（制冷及低温工程专业论文）土壤源热泵空调系统的节能性分析及地下温度场研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：葺差 日期：2 0 t o - o 弓- 2 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 州峪 研究生签名：藓塞导师签名：赵型丝日 摘要 摘 经济发展与社会进步的同时，全世界的能源需求量不断增加，环境不断恶化，节能 减排刻不容缓。土壤源热泵空调系统凭借其环境友好性、运行效率高、维护费用低等优 点受到世界各地的认可并得到越来越广泛的应用，而且热泵空调系统是减少二氧化碳排 放最经济有效的技术，更能充分利用可再生能源，是带能减排的有效途径。 要保证土壤源热泵空调系统的可持续、高效运行，正确设计地埋管换热器是关键。 但现有的地埋管换热量的设计方法不统一，各地计算方法混乱，引起了土壤源热泵系统 的地埋管设计误差，比较严重的将破坏土壤热平衡。本文基于建筑空调负荷、热泵机组 功率及循环水泵的功率，提出了地埋管换热量的正确设计方法，并列举了三种常用的工 程设计方法，以南京某土壤源热泵空调系统为例，分别采用j 下确设计方法与工程方法对 其进行地埋管设计，比较计算结果，估算计算误差引起的土壤温度变化。针对混合土壤 源热泵空调系统，本文介绍了辅助散热设备的设计方法，以及地埋管换热器与辅助散热 设备的运行模式、控制策略。本文采用全能耗分析软件e n e r g y p l u s 计算建筑的逐时负荷， 并从建筑围护结构的保温层厚度、围护结构表面颜色、末端系统三方面对该建筑进行节 能性分析，进一步证实了土壤源热泵系统的节能潜力。 基于钻孔外的有限长线热源传热模型，本文采用软件l a b v i e w 对单钻孔及多钻孔 的温度场进行模拟。本文研究了恒定热流、周期运行时，单个钻孔壁中点温度的变化情 况；重点分析了变热流作用下，热泵系统以四种不同运行模式工作时的钻孔壁及距离钻 孔中心0 5 m 、1 5 m 、2 5 m 处的土壤温度变化，其中变热流值是针对实际热泵工程、采 用e n e r g y p l u s 计算得到的地埋管换热器的每米井深换热量，并以e x c e l 形式导入 l a b v i e w 进行模拟；最后根据叠加原理，模拟分析了不同管群、不同运行模式、不同 钻孔间距对土壤温度场的影响，并研究了土壤温度恢复期对地下热平衡的作用。 关键词：土壤源热泵，节能，地埋管换热器，热平衡 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i ca n ds o c i e t y , t h ew o r l de n e r g yc o n s u m p t i o n i n c r e a s e sc o n s t a n t l ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e mr i s e s e n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o n r e d u c t i o na r eo fg r e a tu r g e n c yn o w a d a y s t kg r o u n d s o u r c eh e a tp f l m ps y s t e mr e c e i v e s w i d e s p r e a da p p r o v a la n da p p l i c a t i o n so w i n gt oi t se n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ，h i g hr u n n i n g e 衔c i e n c y , l o wm a i n t e n a n c ec o s t sa n ds oo n f u r t h e r m o r e t h eh e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mi st h em o s te f f e c t i v et e c h n o l o g yo fr e d u c i n gt h ee m i s s i o no fc 0 2a n dt h ee f f e c t i v e w a y t or e n e w a b l ee n e r g yu t i l i z a t i o n ，e n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n f o rt h es u s t a i n a b l ea n de f f i c i e n to p e r a t i n go ft h eg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ， a p p r o p r i a t ed e s i g no ft h eb o r e h o l eh e a t e x c h a n g e ri sc r i t i c a l b u tn o wt h ed e s i g nm e t h o d so f t h eh e a te x c h a n g eq u a n t i t yo ft h eb o r e h o l eh e a t e x c h a n g e rv a r i e sl a r g e l yf r o me a c ho t h e ra n d r u no u te r r o r si nd e s i g no ft h eb o r e h o l eh e a t e x c h a n g e r ，e v e nd e s t r o yt h es o i lh e a tb a l a n c e b a s e do nt h em r - c o n d i t i o n i n gl o a d s ，c a p a c i t yo ft h eh e a tp u m p sa n dc i r c u l a t i n gp u m p s ，a c o r r e c td e s i g nm e t h o do ft h eh e a te x c h a n g eq u a n t i t yw a sp r o p o s e d ，a n dt h r e ee n g i n e e r i n g d e s i g nm e t h o d sw e r ec h o s e nt od e s i g nt h eb o r e h o l eh e a t e x c h a n g e ro fag r o u n d s o u r c eh e a t p u m ps y s t e mi nn a n i j n g t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sf r o mt h ec o r r e c td e s i g nm e t h o da n d e n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d sw e r ec o m p a r e da n dt h es o i lt e m p e r a t u r ec h a n g e sg e n e r a t e db y t h ec a l c u l a t i o nb l u n d e rw e r ee s t i m a t e d f o rt h eh 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 ，t h e d e s i g nm e t h o d so ft h es u p p l e m e n t a lh e a tr e j e c t e r sw e r ei n t r o d u c e d b e s i d e st h eo p e r a t i o n m o d e sa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sw e r ea n a l y z e d t h eb u i l d i n gh o u r l y1 0 a d sw e r ec a l c u l a t e db y t h ew h o l ee n e r g ya n a l y s i ss o f t w a r ee n e r g y p l u s f u r t h e r m o r e ，e n e r g ys a v i n ga n a l y s i sw a s c a r r i e do u ti nt e r m so ft h et h i c k n e s so ft h ei n s u l a t i n gl a y e ri nt h eb u i l d i n ge n v e l o p e t h e s u r f a c ec o l o ro ft h eb u i l d i n ge n v e l o p ea n dt h et e r m i n a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，w h i c hf u r t h e r p r o v e dt h ee n e r g y - s a v i n gp o t e n t i a lo ft h eg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m b a s e do nt h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo ft h ef i l l i t el i n eh e a ts o u r c eo u t s i d et h eb o r e h o l e t h i s p a p e ru s e dl a b v i e wt os i m u l a t et h es i n g l e - h o l ea n dt h em u l t i h o l et e m p e r a t u r ef i e l d t h e t e m p e r a t u r ec h a n g e so ft h em i d d l ep o i n to ft h eb o r e h o l ew a l lw e r es t u d i e db a s e do nt h e c o n s t a n th e a tf l u xa n dp e r i o d i c i t y t h i sp a p e rf o c u s e do nt h eu n d e r g r o u n dt h e r m a lf i e l dw h i e h i s0 5 m 、1 5 m 、2 5 mf a rf r o mt h eb o r e h o l ew a l la n dt h em i d d l ep o i n to f t h eb o r e h o l ew a l l i n f o r m so ff o u rd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e sw i t hv a r i a b l eh e a tf l u x a n dt h ev a r i a b l eh e a tf l u x w a se q u a lt ot h ea m o u n to fp e rm e t e rd e p t ho f b o r e h o l eh e a te x c h a n g e r , w h i c hw a sc a l c u l a t e d b ye n e r g y p l u sf o rt h ea c t u a l h e a tp u m pp r o j e c t f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo f s u p e r p o s i t i o n ，t h i sp a p e rs i m u l a t e da n da n a l y z e dt h eu n d e r g r o u n dt h e r m a lf i e l dc h a n g e sw i m t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt y p e so fb o r e h o l eh 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 、 d i f f e r e n td r i l l i n gs p a c i n g f i n a l l y , t h ei n f l u e n c eo ft h er e c o v e r yo fs o i lt e m p e r a t u r et ot h es o i l h e a tb a l a l i c ew a ss t u d i e d k e yw o r d s ：g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ，e n e r g y - s a v i n g ，b o r e h o l eh e a te x c h a n g e r , h e a tb a l a n c e i i 主要符0 表 主要符号表 q i 建筑的逐时负荷， k w q h l 供暖期间建筑所需能量， l ( j q r 土壤取热量， l 【j q h 2 供暖期间热泵机组能耗， k j q c 一土壤排热量， l ( j q h 3 供暖期间输送系统能耗， l ( j 供暖总时间， s q c i 供冷期间建筑所需能量， l ( j 下c 供冷总时间， s q c r 供冷期间热泵机组能耗， l ( j t 积分时间，sq c 3 供冷期间输送系统能耗，l ( j q 广一线热源， w m 们m 广建筑的峰值热负荷， k w q r _ 虚拟线热汇， w m q cm广建筑的峰值冷负荷，_ k w p 土壤密度， k g m 3g 舻- ；令却塔的设计放热量， k w c 尸一土壤比热容， k j ( k g k ) qc。广一建筑的峰值冷负荷，_ k w a 土壤热扩散系数， m 2 s 卵m n 广建筑的峰值热负荷， k w 五土壤导热系数， w ( m k )i 犷枷热所需的埋管长度， i t i 矿土壤换热总体积， m 3 i 广供冷所需的埋管长度，m 卜过余温度， 卜土壤取、排热量之差， k j r r 回填材料的热阻， m k w g r 热泵机组的额定制热量， k w r 广地下土壤的热阻， m k a v g r 热泵机组的额定制冷量， k w q 矿一脉冲热流， w m g z 阿一供暖时每米井深换热量， w m q l 平均热流，w m g ，c 一供冷时每米井深换热量， w m c o p h 枷经验供暖性能系数q h 时间段内的脉冲热流值，w m c o p c - 锄经验供冷性能系数r 厂是埋管壁的管壁热阻， m k w e e r 热泵机组制冷性能系数 t j p - 热泵制冷时平均进水温度， c o 卜热泵机组供热性能系数 l 峨。广一室外空气温度， 卜热泵运行百分比t i 岫室内空气温度， f r 制冷运行比例1 _ 一土壤温度， ： j ，同时使用系数 q 建筑负荷， k w f h _ 供暖运行比例r f 循环液与埋管壁间的对流换热热阻，m k w f o 一傅里叶数 r 广短期连续脉冲负荷引起的附加热阻，r n k w l l i 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 主要符号表i i i 目录 第一章绪论一1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 地源热泵的发展与研究现状2 1 3 土壤源热泵系统概述4 1 4 建筑能耗分析方法比较4 1 5 课题主要研究内容6 第二章混合土壤源热泵系统的设计及工程应用8 2 1 混合土壤源热泵空调系统8 2 1 1 混合土壤源热泵系统概述8 2 1 2 混合土壤源热泵系统的工程应用9 2 1 3 混合土壤源热泵工程的全能耗分析l l 2 2 地埋管换热器的设计方法1 4 2 2 1 地埋管换热器的正确设计方法1 4 2 2 2 地埋管换热器的工程设计方法。1 5 2 3 地埋管换热器设计方法在热泵工程中的应用1 7 2 3 1 正确设计方法在工程实例中的应用1 7 2 3 2 工程设计方法在工程实例中的应用1 9 2 3 3 地埋管换热量的计算结果分析2 0 2 4 辅助冷热源的设计及运行控制2 1 2 4 1 辅助冷热源的设计。2 1 2 4 2 运行模式与控制策略一2 3 第三章混合土壤源热泵工程的节能性分析2 7 3 1 建筑节能性分析概述2 7 3 2 围护结构的节能性分析2 7 3 2 1 围护结构表面颜色的节能性分析2 7 3 2 2 围护结构保温层厚度的节能性分析2 9 3 3 末端空调系统的节能性分析3 1 第四章土壤源热泵空调系统的地下温度场分析3 2 4 1 地埋管换热器的温度场模拟软件及钻孔外传热模型介绍3 2 4 1 1 地埋管换热器的温度场模拟软件介绍3 2 4 1 2 钻孔外的传热模型介绍曼_ 3 3 ： 4 2 恒定热流、周期运行时的温度场分析3 5 4 3 变化热流作用时的温度场分析3 6 4 3 1 变热流作用时的模型介绍3 6 4 3 2 运行一年后的温度场模拟3 8 4 3 3 运行五年后的温度场模拟4 2 4 4 多钻孔的温度场分析4 4 v 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 近年来，地源热泵技术已经成为暖通领域的研究热点，主要是由于建筑能耗占社会 总能耗的比例很大，并呈逐年增长趋势，更为重要的是能源问题紧迫、全球环境恶化以 及温室气体排放量有增无减。 2 0 世纪7 0 年代石油危机的出现，首次使人类产生较深的能源意识，并且随着世界 经济的发展和人民生活水平的提高，人类对能源的需求量越来越大，能源对经济发展的 推动力越来越强，能源问题一直是世界各国正在努力解决却仍未彻底解决的全球问题。 与此同时，全球气候变暖仍是人类面临的严重环境问题，在过去1 0 0 年中，全球的平均 地表气温已经上升了o 3 o 6 【l 】，温室气体的不断排放将使地表气温进一步升高，进 而造成谷物产量减少，引发粮食危机；气温升高还会导致北极冰层融化，使海平面升高， 大面积土地被淹；此外气候变暖将导致“气候难民 增加，到2 0 5 0 年全球可能有1 5 亿人因气候变暖被迫离开家乡，若气温上升6 ，则世界上9 5 的物种将灭绝，温室气 体排放量的增加将对人类造成毁灭性的后果，因此充分利用可再生能源、减少温室气体 排放、开发建筑节能潜力已经刻不容缓。 0 9 年哥本哈根世界气候会议中，我国本着可持续发展的观点、从人民群众的根本 利益出发，表明了我国控制温室气体排放的目标：到2 0 2 0 年我国单位国内生产总值的 二氧化碳排放量比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 ，非化石能源占一次能源消费的比重达到1 5 左右。中国的煤炭储量约占世界储量的1 1 ，同时中国人口约占世界人口的2 0 ，因 此中国人均能源占有量不到世界平均水平的一半，并且中国作为发展中国家，在现有的 能源利用结构中，煤炭所占的比例在6 5 以上，因此要达到上述温室气体排放目标，我 国需要坚持不懈的努力，减少煤炭等石化能源的利用，提高可再生能源的利用率，相应 的减少温室气体排放。 各国的能源消耗主要包括生产能源消耗、交通能源消耗及建筑能源消耗，其中建筑 能耗占国家能源总消耗的很大比例，美国建筑能耗占全国一次能源的3 5 ，中国建筑能 耗占全国一次能源的2 5 3 0 【2 1 。对于建筑的单位能耗，欧洲的平均标准是标煤 8 5 7 k g m 2 ，我国建筑平均能耗高达标煤2 5k i n 2 ，并呈现逐年增长的趋势。建筑量的增 加更是加快了建筑能耗的增长速度。我国城乡既有建筑总面积达4 x 1 0 1 0 m 2 ，每年建设量 约为2 x 1 0 9 m 2 ，按照欧洲节能建筑标准，我国建筑中达到节能建筑的不到1 3 - 4 j 。建筑 能耗中，保证室内居住温度、提高室内舒适度的空调能耗占建筑能耗的最大部分 5 - 6 ， 因此世界各国都把建筑空调能耗的节能性放在重要位置，主要从建筑物本身的节能( 主 要指建筑围护结构，包括门、窗、墙、屋顶、地面等) 、空调系统的形式、空调系统的 管理控制等方面分析开发建筑的节能潜力【7 】。 人类生存与生活的地球只有一个，在严峻的能源、环境形势下，节能减排是最可靠 的解决措施，而且节能与减排是相辅相成、共同发展的，作为暖通工作者，应该从建筑 物结构及空调系统研究出发，更好的利用先进计算机技术，模拟比较各种空调系统、计 算分析空调能耗，以及优化空调能源利用结构，减少一次能源在供暖、供冷中的消耗， 东南人学硕1 ：学位论文 控制并逐渐减少排放温室气体。根据世界各地的气候特点和自然资源分布，合理开发、 高效利用新能源和可再生能源，与传统的燃煤锅炉相比，热泵系统是减少二氧化碳排放 最经济有效的技术【争l o j ，更能充分利用可再生能源，是节能减排的有效途径，也是我国 应该重点发展的空调系统】。目前全球有1 3 亿台热泵机组，每年能够减少1 3 亿吨二 氧化碳气体的排放，并且随着热泵供暖的推广使用，能够实现全球二氧化碳排量减少 1 6 t 1 2 1 。 利用周围环境作为冷热源的热泵系统通常分为空气源热泵和地源热泵，后者又分为 地表水热泵、地下水源热泵、土壤源热泵，其中土壤源热泵即为地埋管地源热泵系统。 空气源热泵以室外空气作为冷热源，在寒冷、湿度高的地区供暖时，蒸发器上需要除霜， 从而增加能耗，降低运行效率，空气源热泵的最大缺点是其制热量随室外温度的降低而 减小，制冷量随室外温度升高而减小。地表水热泵和地下水源热泵都是以水资源作为冷 热源，地表水热泵运行时，地表水温度受气候的影响较大，导致其出现与空气源热泵类 似的缺点，而地下水源热泵的使用中，地下水回灌是最大的问题，要严格遵守各国的水 资源利用法规。土壤源热泵克服了上述三种热泵系统的缺点，土壤温度波动小，热泵运 行效率高，适用范围广，维护费用低；但要保证土壤源热泵系统的持续高效运行，必须 确保地下土壤热平衡，首先要正确设计地埋管换热器，全面考虑建筑负荷、热泵机组功 率及循环水泵功率对地埋管换热量的影响，而目前还没有明确统一的地埋管换热器设计 方法，从而产生地埋管换热量设计误差，造成地下土壤温度变化，引起热泵运行效率降 低，因此土壤源热泵的正确设计方法的提出是非常必要的；其次要合理设置辅助的取热、 散热设备，在地埋管换热量的正确计算的基础之上，确定辅助换热设备的换热量，并且 提出合理的控制策略，保证辅助换热设备与地埋管换热器之间交替、高效运行。 1 2 地源热泵的发展与研究现状 全世界的地热资源总量大约为1 4 5 x 1 0 2 3 k j ，等于4 9 5 x 1 0 ”t 标准煤燃烧时放出的热 量【l3 1 。地热资源的利用可分为地热发电和直接利用，中低温的地热资源( 温度范围为 6 0 1 5 0 ) 主要用于采暖与制冷，其中地源热泵技术就是地热资源利用的典型，该技 术的发展与应用，很好的缓解了能源危机，促进了节能减排工作。 地源热泵的最早概念是1 9 1 2 年由瑞士的苏黎世在其专利中提出，该专利中的热泵 系统是以河水作为低温热源用于供吲m 】。2 0 世纪4 0 年代开始，地源热泵技术进入迅速。 发展时期，到1 9 9 9 年底，世界上共有4 0 万台正在运行的地源热泵机组，并以每年4 万 台的速率在增长【l5 1 。美国从1 9 4 6 年起对地源热泵技术进行了十二个主要项目的研究， 主要包括地下盘管的形式、土壤热物性、管材等。到1 9 8 5 年，美国的地源热泵总数达 到1 4 万台，仅1 9 9 7 年，美国就安装了4 5 万台的地源热泵。2 0 世纪7 0 年代的能源危 机，促进了地源热泵的进一步发展。到2 0 0 5 年，美国地源热泵的装机台数达到6 0 万台， 总装机容量达到6 3 0 0 m w ，加拿大地源热泵的装机台数达到3 6 万台，总装机容量达到 4 3 5 m w 。美国、加拿大等国家对地源热泵的利用，已不局限于建筑供暖、供冷及生活 热水供应，在桥梁的桥面防冻、农业和水产养殖、冷库等方面，地源热泵也发挥着越来 越重要的作用【1 6 1 。在瑞典、奥地利、德国等中、北欧国家，在地源热泵的应用中，主要 集中于浅层地热资源的利用，以供生活热水及地板辐射供暖1 1 7 1 。 2 第一章绪论 历史上，我国从东周时代就开始利用地下热水治病、灌溉、洗浴等，时至今日，人 类对地热能的利用已远不止于此，包括土壤源热泵、地热能发电掣倦】。中国从2 0 世纪 5 0 年代丌始研究空气源热泵f 1 9 】，而由于地埋管钻孔技术、地下水回灌、地表水资源有 限等问题，我国的地源热泵发展比较缓慢，直到2 0 世纪7 0 年代才开始较大规模的开发 地热资源，其中包括距离拉萨9 0 k m 的羊八井地热能机组，目前装机容量达到2 5 1 8 m w 。 1 9 9 7 年，中国科技部与美国能源部签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其 中有一项内容是地源热泵的发展战略，通过地源热泵的技术引进，我国成功开发了国内 的地源热泵市场，缓解了能源危机与环境问题。从2 0 0 5 年开始，我国进入地源热泵的 大规模推广应用阶段，并以每年1 0 1 5 的速度增长。 以下概括了国内外有关地源热泵的主要研究工作： ( 1 ) 混合地源热泵的设计：地源热泵技术是利用水源或者土壤源作为冷热源，要 实现地源热泵持续高效运行，必须保证水源和土壤源的热平衡。对于土壤源热泵而言， 当供暖季节地埋管换热器的取热量大于供冷季节地埋管换热器的排热量时，地埋管换热 器的设计换热量应该等于供冷季节地埋管换热器的排热量，供暖季节需要设置辅助的热 源，例如太阳能、生物质能等：反之，则需要设置辅助的散热设备，例如配置冷却塔， 或将多余的热量用于生活热水、游泳池，或设置喷泉等。p h e t t e p l a c e 和s u l l i v a n ( 1 9 9 8 ) 着重对混合地源热泵系统的性能进行了研究【2 0 j ；o z g e n e r 和h e p b a s l i ( 2 0 0 5 ) 对采用太 阳能作为辅助热源的土壤源热泵系统进行了研究，分析其性能特点，优化设计系统各组 成部分，比较土壤源热泵、混合土壤源热泵的供暖c o p 2 1 1 ；m a ny i 和y a n gh o n g x i n g 7 ( 2 0 0 8 ) 等对混合地源热泵系统的主要组成部分进行逐时模拟，根据建筑负荷计算混合 地源热泵系统的运行数据，并调查研究了工程实例中混合地源热泵系统的设计方法和运 行控制模式【2 2 1 ；w a n gj i n g g a n g ( 2 0 0 9 ) 等研究了以冷却塔作为辅助散热设备的混合地 源热泵的控制策略，比较了各种控制策略的优缺剧乃j 。 ( 2 ) 地源热泵系统的热响应测试：热响应测试主要是为了获得土壤热物性、埋管 换热性能，为地源热泵设计提供数据支持，为了保证测试精度，一般需要持续测试4 8 个 小时以上，并且在热响应测试之前，需要对温度传感器进行校验，可以在恒温水浴中同 时采用o 1 k 刻度的水银温度计与温度探头测量水温，一般每间隔2 5 、在o * c 5 0 的测量范围内读取稳定的水温值，从而获得该范围内温度探头的测量误差。此外，应尽 量减小热响应测试台与钻孔之间的水平管的长度，水平管要做好保温，以保证地埋管换 热量的测量精度。s h a r q a w y f f l s a i d 等( 2 0 0 9 ) 采用热响应测试装置对某土壤源热泵系统 进行测试，提出了处理热响应测试数据的新方法，结合线热源模型，获得土壤导热系数、 热扩散率、等效热阻【2 4 j 。 ( 3 ) 地源热泵的地埋管换热器设计：地埋管换热器的设计换热量与建筑负荷、热 泵机组功率及循环水泵的功率有关，目前，地埋管换热器的设计仍然没有统一的方法， m i c h o p o u l o s 和k y r i a k i s ( 2 0 0 9 ) 采用解析算法计算地埋管换热量，只考虑建筑负荷与 热泵压缩机功率对换热量的影响，而忽略了循环水泵能耗对地埋管换热器设计的影响 【2 5 】，同样k a t s u r a ( 2 0 0 9 ) 在研究地埋管换热量时也忽略了循环水泵的能耗【2 6 j 。 ( 4 ) 地埋管换热器的换热性能、地下温度场、回填材料的研究：赵军等( 2 0 0 4 ) 研 究了桩埋换热器与井埋换热器的进出水温差和平均温度，比较其换热性能【27 j ；z h i h u a z h o u 等( 2 0 0 8 ) 研究了双u 型地埋管换热器周围土壤的温度场，分析了热响应半径和土 东南人学硕l ：学位论文 壤温度随深度的变化【2 8 】；刘玉旺等( 2 0 0 9 ) 研究了水泥型号、骨科类型、骨科粒径、膨润 土含量对回填材料导热系数的影响【2 9 1 。 1 3 土壤源热泵系统概述 土壤源热泵是以地下土壤作为冷热源的空调系统，一般选取地层中的常温带土壤作 为冷热源【3 0 1 ，大约在0 5 m 深度以下，岩土的日周期温度波已不明显，而大约在5 m 深 度以下，岩土的年周期温度波已不明显，因此土壤源热泵系统的运行工况比较稳定，运 行效率较高。 土壤源热泵系统主要由三部分组成：( 1 ) 室外环路，一般该环路中的循环介质是水， 若循环管路中有结冰的可能，则在室外环路中添加防冻液，冬季循环介质从土壤中获取 热量，并在热泵机组的蒸发器中进行热交换，夏季循环介质将热量排放到土壤中，并在 热泵机组的冷凝器中进行热交换；( 2 ) 制冷剂环路，这部分即为热泵机组内的循环；( 3 ) 室内环路，一般该环路中的循环介质为空气、水或者制冷剂，冬季循环介质在热泵机组 的冷凝器中进行热交换，并进一步由循环水泵送往室内末端系统，夏季循环介质在热泵 机组的蒸发器中进行热交换，并最终送往室内末端系绀圳。 土壤源热泵系统中的地埋管换热器形式主要有水平埋管和垂直埋管两种，前者在软 土地区的造价较低，但由于水平埋管是设置在距离地面l m 2 m 的沟槽内，导致这种形 式的地埋管受到气候、季节的影响较大，并且与垂直埋管相比，水平埋管占地面积大， 适用于人均土地资源丰富的地区；垂直埋管形式的土壤源热泵系统工作性能稳定，占地 面积少，已经成为工程应用中的主导形式。 与空气源热泵系统相比，土壤源热泵系统不需要风机，因此噪声小，不需要除霜， 耗能小，不向室外空气排放热量，没有热岛效应；与地表水、地下水源热泵相比，土壤 源热泵系统应用范围广，不受水资源限制，不会破坏地下水资源。与传统空调系统相比， 土壤源热泵系统的运行效率高出4 0 6 0 1 3 2 1 ，节能性显著，环境效益显著，维护费用 低，地埋管换热器的使用寿命长达5 0 年【3 3 1 ，一机三用( 供暖、供冷及生活热水供应) 。 1 4 建筑能耗分析方法比较 1 9 世纪初开始出现的建筑物负荷计算，到目前为止，主要经历了三个计算时期：稳 态传热计算、准稳态传热计算( 周期性的不稳态计算方法) 、非稳态传热计掣刈，其中 一 出现具有较大影响的负荷计算方法包括：谐波反应法、反应系数法、z 传递函数法、冷 负荷系数法、辐射时间序列法。 ( 1 ) 谐波反应法是2 0 世纪四、五十年代由前苏联弗拉索夫等学者提出的，该方法 将太阳辐射及室外温度等作为以余弦函数形式表示的周期作用的外扰，并从一维傅立叶 方程出发求解【3 5 - 3 6 1 。谐波反应法的两个重要参数是延迟时间和衰减度，均与建筑围护结 构的热工性能有关，可以通过建立导热微分方程计算获得，该方法实现了围护结构的不 稳定传热，却未对建筑的得热量和冷负荷予以区分。 ( 2 ) 反应系数法是1 9 6 7 年由加拿大学者s t e p h o n s e n 和m i t a l a s 基于扰量和响应的离散 4 第一帝绪论 化理思提出的，反应系数法的问世，标志着非稳态传热计算时期的开始【3 4 】。该方法将建 筑中各个平壁作为单独的热力系统，建立各个热力系统的传递函数，计算出单位扰量作 用下的各个反应系数，利用反应系数计算建筑的逐时负荷【3 7 1 。 ( 3 ) z 传递函数法是1 9 7 1 年s t e p h o n s e n 和m i m l a s 在反应系数法的基础上进行改进得 到的，并于次年收录：至i j a s h r a e 基础手册。与反应系数法相比，z 传递函数法计算建筑 负荷时与建筑实际工况更为接近，该方法中建筑传热、太阳辐射、室外温度变化均是逐 时离散的，将建筑得热量作为系统的输入量，在这一输入量作用下的响应即为建筑冷负 荷f 3 8 - 3 9 1 。 ( 4 ) 冷负荷系数法是1 9 7 5 年由r u d o y 和d u r 锄在传递函数法的基础上提出的负荷计 算方法，是目前我国暖通空调工程中，经常使用的空调冷负荷计算方法【4 0 1 。该方法采用 冷负荷系数直接计算得到建筑逐时冷负荷，是一种可以手算的简便方法。 ( 5 ) 辐射时间序列法是1 9 9 7 年吐t s p i d e r 等提出的过程简便、结果精确的建筑负荷计 算方法。在计算建筑负荷时，该方法把建筑所有的得热分为两部分，第一部分是对流得 热，这部分得热转变成即时冷负荷，这也是采用辐射时间序列法计算建筑负荷时与反应 系数法的不同之处；第二部分是辐射得热，并根据热平衡方程计算出辐射时间序列系数， 利用辐射时间序列系数把辐射得热转化为冷负荷【4 1 1 。其中辐射时间序列系数有两组，每 组2 4 个系数，第一组是太阳辐射时间序列系数，将透过窗户的太阳辐射得热转化为冷负 荷：第二组是内部得热辐射时间序列系数，将围护结构得热、太阳辐射散射得热及内热 源转化成冷负荷。与传递函数法相比，辐射时间序列法计算过程中不存在迭代，与反应 系数法、冷负荷系数法相比，辐射时间序列法的计算量偏大。综合比较之下，辐射时间 序列法是在之前出现的其他负荷计算方法的基础上诞生的，是a s h a r e 最新的负荷计算 方法，由于其计算过程中的中间变量较少，主要计算量是计算辐射时间序列系数，因此 计算精度高于其他负荷计算方法【4 2 】。 结合日新月异的计算机技术，世界各国的科学工作者已将上述负荷计算方法成功开 发为负荷计算软件，包括d o e 一2 、b l a s t 、e n e r g y p l u s 、d e s t 等，这些软件功能强大， 能够实现空调系统的优化设计，能够分析建筑能耗，及进行经济性分析，具体特点如下 所述。 ( 1 ) d o e 一2 是由美国能源部开发的建筑能耗分析软件，该软件采用反应系数法计 算建筑围护结构的传热量【4 3 削l ，能够分析建筑的逐时能耗，是一种动态负荷分析软件， 更是当今世界应用普遍的能耗分析软件，用户遍及4 0 多个国家和地区【4 5 1 。但是d o e 2 忽略了建筑围护结构的湿度传递，无法实现围护结构温度的准确计算，不能模拟空调房 间舒适度，也不能模拟辐射末端系统，因此对于2 1 节中介绍的实际工程，d o e 2 不能 模拟该建筑采用的空调系统。 ( 2 ) b l a s t 是美国国防部开发的逐时能耗模拟软件，采用热平衡法计算建筑负荷， 能够模拟空调系统，计算供冷、供热负荷，能够分析空调房间舒适度，能够模拟辐射末 端空调系统m 枷j 。 ( 3 ) e n e r g y p l u s 是在美国能源部的支持下，由劳伦斯伯克利国家实验室、伊利诺 斯大学、美国军队建筑工程实验室、俄克拉荷马州立大学及其他单位共同开发的。美国 从1 9 9 8 年开始停止开发b l a s t 和d o e - 2 ，而全面致力于e n e r g y p l u s 的开发，并在2 0 0 1 年4 月正式发布e n e r g y p l u s ，可免费下载使用。e n e r g y p l u s 不仅吸收了d o e - 2 和b l a s t 5 东南人学顾i ：学位论文 的优点，并且具备很多新的功能，此外，从j 下式发布至今，该软件一直在更新完善中【4 “9 1 。 e n e r g u p l u s 由四个主要模块构成：负荷模块、系统模块、设备模块、经济模块，四 个模块相互联系形成一个建筑系统模型【删。e n e r g y p l u s 官方网站提供了世界各地的室外 气候条件，用以准确模拟建筑空调系统全年逐时负荷及能耗。该软件采用热平衡法计算 负荷，采用各向异性的天空模型来精确模拟倾斜表面上的天空散射强度，采用传导传递 函数( c t f ) 计算墙体传热，c t f 实质是一种基于墙体内表面温度的反应系数，与一般的 基于室内空气温度的反应系数相比，其计算精度更高，采用c t f 计算墙体内表面和外 表面的瞬态热流如公式1 1 、公式1 2 所示。 旦旦旦 q ”“( t ) 2 z 。t i t 一z j t i ，t - j 6 + y o t o ，t + y j t o , t _ j 8 a t - 吗q ”k i ，t 6 ( 1 1 ) i-，c n q q k o ( t ) = - y o t i , t - y j t i t j 6 + ) ( o t o ，t + x j t o , t _ j 6 - f 吗q t k 0 棚 ( 1 2 ) y = i，= lj = t 其中x i 是c t f 夕b 部系数，y ii s 是c t f 横向系数，z i 是c t f 庆j 部系数，j 是0 - - , n z 的序数： 蛾是热流密度，其中j 是n q 的序数，t i 是内表面温度( k ) ，t o 是外表面温度( k ) ，6 是时间步长( s ) 。其中，c t f 各个系数通过求解基于理论响应特性的线性方程组获得。 ( 4 ) d e s t 是8 0 年代开始由清华大学开发的建筑环境动态模拟软件，该软件很好 的结合了建筑物与空调系统，在分阶段模拟的思想上，分析建筑物的节能特性及模拟空 调系统【5 1 1 。d e s t 以图形化界面对建筑进行模拟，用户可以通过a u t o c a d 绘制出建筑 三维图，直接导入d e s t 计算建筑负荷 5 2 - 5 3 】。 1 5 课题主要研究内容 ( 1 ) 针对地埋管换热器的设计方法不统一的问题，本文提出了混合土壤源热泵空 调系统的地埋管换热器正确设计方法，并选取目前常用的三种工程设计方法，以实际土 壤源热泵工程为例，分别采用正确设计方法及三种工程方法设计其地埋管换热量，同时 确定该混合土壤源热泵工程中