 的为济南地区的办公建筑物，此建筑物为冷负荷占优型建筑物，适合采用加辅助散热设 备的地源热泵复合系统。 其次，对整个地源热泵负荷系统的各组成部分，即热泵、地热换热器、辅助散热设 备建立计算用数学模型，编写程序对各模块进行全年逐时运行数据计算，实现对整个系 统的全年能耗模拟。 然后，调整地源热泵复合系统的地热换热器与辅助散热设备的冷量配比，对于同一 建筑物选用不同的地源热泵复合系统的设计，做全年逐时运行能耗模拟，计算出其运行 费用及系统初投资，对地源热泵复合系统进行优化选择。同时对于特定的地源热泵复合 系统通过改变辅助散热设备的运行控制方式，计算它们的全年运行费用，确定出最经济 的系统运行控制方式。 最后，通过将多种系统形式的地源热泵复合系统及多种辅助散热设备运行控制方式 的全年逐时模拟计算结果列表，并使用o r i g i n 软件画图进行比较，得出了若干关于地源 热泵复合系统优化设计及运行的结论和建议。 关键词：地源热泵复合系统，全年逐时能耗模拟，地热换热器，辅助散热设备，运 行控制方式，经济性比较 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y o nh y b r i dg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s m a n y i ( e n g i n e e r i n g t h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yf a n gz h a o h o n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di m p r o v e m e n to ft h ep e o p l el i v i n gs t a n d a r d ，t h e h e a t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n gb e c o m et h ec o m m o nd e m a n di nt h ec o m m e r c i a la n dr e s i d e n t i a l b u i l d i n g s a st h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e mh a sb e c o m et h eh u g es o c i a lp r o b l e m ，t h e h y b r i dg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ( h g s h p ) s y s t e m s ，a s a ne n e r g yc o n s e r v a t i o na n d e n v i r o n m e n tf r i e n d l yt e c h n o l o g y g e tm o f ea n dm o r ea t t e n t i o no f p e o p l e i n o r d e rt o p o p u l a r i z ea n da p p l yt h i st e c h n o l o g yb e t t e r , t h ea c c u r a t ea n dc o n v e n i e n td e s i g nm e t h o do f h y b r i dg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m si sn e e d e d , a n dt h ew a yt oc a l c u l a t et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ft h ew h o l es y s t e ma n dc o n f i r mt h em o s te c o n o m i c a lh g s h ps y s t e m sb e c o m e s d e s i r a b l e t h i st h e s i sd e s i g n sac o m m o ng r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e ma n dah y b r i d g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mf o rag i v e nb u i l d i n gl o c a t e di nag i y e nr e g i o n ，a n a l y z e sa n d c o m p a r e st h ee c o n o m i c a lq u a l i t yo ft h e s es y s t e m s f i r s to fa l l ，t h eh o u rb yh o u ra i r - c o n d i t i o n i n gl o a do ft h eb u i l d i n gi sc a l c u l a t e di naw h o l e y e a rb yt h ed e s ts o f t w a r e b e i n gc o o l i n gl o a dd o m i n a t e d ，t h eb u i l d i n gc a l c u l a t e di nt h i s t h e s i si sa no f f i c eb u i l d i n gl o c a t e di nj i n a n ，a n di ti ss u i t a b l ef o rt h eh g s h p s y s t e m s ，w h i c h a d dt h es u p p l e m e n t a lh e a tr e j e c t e rf a c i l i t yt ot h ec o m m o ng r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s s e c o n d l y , t h em a t h e m a t i c sm o d e sh a v eb e e ne s t a b l i s h e do ft h eh e a tp u m p ，v e r t i c a l g r o u n dh e a te x c h a n g e ra n ds u p p l e m e n t a lh e a tr e j e c t e r , w h i c ha r et h ee s s e n t i a lp a r t so ft h e h g s h p s y s t e m s t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ew h o l es y s t e m si ss i m u l a t e di nh o u rb yh o u r b a s i s t h i r d l y ，s e v e r a ld e s i g n sw i t hd i f f e r e n tc a p a b i l i t yo ft h ev e r t i c a lg r o u n dh e a te x c h a n g e r a n ds u p p l e m e n t a lh e a tr e j e c t e rf o rt h es a m eb u i l d i n ga r em a d e ，a n dt h e i rf i r s ti n v e s t m e n t sa n d r u n n i n gc o s t sa r ec o m p a r e ds ot h a tt h em o s te c o m o n i c a lc o n f i g u r a t i o no ft h ed e s i g n sm a yb c c h o o s e n d i f f e r e n to p e r a t i o nc o n t r o ls t r a t i g e so ft h es y s t e ma r ea l s os t u d i e dw i t ht h e t i 山东建筑大学硕士学位论文 h o u r b y h o u re n e r g yc o m s u m p t i o ns i m u l a t i o na n de c o n o m i ca n a l y s i s f i n a l l y ，t h es t u d yh a sp r o v i d e dg e n e r a lm e t h o d o l o g ya n da d v i c e sf o ro p t i m a ld e s i g na n d o p e r a t i o no fs u c hh g s h ps y s t e m si nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：h y b r i dg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s ，e n e r g yc o n s u m p t i o ns i m u l a t e ， v e r t i c a lg r o u n dh e a te x c h a n g e r s u p p l e m e n t a lh e a tr e j e c t e r ，c o n t r o lm e t h o d ，e c o n o m i c a l a n a l y s i s 1 1 1 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。除丈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：邀童日期 2 0 0 7 6 1 s 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： 遗童 日期2 0 0 7 6 ，| s 立堡垒日期弛z 墨。碰 山东建毓大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 、本课题的研究背景 能源与环境问题是世界各国面临的重大社会问题。能源的结构形式和利用效率是实 现可持续发展的基本条件。 1 1 1 、我国当前能源状况 随着经济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己成为普遍的 需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的2 5 3 0 。我国的能源 结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧时产生的大量污染物，包括大量s 0 2 、 n 嘎等有害气体以及c 0 2 等温室效应气体【1 1 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【2 1 。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉 的转交。现在又进一步禁制在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境 的高度重视。 因此在建筑空调领域，为了适应可持续发展的要求，缓解臭氧层耗减和全球变暖所 造成的日益严峻的全球环境问题，在满足人类健康、舒适要求的前提下，优化能源结构， 提高能源利用效率，可持续开发利用可再生能源，减少常规能源消耗，显得尤为迫切和 重要。热泵作为空调冷热源中能源转换效率最高的应用技术，能有效节省能源、减少大 气污染和c 0 2 排放，目前受到人们的日益重视和关注【封。 1 1 2 、热泵技术应用的环保优势 采用热泵为建筑供热可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃烧矿物燃 科( 煤、石油、天然气) 产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉和 供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率( 即为建筑物供热的热量与燃料发 热量之比) 最高不会超过1 0 0 。如果先利用燃料燃烧产生的高温热能发电，然后利用电 能驱动热泵从周围环境中吸收低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分 利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供热的一次能源消耗。在现有的技术条件下， 热泵供热的性能( 供热量与消耗电能之比) 可达3 5 或更高，火力发电站的效率可达3 5 5 8 ( 高值为燃气联合循环电站) 。因此，采用燃料发电再用热泵供热的方式，在现有 先进技术条件下一次能源利用率可以达到2 0 0 以上。研究表明，采用热泵的供热方式与 直接燃烧矿物燃料供热方式相比，可以节省燃料约4 0 以上，相应的减少了c 0 2 的排放 量。而用电阻加热设备把电能转化为热能的性能系数为1 ，是非常不经济的。 热泵是减少c 0 2 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， 1 山东建筑大学硕士学位论文 总供热量约为每年4 7 x 1 0 1 8 j ，每年减少c o z 排放量约为1 3 亿吨。由于供热和空调的能耗 巨大，而且正在迅速增长中，因此全面推广热泵的供热方式取代传统的锅炉房供热方式， 将有可能使c 0 2 总的排放量下降5 以上，环境效益显著。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 2 排放量减少1 6 是有可能的i ”。 因此，它是建筑节能和减少c 0 2 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 2 和n o x 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。热泵作为一项利用可再生能源、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【5 1 。 1 2 、空调用热泵系统研究现状 1 2 1 、空调用热泵的分类 热泵是一种通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置【“。利用热泵， 可以把不能直接利用的低品位热能( 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品位热能。按所采用的低品位热源可分为：空气源热泵( a i r s 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 d s o u r c eh e a tp u m p ，g s h p ) 两大类。地源热泵 系统通常还被称为地热热泵系统( g e o t h e r m a lh e a tp u m ps y s t e m ) 、地能系统( e a r t he n e r g y s y s t e m ) 、地源系统( g r o u n d s o u r c es y s t e m ) 等，后来，由a s h r a e 统一为标准术语即地源热 泵系统( g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m l 。地源热泵又可进一步分为地表水热泵 ( s u r f a c e w a t e rh e a tp u m p ，s w h p ) 、地下水热泵( g r o u n d w a t e rh e a tp u m p ，g w h p ) 和地耦合热 泵( g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ，g c h p ) 1 7 。1 0 】。考虑实际应用中人们的称呼习惯，同时为了便 于理解，我国颁布的地源热泵系统工程技术规范( g b5 0 3 6 6 - - - 2 0 0 5 ) 中把地耦合热 泵系统( c l o s e d l o o p g r o u n d c o u p l e d h e a t p u m ps y s t e m ) 或以i j 国内有人所称的“土壤源”地 源热泵系统定义为地埋管地源热泵系统。 1 2 1 1 、空气源热泵 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；其性能系数( c o p ) 一般在2 3 。 空气源热泵系统简雎，初投资较低。其目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式 热泵窄调机组和风冷热泵冷热水机组【“l 。空气源热泵的缺点是在夏季高温和冬季寒冷天 2 山东建筑大学硕士学位论文 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和 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。而且，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜， 消耗大量的能量，甚至使系统不能正常工作。因此空气源热泵不适用于寒冷地区和高湿 度地区，在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区得到广泛的应用。 1 2 1 2 、地源热泵 地源热泵的低温热源一般是大地的地下水和土壤。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。此外，电脑国际通过热泵把大 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和传输给大地，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，迸一步提高 了空调系统全年的能源利用效率。根据使用大地热源的不同，地源热泵可分为地下水源 热泵、地表水热泵和地埋管地源热泵。 1 3 、空调用地源热泵系统研究现状 1 3 1 、地下水源热泵 地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。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。水质良好的地下水可直接进入热泵换热，这样的系统称为开式环路。此 系统c o p 值一般为3 4 5 ，不存在结霜等问题，但应用受到许多条件的限制。首先，应 用这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件，而且热泵系统的经济性受到 地下水层的深度影响。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 0 m 3 h 。 此外，从地下抽出来的水很难做到全部回灌至含水层中，造成地下水资源的流失，而且 回灌时易造成地下水层受到污染【1 2 l 。 1 3 2 、地表水热泵 地表水热泵系统使用的热源是海洋、池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水相对于 室外空气来说算是商品位热源，不存在结霜问题。但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会降低。 一定的地表水体能承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需要根据具 3 山东建筑大学硕士学位论文 体情况进行计算。 从工程方面讲，对地表水的利用在取水结构和处理方面要花费一定的投资，同时要 采用防腐蚀的管材或换热器材料。此外，河川水和海水连续取热降温( 冬季供暖) 或经 升温后再排入( 夏季制冷) ，对生态环境有无影响也是有关专家所关注的问题。 1 3 3 、地埋管地源热泵 地埋管地源热泵系统是利用地下岩士中热量的闭路循环的地源热泵系统，通常称之 为“闭路地源热泵”、“地耦合地源热泵”以区别于地下水热泵系统。地埋管地源热泵 是通过循环液( 水或以水为主要成分的防冻液) 在封闭的地下埋管中流动实现系统与大 地之间的传热，将热量传送到地下，或者从地下吸收热量。地埋管地源热泵系统在结构 上的特点是有一个由地下埋管组成的地埋管换热器，又称地热换热器( g e o t h e r m a lh e a t e x c h a n g e r , 或g r o u n dh e a te x c h a n g e r ) 地埋管换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋 管两种。水平埋管形式是在地面挖1 2 m 深的沟，每个沟中埋设2 、4 n 6 根聚乙烯塑料管。 竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0 1 0 1 5 m 的钻孔，在钻孔中设置1 组( 2 根) 或2 组 ( 4 根) u 型管并用灌浆材料填实，钻孔的深度通常为4 0 2 0 0 m 。建筑物周围可用的地表 面积是选择地埋管换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地埋管换热器可以比水平埋管 节省很多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情。本研究的地源热泵复合系统就是 以采用竖直埋管地热换热器的地埋管地源热泵系统为基础的。 1 4 、地埋管地源热泵的优点 本研究中涉及的地源热泵是地埋管地源热泵。它利用地下土壤温度相对稳定的特性， 在投入少量高位能的基础上，通过埋在地下的地热换热器与大地进行冷热交换，实现供 冷供热的目的。冬季，地源热泵提取大地中的低位热能向建筑物供热，同时储存冷量， 以备夏用：夏季，将建筑物中的热量转移到地下，实现供冷，同时储存热量，以备冬用。 土壤温度除地表数米的表层以外几乎是常年恒定的，而且大地的容量也很大，因此气候 的变化对地源热泵的运行影响很小，可以忽略。地埋管地源热泵系统有如下优点： 1 4 1 、节能、运行费用低 深层土地资源的温度一年四季相对稳定，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度 特性使得地源热泵比传统宅调系统运行效率要高约4 0 。另外，地源温度较恒定的特性， 使得热泉机组运行更町靠、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， 保证了系统的商效性和经济性。据荚圜环保署e p a 估计，设计安装良好的地源热泵，平 均来说叮以节约用户3 0 4 0 的供热带0 冷空调的运行费用。 4 山东建筑大学硕士学位论文 1 4 2 、一机多用，节约设备用房 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用。一套系统可替换原来的 锅炉加制冷机两套装置或系统。机组紧凑、节省建筑空间，由此产生的经济效益也相当 可观。可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。 1 4 3 、环境效益显著 开发推广地源热泵空调技术可彻底革除中小型燃煤锅炉房，该装置的运行没有燃烧， 没有排烟，也没有废弃物，使城镇的大气污染得到根本的治理。据有关资料统计，地源 热泵的污染物排放量，比空气源热泵的排放量减少4 0 以上，比电供暖的减少7 0 以上， 如果结合其它节能措施节能减排会更明显。同时避免了开式系统的地源热泵( 抽取水) 可能造成的对地下水的浪费和污染：具有极大的环境效益。 1 4 4 、利用再生能源，符合可持续发展战略 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量交换的采暖空调系 统。地表浅层地热资源量大面广，无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，利用 地热的地源热泵，是一种可持续发展的“绿色装置”。 由于地源热泵系统的上述优点，它们的应用将产生重大的经济效益和社会效益，在 我国建筑空调系统中发挥越来越重要的作用。地源热泵的研究成果在我国有着广阔的应 用前景。与其它热泵系统比较起来，地源热泵存在的一个主要缺陷就是其初投资较高， 因此，提高地源热泵的运行效率是近几年地源热泵的研究重点，包括：土壤热物性的研 究和回填材料的确定、地热换热器的传热模拟研究、地源热泵复合系统的研究等。 1 5 、设计地源热泵复合系统的原因及意义 1 5 1 、地源热泵系统的地热换热器会引起地下年平均温度变化，影响系统性能。 常见的地源热泵系统通过闭环式垂直埋管地热换热器向土壤释放建筑物的冷负荷或 从土壤中吸收热负荷，通过热泵实现对建筑物供冷供热。在地源热泵空调系统全年运行 过程中，冬季通过热泵把从地下吸收的热量升高温度后对建筑供热，同时地下埋管周围 的温度降低：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，同时地下埋 管周围的温度升高。显然，这种温度的升高或降低，对当年采暖( 或空调) 季的地埋管 换热器的传热性能有一定影响。如果在一年中冬季从地埋管换热器中抽取的热量与夏季 向地埋管换热器输入的热量平衡，则地埋管换热器在数年运行后，地下的年平均温度没 有变化，对地埋管换热器的性能没有影响。但是，在很多情况下地埋管换热器全年的冷 热负荷是不平衡的。例如在北方建筑物冬季的供暖负荷和供暖时| 日j 远大于夏季的空调负 e 山东建筑大学硕士学位论文 荷和空调时间；而在南方情况则相反。即使建筑物的冷热负荷及热泵冬夏季运行时自j 相 等，注入地下的热量也要大于从地下抽出的热量。因为前者等于建筑冷负荷加上热泵轴 功率，而后者等于建筑热负荷减去热泵轴功率。在这种情况下，地埋管换热器的吸热和 放热不平衡，多余的热量( 或冷量) 就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化，进 而影响地埋管换热器的出力。 1 5 2 、仅靠增加钻孔深度和钻孔间距无法解决这个问题。 增大地埋管换热器的钻孔深度或增大钻孔间距可使地下年平均温度的变化延迟，但 是加大钻孔深度不利于从地表的吸热( 或散热) ，因而会增大不平衡热负荷引起的稳态温 差，而且还会增大地源热泵系统的初投资；增大钻孔间距意味着增大地热换热器的占地 面积，这在人口周密的城市地区有时几乎不可能得到满足。 1 5 3 、问题解决的关键在于减小冷热负荷的不平衡程度 只有使地热换热器的吸热和放热平衡，不使多余的热量( 或冷量) 在地下积累，才 能保证地下年平均温度不会变化，从而保证系统性能。切实可行的方法就是在原系统中 增加辅助散热设备，这种具有辅助散热设备的地源热泵系统就是地源热泵复合系统。 1 6 、地源热泵复合系统国内外研究现状及发展动态 地源热泵复合系统的研究在国外已经开展了近5 0 年，研究主要集中在地源热泵复合 系统可行性研究，地埋管换热器模拟及实验研究，地源热泵复合系统运行特性模拟及实 验研究，地源热泵复合系统的辅助散热设备控制模式研究，地源热泵复合系统经济性分 析研究，地埋管换热器与辅助散热装置匹配性研究等【1 3 】。 鲍源热泵复合系统设计的前提是必须对热泵系统各组成部分迸行运行特性和全年能 耗模拟。y a v u z t u r k 和s p i t l e r 总结前人对地热埋管热器模型研究成果的基础上，为定量分 析地源热泵系统的短期特性对地埋管换热器、系统能量分析及辅助散热装置设计的影响， 提出了垂直埋管的短时间步长的无量纲温度响应即g 函数模型f 1 4 1 ，这个模型提出是建立 在y a v u z t u r k 等( 1 9 9 9 ) 提出的隐式的二维非稳态有限容积模型。短时间步长温度响应是 对长时间步长温度响应( 一般为每月或每年) 的进一步优化和发展。y a v u z t u r k 和s p i t l e r ( 1 9 9 9 ) 考虑到直角坐标在对u 型管坐标处理过程的复杂性，采用极坐标的形式把埋管区 域分成两个半圆，进而把u 型管近似为扇形区域来处理【“1 。 目前冷却塔设计过程综合考虑了建筑物最大负荷、冷热负荷差值、热积累、垂直埋 管分区、运行控制方式、设备运行效率和能肇= 消牦等斟素对冷却塔选犁和设计的影响【1 5 1 。 k a v a n a u g h1 9 9 8 ；k a v a n a u i g ha n dr a f f e r t y1 9 9 7 ；p h e t t e p l a c ea n ds u l l i v a n1 9 9 8 ； 6 山东建筑大学硕士学位论文 y a v u z t u r ka n ds p i t l e r2 0 0 0 提出了控制辅助散热装置开启的方法1 1 6 l ，这些方法包括：设 定温度控制( 进入或流出地热换热器的水温超过设定温度时开启辅助散热装置) 温差 控制( 当进入热泵的水温与周围空气温度的差值超过设定值时开启辅助散热装置) 开 启时间控制( 一般于夜间开启辅助散热装置排出土壤中的热量) 。但还未对这几种方法 作经济性比较。 a s h r a e ( 1 9 9 5 ) 讨论了地源热泵复合系统在初投资和地面面积有限情况下所具有的 优点【廿1 。对冷负荷占优势的建筑物地源热泵复合系统的设计过程说明基于给定建筑的月 平均负荷和峰值负荷设计出的辅助散热装置规格的不同。指出对于紧密布置的竖直埋管， 使用辅助散热装置在夜间对土壤蓄冷是有效的。给出了使用开式冷却塔和板式换热器， 根据热泵进水温度的上限值控制辅助散热装置和辅助散热装置夜间运行和炎热气候辅助 散热装置全年运行的方针。 k a v a n a u g ha n dr a f f e r t y ( 1 9 9 7 ) 在地热换热器设计选项的框架中讨论了地源热泵复 合系统【切。辅助散热装置的规格根据峰值负荷进行设计，其规格根据冷热负荷要求的钻 孔长度差计算。给出了将辅助排热器与地源热泵埋管系统结合的建议。 k a v a n a u g h ( 1 9 9 8 ) 对己存的a s h r a e ( 1 9 9 5 ) 和k a v a n a u l g ha n d r a f f e r t y ( 1 9 9 7 ) 中推荐的设计过程进行了修订【1 8 1 ，修订的设计过程解决了土壤换热、热积累、系统控制 方法、埋管排列、冰点保护、辅助耗能量、系统维护的问题。修订方法提供了以限制钻 孔中热积累为依据而平衡土壤中传热的方法。作者得出结论说：复合系统的经济价值在 冷负荷占优势的温热地区更加明显。 p h e t t e p l a c e 和s u l l i v a n ( 1 9 9 8 ) 描述了一个2 2 3 0 m 2 的位于f o r tp o l k , l o u i s i a n a 的军事 基地控制中心大楼【1 9 i 。使用了地源热泵复合系统。系统使用了7 0 个竖直闭式埋管，埋管 深度6 1 m ，间距3 3 m ，论文列出了2 2 个月包括两个采暖季和供冷季的运行数据。观察数 据表明，监测期间排入土壤的热量是从土壤中提取热量的4 3 倍。辅助散热装置采用 2 7 5 k w 的冷却塔，当进入热泵的温度达到3 6 时开启，3 5 时关闭。作者指出，土壤的 热积累可归结于温差控制器所设置的上限温度过高。降低上限温度可以通过增加冷却塔 的运行时间来消除热积累。运行期间的主要系统部件的能量消耗比例如下：热泵占总能 量消耗的7 7 ，循环泵占1 9 ，冷却塔风机3 ，冷却塔水泵1 。 s i n g h 和f o s t e r ( 1 9 9 8 ) 探索了使用复合地源热泵系统的位于a l l e n t o w n 的p a r a g o n 中心和 建于i 匠i a t l a n t i c 城的小学所节省的初投资【删。p a r a g o n 中心由于地质条件的原因( 石灰层 下有地下水使钻孔深度不能超过3 3 5 m ) 而使用复合地源热泵系统，采用闭式液体冷却器 7 山东建筑大学硕士学位论文 作为辅助散热装置。小学是因为没有足够的埋管位置而采用复合地源热泵系统，同样采 用闭式液体冷却器作为辅助散热装置。这两个系统尽管增加了运行和维护费用，但可以 有效地降低初投资。 河北工程学院的孙培杰和王景刚( 2 0 0 5 ) 结合河北工程学院地源热泵实验室条件【2 1 i ， 利用系统循环性能分析和运行能耗分析等方法，从初投资、系统性能、能耗及设计实现 技术方面讨论了地源热泵复合系统的可行性。建立了一套地源热泵复合系统的实验装置， 并实现了整个系统的计算机自动采集与数据处理。在已有地源热泵复合系统研究的基础 上，建立了基于圆柱源理论的耦合热泵机组、地埋管换热器特性和冷却塔的运行特性模 拟模型。 综上所述，为确定地源热泵复合系统的可行性，国内外进行了大量的理论分析和实 际应用的研究，国内对地源热泵复合系统研究的起步较晚，但是所有的研究都不同程度 的表明，在大型商业和办公建筑中，地源热泵复合系统在初投资、运行能耗及机组循环 性能等方面具有更大的可行性和优越性。在气候较温暖的地区更为明显。 1 7 、研究的主要内容 综合国内外已有的研究成果和研究现状可以看出，地源热泵复合系统作为一种节能 环保的空调系统已受到人们广泛关注，为了进一步推广和应用这项技术，需要一个准确 方便的地源热泵复合系统的设计方法。本研究针对一个特定的典型系统进行模拟和计算， 包括以下研究内容： 1 7 1 、计算所研究的建筑物的逐时冷热负荷 为了节省系统初投资和运行费用，应准确计算建筑物的冷热负荷。首先要获得当地 的标准气象年的数据资料，本研究以济南地区的气象数据为根据进行计算。由于建筑物 冬季室内外温差的平均值远远大于室内外温差的波动值，计算建筑物的热负荷可使用日 平均温差的稳态计算法。与冬季相比，夏季室内外平均温差并不大，但波动的幅度却相 对较大，因此准确计算冷负荷时不能采用稳念计算法，本研究拟采用积分变换法，对边 界条件采用冷负荷系数法处理。计算中使用d e s t 软件计算建筑物全年逐时负荷。 1 7 2 、研究地热换热器传热模型 热泵系统短时问间隔变化的性能特性对地源热泵复合系统的设计和系统能量分析非 常重要。斟此要提出对建筑物进行逐时能鞋分析的短时1 日j 步长模型，用给定地点标准气 象年的逐时气候数据计算逐时或更短时间问隔内进出地热换热器的水温。 在地表和u 形管底部对传热的影响忽略不计，地下土壤热物性均匀的假定下，考虑管 8 山东建筑大学硕士学位论文 内流体温度沿深度方向变化，使用二维、全隐式、短时间步长的有限容积数值方法，对 不同管道尺寸，管道放置和钻孔几何形状采用自动参变量网格生成运算法，使模型可计 算较小时自j 间隔的管壁无量纲温度响应【1 4 i 。 1 7 3 、冷却塔传热模型 工程中最常见的地源热泵复合系统使用冷却塔作为辅助散热设备，其运行特性和运 行费用受冷却塔型号、控制模式、室外空气参数、要求换热量及风机和循环泵的功率等 因素的影响，在冷却塔设计过程中必须综合考虑热泵机组运行特性、地热换热器的换热 性能及当地的气象条件。为了设计出最优化的系统，本研究利用文献中已提出的冷却塔 传热模型准确计算出了冷却塔的全年运行费用和冷却塔开启时的散热能力【2 2 l 。 1 7 4 、热泵模型 热泵是地源热泵复合系统中最重要的组成部件，热泵性能的好坏直接关系到整个系 统的运行效率和耗能量。建立热泵模型就是要根据地埋管换热器各时刻出水温度即热泵 的各时刻入水温度计算出各时刻对应的热泵的出水温度和热泵运行功率。 本研究中使用热泵样本拟合热泵c o p 性能曲线。根据程序计算出的地埋管换热器各 时刻出水温度即热泵的各时刻入水温度代入计算，即可求出各时刻对应的热泵的c o p 系 数，根据各时刻热泵负荷即可计算出各时刻热泵的出水温度和热泵运行功率。 1 7 5 、本研究目的及解决的关键问题 通过对地源热泵复合系统各组成部分的研究，提出各部分的计算模型，逐时计算系 统耗能量和热泵进水温度，对整个系统进行全年逐时能耗模拟计算，详细评估地热换热 器的运行，定量分析不同控制措施对地热换热器规格和运行费用的影响，比较不同系统 运行和控制措施的优缺点和经济性，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。 本研究使用f o r t r a n 语言根据设定的数学模型进行编程计算。为了详细评价地埋管换 热器的运行性能，更准确的计算系统能耗，进行全年逐时能耗模拟，比较辅助散热装置 的控制措施对系统全年能耗模拟的影响，提出最经济的系统组成和控制方案，本研究在 地埋管换热器的数学模拟计算时采用逐时计算。为了在增加计算量的l j 提下提高程序的 运行效率，减小计算时日j ，本研究编制程序时采用了地埋管负荷的叠加算法【“j ，认为随 着时间的推移，给定时日j 步长内的负荷的影响在随后的时i 日j 步长内会减小，即某一段时 间步长以| j i 出现的负荷可以集合为一个大的负荷块。因此，较长时间以前出现的大量的 短时间步长的负荷可以由一个单独的负荷块代表，可以叠加于当前负荷之上。 9 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章地源热泵复合系统的 系统特点及建筑物逐时冷热负荷计算 2 1 、地源热泵复合系统特点 2 1 1 、地源热泵复合系统是在普通的地源热泵系统中加入辅助散热装置构成 根据辅助散热装置的不同可以把地源热泵复合系统分为以下几种：冷却塔辅助散热 系统、水冷器辅助散热系统、浅池塘辅助散热系统、洗车用水加热系统、近地面换热器 系统、停车场、人行道、桥梁除雪系统和农业温室系统等。其中前三种系统是在夏季机 组运行过程中，在地埋管换热器不能满足冷却要求时，通过一定的控制方式适时开启辅 助散热设备，以达到设计要求。其他几种辅助散热设备运行原理是在冬季利用停车场、 车道等的融雪、供热系统来增加机组运行负荷，从地下抽取相对于夏季来说多余的热量， 使冬夏两季系统从地下吸取的热量和排入地下的热量相等，以消除土壤负荷的不平衡。 开式冷却塔和闭式冷却塔是复合式地源热泵系统中最常见的辅助散热装置。本研究 中使用的辅助散热器为开式冷却塔，为了保证系统中的循环水不在冷却塔中被污染，使 用板式换热器将开式冷却塔与整个地源热泵复合系统的循环水分隔开。 2 1 2 、地源热泵复合系统可以用于建筑物的热水供应 除了供应空间的热负荷和冷负荷，地源热泵复合系统还可用于供应热水。系统中将 制冷剂一水换热器( 过热蒸汽减温器) 安装在压缩机的出口端。高温蒸汽在这里处于过热 状态，在南方地区，夏季可以得到“免费热水”，系统可提供全部的生活热水。在冬季， 提供生活热水的过热蒸汽减温器所需的热量与供热负荷一样，均来自地热换热器，设计 地热换热器时应考虑这部分热负荷。 2 1 3 、地源热泵复合系统按建筑物全年中较小负荷设计地热换热器 当地热换热器全年的冷热负荷不平衡时，按其中较小负荷设计地热换热器，运行中 使地热换热器负担平衡的冷热负荷，而不平衡的那部分负荷由其他的辅助散热设备承担。 设计时应准确确定辅助散热装置的规格，以便将不平衡的热量排出，使每年排入土壤的 热量和从土壤中提取的热量基本平衡。 2 1 4 、常见的地源热泵复合系统形式 工程中最常见的地源热泵复合系统由闭式竖直埋管地热换热器和作为辅助散热设备 的冷却塔构成。按热泵机组的设置情况呵分为热泵机组集中设置于机房的集中式系统和 热象机组分敞设置于居住单元或宅调分区的分散式系统。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 5 、地源热泵复合系统原理图 图2 1 地源热泵复合系统原理图 2 2 、地源热泵复合系统的适用范围 2 2 1 、用于全年的冷热负荷不平衡的建筑物的空调系统 大量非寒冷地区大型商用建筑的冷负荷比热负荷大得多，是冷负荷占优势的，特别 是南方地区。从土壤中提取的热量和排入土壤的热量不平衡长期作用会使土壤温度升高， 热泵夏季进水温度升高从而降低系统性能。因此冷负荷占优势的商用建筑中应使用地源 热泵复合系统，根据建筑物热负荷设计地热换热器，使用辅助散热装置来消除建筑物多 余的冷负荷，使地热换热器全年的冷热负荷平衡。由于按较小的热负荷设计，减小了地 热换热器的埋管长度，降低了系统的初投资并通过补偿钻孔负荷的不平衡改善了系统性 能。地源热泵复合系统所能减小的地热换热器埋管长度与建筑物所处的气候条件有关。 2 2 2 、用于因地质条件和地面面积限制没有足够空间的建筑物 由于减小了地热换热器的埋管长度，地源热泵复合系统还可用在因地质条件和地面 面积限制没有足够的空间安装能满足建筑物冷负荷的地热换热器的场合。 2 3 、地源热泵复合系统设计待解决的问题 2 3 1 、地源热泵复合系统的辅助散热装置特别是冷却塔和液体冷却器需要定期维护。其 运行时的用电量及维护费会增加整个系统的运行费。如果设计不准确，风机和水泵的耗 电量会抵消地源热泵复合系统可能节省的费用。因此应使辅助散热装置增加的初投资和 运行费比节省下的钻孔费和热泵运行费要小。 山东建筑大学硕士学位论文 2 3 2 、传入传出地热换热器的热量足根据建筑物负荷连续变化的，这种负荷变化使地热 换热器的供回水温度随之波动，热泵的c o p 值会受这种供回水温度变化的影响。在实行 分时电价的地区，系统性能波动对运行费的影响会更大。 2 3 3 、尽管辅助散热装置的规格和运行总时间可由每年的负荷值和最大可能的钻孔面积 估计，但是确定何时开启散热装置和分析它短时问内对地热换热器的影响是复杂的。最 近研究工作( k a v a n a u g h1 9 9 8 ；k a v a n a u g ha n dr a f f e r t y1 9 9 7 ；p h e t t e p l a c ea n ds u l l i v a n1 9 9 8 ； y a v u z t u r k a n d s p i t l e r 2 0 0 0 ) 提出了控制辅助散热装罱开启的方法【1 6 】，