（热能工程专业论文）土壤源热泵系统的相关研究.pdf

摘要 摘要 随着社会的发展，环境及能源已经成为广泛关注的问题。伴随着申办2 0 0 8 年奥运会的成功，解决北京的环境问题显得更加迫切，随之，清洁能源的使用逐 渐提到了日程上。在众多能源中，地热资源凭借其潜力大、洁净并含有多种微量 元素和有益组分，基本上对环境无污染等其他能源无法比拟的特点，获得了众多 人士的青睐。土壤源热泵系统就是其中颇具代表性的一种，近些年来，渗透到越 来越多的领域之中，充分地体现出了它的优越性。 本文从理论上结合两种不同的数学模型，对水源侧系统进行了分析，并比较 了两种模型之间的区别；通过处理位于制冷实验室的土壤源热泵系统的数据，可 以了解不同回填料对于系统的影响，同时可以获得土壤中不同深度下的温度场的 实际状况；从应用领域方面结合两个工程实例，分析了不同负荷状况对于系统管 长设计结果的影响，及使用土壤源热泵系统的建筑物的负荷特点，还对应用中有 影响的几个因素峰值负荷的变化及负荷比例的选取进行分析：对于设计系统 时的重要参数大地导热系数的实地测量予以介绍，对其后期数据处理进行理 论分析，并通过工程实例加以验证，并分析其对于计算模拟结果的影响：通过对 一个工程实例进行模拟，得到系统相关参数运行5 0 年的变化趋势，分析其变化 的原因及不同参数的影响情况，分析系统的技术可靠性及经济性等，为系统设计 的可行性和经济性做出科学的阐述。 关键词土壤源热泵系统；数学模型；大地导热系数：回填料：温度场；计算模 拟；技术可靠性；经济性 北京工业大学工学硕士学位论文 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ _ _ _ 一 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e s o c i e t y , p e o p l ep a yg r e a t a t t e n t i o no nt h e e n v i r o n m e n ta n de n e r g y s i n c ea p p l y i n gf o rt h eo l y m p i cg a m e si n2 0 0 8s u c c e s s f u l l y , i ti sv e r yi m p e n d i n gt od e a lw i t h p r o b l e m so f e n v i r o n m e n ti nb e i j i n g ，a n dt h e n ，u s i n g c l e a ne n e r g yh a sc o m ei n t or e a l i t y i nm a n y e n e r g yr e s o u r c e s ，g e o t h e r m a le n e r g yh a s g o tm u c hm o r ea t t e n t i o n s i nt e r m so fi t s c h a r a c t e r s ，s u c ha se n o r m o u sp o t e n t i a l ， c l e a n n e s s ，m a n yb e n e f i c i a le l e m e n t si ni ta n d n op o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t ，w h i c h a r e a d v a n t a g e o v e ro t h e r r e s o u r c e s 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 i s r e p r e s e n t a t i v e i n s y s t e m s t h a tu s e g e o t h e r m a lr e s o u r c e ，s o i ti su s e di n m a n y a p p l i c a t i o n s i nt h i s p a p e r , t h e w a t e r - s o u r c es i d e s y s t e mt h r o u g h t h et w od i f f e r e n t m a t h e m a t i c a lm o d e l st h e o r e t i c a l l yw a sa n a l y z e da n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mw a s f o u n d ；t h ee f f e c tw a sc o m p r e h e n d e d w h i c hd i f f e r e n tg r o u t i n gh a v eo nt h es y s t e ma n d t h et e m p e r a t u r ef i e l di no t h e rs t r a t u m st h r o u g ht h ed a t aw h i c hw e r eg o tf r o mt h e g r o u n d c o u p l eh e a tp u m ps y s t e mi n t h el a b o r a t o r y ；t h ec h a r a c t e r so ft h eb u i l d i n g s u s e dg r o u n d c o u p l es y s t e mw e r ei n t r o d u c e dt h r o u g ht w or e a le n g i n e e r i n ge x a m p l e s ， t h ef a c t o r sw h i c hh a v ee f f e c to nt h ea p p l i c a t i o n su s i n gt h eg r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p s y s t e m sw e r ea n a l y z e d ，s u c ha st h ep e a k l o a d sa n dt h ep r o p o r t i o no fl o a d s ；t h em e t h o d i ns i t um e a s u r e m e n to ft h eg r o u n dt h e r m a lp r o p e r t i e sw a sr e c o m m e n da n di t w a s p r o v e dt h r o u g ht a k i n ga d v a n t a g eo f a p r o j e c t ，i t se f f e c t so n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n w e r ea n a l y z e d ；t h es y s t e mw a ss i m u l a t e dt og e tt h et r e n do fi t i nt h en e x t5 0y e a r s t h r o u g hap r o j e c t ，i t sd e p e n d a b i l i t yi nt e c h n o l o g ya n de c o n o m i cp e r f o r m a n c ew e r e a n a l y z e d k e y w o r dg r o u n d c o u p l eh e a tp u m p ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f t h e g r o u n d ；g r o u t i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d e p e n d a b i l i t y i n t e c h n o l o g y ；e c o n o m i cp e r f o r m a n c e h 独创性声明 本人声明呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取碍的研究成果。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 京工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作过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 垂益日期：丛士 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： 学校有权保留送交文件的复印件，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、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 互嬉 导师签名：= l j l 日期：呈竺竺l 彳一 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 能源与环境污染问题是当今世界各国面临的重大社会问题之一。因而，能源 和环保成为人类生存和发展的两大主题，并成为全球关注的问题。能源是现代社 会和生活的物质基础，即现代文明是建立在对能源和物质大量消耗的前提下。但 是随着世界人口和经济的迅速增长，能源的消耗急剧增加，并导致环境的日益污 染。因此，目前摆在面前的新任务是：既要力争使现有的能源获得更充分的利用， 防止大气污染，又要全力探索无公害的新能源。建国以来我国的能源工业有了很 大的发展，但是能源的供应仍然不能满足工农业生产和人民生活的需要。能源供 应紧张，又存在产品能耗高，能源利用率低，浪费严重的现象，所以充分利用低 焓地热能更具有深远的意义。 随着2 1 世纪的到来，我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高。 建筑节能是贯彻可持续发展战略的重要组成部分，是执行国家节约能源，保护环 境这一基本国策的重要措施，是世界建筑发展的大趋势，也是今后建筑技术发展 的重点。 建筑能耗以供热采暖和空调能耗为主，因此建筑节能的重点应放在采暖和降 低能耗上。减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节 约能源是建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标，特别是近几年来，大中城 市为改善大气环境，迫切需要减少燃煤量、大力推广使用包括可再生能源在内的 清洁能源。中国城市化发展，将一方面迫切需要减少城市燃煤采暖造成的污染， 另一方面对采暖空调降温提出更多要求。利用地热及地源热泵是最近几十年来解 决这一问题的途径之一。原国务院科技委员会和美国能源部分别代表两国政府曾 经于1 9 9 7 年签署了为期五年的中美两国政府地热能利用合作协议，为中国地源 热泵技术的发展提供了广阔的空间，促进了这一技术的国际合作和推广应用。 国务院关于北京市总体规划批示中，要求“将北京建成经济繁荣、社会安定 和各项公共服务、基础设旌及生态环境达到世界第一流水平的历史名城和现代化 国际城市”川。北京申办2 0 0 8 年奥运会的成功更加促进了首都清洁能源的发展。 北京工业大学工学硕士学位论文 而地热资源潜力大、洁净并含有多种微量元素和有益组分，基本上对环境无污染。 如能科学规划、合理开发、综合利用、依法管理，必将产生明显的经济、社会和 环境效益，为造福子孙万代做出重大的贡献。地源热泵的污染物排放，与空气源 热泵相比，相当于减少4 0 以上；与电采暖相比，相当于减少7 0 以上。同时 制冷剂泄漏率大为减少，不会把热量、水蒸汽及细菌等排入大气环境，造成对环 境的损害【2 1 。 土壤源热泵系统就是地源热泵系统中常用的一种。它是使用可再生能源的高 效节能、环保型的工程系统，冬季从大地中吸收热量向建筑物供热，夏季又可向 大地中放出热量对建筑物提供空调，可广泛应用于商业楼宇、公共建筑、住宅公 寓、学校、医院等各类建筑物中。 土壤源热泵通过土壤进行热交换，利用土壤作为热源。由于较深的地层中在 未受干扰的情况下常年保持恒定温度，远高于冬季的室外温度。因此，土壤源热 泵可克服空气源热泵的技术障碍供暖时受冬季室外空气温度的限制，当室外 温度越低时，空气源热泵的供热量越小，往往无法满足建筑物内舒适空调的要求； 特别是当空气温度低于一定温度时，热泵很难正常工作，需要增加其它辅助热源 对空气进行加热，造成能源浪费。即使当室外气温处于极端状态，用户对能源的 需求量处于高峰期时，由于土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟的作用，系统 仍可提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，节能效果明显。 此外，冬季通过热泵利用从大地中获得的热量升高温度后对建筑供热，同时 使大地中的温度降低，蓄存的冷量可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热 量传输给大地，对建筑物制冷，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在土 壤源热泵系统中，大地起到蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利 用率。 人类来自自然，通过认识自然，逐渐利用自然，改造自然，直到付出沉重的 代价，才醒悟到不能肆无忌惮地从自然中索取，只能与自然共存，并应回归自然， 这将是二十一世纪地指导原则。对地热资源的利用也应该遵循这一原则，使其高 效健康地发展。 第1 章绪论 1 2 国内外研究及使用现状 1 2 1 国外研究及使用现状 地热是指一种天热存在的，储存于地球表面，被地球内部加热，呈高温水或 水蒸汽状态的能源【3 】。它有浅层地热和深层地热之分，其中利用浅层地热的热泵 又被成为“地源热泵”。地源热泵的概念最早出现在1 9 1 2 年瑞士的一份专利文献 中。 2 0 世纪3 0 年代，地下水式热泵( 开放式) 是从三十年代被成功应用的。在 2 0 世纪5 0 年代，地源热泵在一些北欧国家的供热中也已得到应用。虽然适合的 材料短缺，爱迪生电子学院还是在四、五十年代开始研究环路式热泵。第一台土 壤源热泵于1 9 4 5 年安装在印第安纳卅i 的印地安纳波利斯，以后很快陆续安装。 到7 0 年代初期，全球性能源危机冲击了整个能源市场，各国为了寻找可代替现 用能源的替代能源和新能源，进一步促进了地热资源的勘探和开发，地热地质及 其勘探开发技术在深度和广度上又有了新进展。正是由于石油危机的影响，地源 热泵在7 0 年代得到较大的发展。瑞典的研究人员也正是在这一段时间开始利用 适合应用的塑料管研究环路式地热系统。 2 0 世纪9 0 年代，国际上热泵技术的发展呈现三个方向： a 。以美国为代表的，既可制冷又可供暖的地源热泵技术； b 以f _ = l 本为代表的，既可制冷又可供暖的空气源热泵技术； c 以北欧为代表的，通过提供热水进行供暖的地源热泵技术。 九十年代以来，土壤耦合式地源热泵发展很快，美国新泽西卅ls t o c k t o n 大学 于1 9 9 4 年建成了4 万平方米建筑，使用垂直埋管式地源热泵：肯塔基州高特饭 店及滨河写字楼就是利用河水作为冷热源的地源热泵的实例。在1 9 9 5 1 9 9 9 年的 五年中，每年安装1 2 k w 制冷量的地源热泵机组4 5 0 0 0 台，至1 9 9 9 年底，已安 装4 0 万台，其中垂直埋管式土壤源热泵系统占4 6 ，水平埋管式土壤源热泵系 统占3 8 ，井水或湖泊的开放式系统占1 5 。预计2 0 世纪初的十年，年增长可 达到1 0 。 在美国，地源热泵系统占整个空调系统的2 0 v o 左右，是一种成熟的、完全产 业化的技术，也是美国政府极力推广的技能环保技术。2 0 世纪末，全美地源热 北京工业大学工学硕士学位论文 泵数量占全部空调保有量的1 9 。美国土 壤源热泵设备主要生产厂商的市场占有率 见图1 1 。 迄今为止，世界上有近1 2 的地热能 图1 - 1 美国土壤源热泵设备主要 源直接用于热泵，尤其是美国，直接用 生产厂家市场占有率h 于热泵的地热能占全国总热能的5 9 ， f i g 1 - it 1 1 。p 。”“0 f 印p ”p r i 砒i 。“。f t h e 这都为地源热泵的发展提供了很”的条g r o u n d - c o u p l e d h e a tp u m pe q u i p m e n t s f o r 3 e l -也h p v h j t 目、r 水u yz x ，碍托i 7 j1 k q ，为= t h em a i nm a n u f a c t u r e si nt h eu n i t e ds t a t e s 4 1 件。 目前，地源热泵技术在北美和欧洲己非常成熟，有近几十年的历史，是一种 被广泛采用的供热空调系统。针对地源热泵机组、地热换热器以及系统设计和安 装有一套标准、规范、计算方法和施工工艺。 现今，美国在地源热泵方面的技术上业已成熟。美国o k l a h o m a 大学已经开 发出一整套设计地源热泵的相关软件及参考资料，为本人进行地源热泵系统设计 提供了很好的参考。t r a i l e 公司及c l i m a t em a s t e r 公司在这种项目上也有很成熟 的经验。 中美合作地源热泵系统是在1 9 9 7 年被提出的。其示范工程也在1 9 9 9 年、2 0 0 0 年期问通过评估、设计和投入建设，它将提供技术、经济、气候类型以及市场方 面的信息。 国外在开发垂直埋管式地下换热器时，对地下水资源不受污染给予高度重 视。在打井、下管以后，再用封井材料把井筒密封，杜绝了地面污染物进入地下 水层或各地下水层之间互相贯通的现象。同时，适当的封井材料也可增加地下换 热器的换热性能。有关土壤源热泵系统的设计软件、测试数据、土壤特性分析等 一系列工作在国外已经得到了充分的发展。 欧洲也是使用土壤源热泵系统的一个很大市场，大约有1 0 6 x1 0 6 k i n 2 的土地 面积在使用土壤源热泵系统，大约是整个土地面积的7 。在斯堪的纳维亚半岛 的垂直埋管式土壤源热泵系统中，有的钻孔甚至在布管以后没有回填，在冬季水 会结冰，而冰比水的导热性能更好，更有利于在冬季从土壤中取划5 1 。而且，欧 洲国家在利用海水、污水制热制冷上也有很大的发展a d 第1 章绪论 1 2 2 国内研究及使用现状 自2 0 世纪9 0 年代后期，地源热泵空调技术在我国的研究和应用有了很大的 发展，理论和实验研究活跃，工程应用逐年增加，尤其是中国政府和美国政府将 地源热泵空调技术纳入两国能源效率和可再生能源合作项目，促进了这一技术的 国际合作和推广应用。 国内许多大学开展了土壤源热泵系统的研究和推广工作，据不完全统计， 1 9 9 6 年到2 0 0 0 年间已经建立的地源热泵工程在山东、河南、辽宁、黑龙江、北 京等地已有1 3 0 多个，近千套地源热泵系统在运行，供热( 冷) 面积达l o o 余万 平方米【6 j 。越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵，并对其产生了浓厚的兴趣。 例如： 1 1 9 9 8 年，青岛建筑工程学院在青岛建成了垂直埋设在地下的封闭塑料管 路系统作为地热能源的热能试验装置，并建成投入运转，井深6 0 米。试验采用 垂直埋于孔深为5 3 米钻孔中，管径为由4 0 的封闭u 型塑料管路系统作为热泵机 组的一端来进行试验。经过两年多的试验，得到以下结论： 直埋管系统既可作为冬季采暖的热源，又可作为夏季空调的冷源，一机两用 是可行的，与水平铺设的系统方式相比较，只占用较小的室外场所。 a ) 个单井作热泵冷热源时，夏季散热和冬季吸热效果不明显，从设计角 度可不予考虑； b ) 经过整个夏天( 冬天) 的长期运行，埋管周围温度场发生变化，其作用 半径大约3 m 左右； c ) 塑料埋管与地下的热交换能力如下： 向地下放热( 制冷工况) ：按管长计算：2 0 m k w ；按井深计算：1 0 m k w ； 按管路外表面积计算：2 5 m 2 k w ； 从地下吸热( 制热工况) ：按管长计算：3 5 m k w , 按井深计算：1 7 1 8 i n 瓜w ； 按管路外表面积计算：4 5 m 2 k w ； 设计管路系统可按冬季工况设计，对夏季工况进行校核 d 1 在选择f 2 2 蒸发器和冷凝器时，建议参数如下：冷凝温度6 0 。蒸发 温度一2 7 。c ，制热时取低值。地下埋管要能抵抗7 。c 的低温。地下液体流动温升 北京工业大学工学硕士学位论文 6 - 8 ，蒸发器传热平均温差6 1 2 。c ，制热时取低值。冷凝器传热平均温差为8 1 4 。室内液体一般可不充防冻液； e ) 引进西方国家钻井下管一条龙式作业：开发特殊塑料管件：u 型管件、 二管接管技术。引进或开发特殊钻井回填材料，西方国家采用特殊的回填料可提 高传热效果； 2 重庆建筑大学的刘宪英等几位专家采用能量平衡结合热传导方程，并辅 阱管群修整系数，建立了浅埋竖管地热源热泵的传热模型，按径向和管长方向建 立了二维传热方程计算过渡季大地温度场的恢复情况，并将数学模型计算值与实 测值进行了比较。他们指出，在国内夏季需制冷、冬季需采暖而且冷热负荷基本 相当的夏热冬冷地区，发展和推广地热源热泵技术与设备有很好的应用前景。发 展和推广该技术的关键是建立适合不同地区、不同土壤情况的埋管换热器传热模 型，用于确定最佳的埋管形式和布置方式，埋管换热器的数量和尺寸，为设计提 供可靠的依据和基础数据 j 。 3 。同济大学于1 9 9 8 年与美国c a r r i e r 公司合作，建立了6 个垂直式u 型管 土壤换热器的地源热泵试验工程，井深6 0 米，采用不同的回填材料，累积了较 多的实验数据 g i s 】。 4 山东建筑工程学院，2 0 0 1 年在本校建立了2 4 个垂直式u 型管土壤换热 器的土壤源热泵试验工程，井深6 0 米，用于4 0 0 0 平方米的建筑，并进行了一系 列的实验研究，积累了第一手的资料。它是我国在地热研究方面初具规模的试验 工程1 1 6 1 8 】。 我国的地源热泵系统除了应用于商业及家庭方面，还应用于工业方面，如： 用于育苗孵化池加温。 5 河北建筑科技学院城建系自行设计研制的土壤源热泵空调装置于2 0 0 1 年8 月在河北省邯郸市建成并投入运行，并设立了数据采集及控制系统，对热泵 系统中的各个压力、温度、流量、功率等进行测试，经过了5 个多月的运行测试， 得出了地源热泵系统冬夏季典型工况循环性能以及在冬季运行调节下，热泵机组 内部循环参数改变和外部热源条件变化时的热泵运行特性。 6 北京工业大学于2 0 0 2 年据北京的土质情况，已做成小型的地源热泵实验 研究，井深8 0 米左右。2 0 0 2 年，进行了利用地源热泵结合地板采暖培植草皮的 一6 一 第l 章绪论 研究。 7 于立强等人以天津梅江生态小区地源热泵工程为背景，对桩埋换热器分 别进行了取热和放热的实验研究，测试了天津地区埋深分别为2 0 米和9 0 米的u 型垂直埋管换热器的换热能力，对连续放热方式下周围土壤温度的变化进行了分 析，分析单桩单管换热特性，并与单桩双管进行比较，同时还分析桩埋换热器运 行对土壤温度分布的影响，为桩埋地源热泵技术的设计和工程应用提供了参考依 据【1 9 】。 近些年来，由于地热能源受到了越来越多的重视，在这一领域出现了许多专 门以承接地热工程为生的工程公司，这使得地热能源的利用率有了更进一步地提 高。 纵观国内外研究现状，土壤源热泵系统设计的关键技术之一是如何根据系统 的容量和地下换热器的传热特性，合理设计换热器的结构参数，以满足系统运行 的要求。地下换热器的传热性能与很多因素有关，比如：埋管材料的导热性能、 土壤的导热性能、系统的运行方式、换热率的大小、回填材料的特性等。地源热 泵空调系统的地上部分所涉及的技术与设备较为成熟，而与地下换热器相关的理 论、技术、材料等还有待进一步研究。设置在不同场合的垂直埋管地下换热器将 涉及不同的地质结构，包括各地层的材质、含水量和地下水的运动等，这些都会 影响到地下换热器的传热性能。因此地下换热器传热性能的分析，相应设计计算 方法的建立都是推广应用地源热泵技术的关键和难点。在未来的一段时间内，这 将是地源热泵研究中的一个热点。同时现场土壤热物性的测试、对地下换热器长 期运行工况的模拟分析计算等。也是台理设计地下换热器时所需要解决的问题。 1 。3 本课题的研究来源及研究内容 1 3 1 本课题的研究来源 本课题来源于北京市科委项目“低温地热能梯级利用供热技术研究”以及北 京市可持续发展科技促进中心项目“地源热泵技术和工程模式研究”。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 本课题的研究内容 本课题的主要研究内容是： 1 针对本实验室土壤源热泵系统进行数据分析，了解不同回填料对于系统 的影响及不同深度下的温度场的实际状况； 2 ，通过工程实例分析，了解对于系统设计有影响的几个因素峰值负荷、 负荷的状况、大地导热系数等； 3 研究如何进行实地勘测土壤源热泵系统设计中的重要参数大地导热 系数，i 4 针对不同类型建筑物类型( 小型居住建筑、大型公用建筑) 进行工程模 式研究及经济性的分析 1 4 本人在本课题中所做的工作 1 完成实验室土壤源热泵小试系统的设计、施工、调试、运行及数据分析； 2 完成土壤源热泵系统某一别墅工程的设计、施工、调试、运行； 3 完成土壤源热泵系统在郊区某四合院内的应用设计、施工、实地勘测、 数据分析等； 4 完成土壤源热泵系统在某高校教学办公楼旧楼改造工程中的设计； 5 完成大地导热系数测试仪器的设计及运行，并进行实地勘测及相关的数 据分析； 6 使用相关软件计算建筑物的逐时负荷、垂直埋管的长度，改变相关参数， 分析其对土壤换热器的影响； 第2 章土壤源热泵系统的数值模型分析 第2 章 土壤源热泵系统的数值模型分析 土壤源热泵系统与其他热泵系统最主要的区别就在于，前者有一个土壤源换 热器，其地下管路可以水平布置或垂直布置。本章将从理论方面，对这类系统的 特性等问题进行分析研究。 土壤源热泵系统的地下换热器与土壤之间的传热是非稳态、无限大区域内的 传热，涉及的时间跨度长，过程十分复杂。理想情况下，传热模型应能描述土壤 的热物性、密度、温湿度，管材、管径，管中流体的物性、流速等诸多因素对传 热情况的影响，但这将使求解数学模型十分困难，因此任何研究都只能使用简化 的传热模型。【2 0 l 圆柱模型描述传热过程 所谓圆柱模型，即将垂直埋在地下 的管子看作以均匀恒定的圆柱型热源。 图2 1 中，认为由地面向下深d 的 位置处于热绝缘的状态。整个钻孔的热 扩散率为q ( t ) h ，y d ( w ) 。此处的q ( t ) 定义为每米钴孑l 深的热扩散率，瓦米 ( w m ) 。钻孔壁上的温度定义为t b 。t o 为全年平均空气温度。川 图2 - 1 钻孔中的u 型管 2 1 1 假设与简化 f i g 2 - 1 t h eu p i p ei nt h eb o r e h o l e 土壤的传热过程中存在着种种可能的复杂状况，在目前的应用领域中，这 种传热过程是可以被简化的。土壤表面温度逐日逐年变化得很剧烈。周期性的表 面变化幅度随着曲线e 7 咋而有所减小。d p 是渗透深度，每年有几米的变化幅 度。由于整个钻孔大约1 0 0 米深，在地面下最初几米中的扰动是可以忽略的。在 数学模型中，使用近地面处的全年平均空气温度t o 作为边界条件是足以满足条 件的。同样，在地表面出现的其他复杂情况，如：空气与地面之间的热阻力、结 卜q、jl占j l l 北京工业大学工学硕士学位论文 冰及雨雪等均可以被忽略。【2 1 土壤中的假定情况与前面所述情况是相似的。实际上，土壤中存在与其他地 层情况不同的上部土壤层，这一层土壤的导热系数与下部的相比要低很多。经过 数学模拟得到的结果表明，上部土壤层因其较低的导热系数，使其对传热性能的 影响要小得多。因此，上部土壤层厚度小于l o 米的情况下都可以被忽略掉。【2 i 】 2 1 2 地温梯度的影晌 地表面的温度与全年平均空气温度t o 相等。定义地热梯度为a ( k m ) ，初始边 界条件为：t k o = t o + a zt i ，0 = t o ( 2 - 1 ) 定义沿钻孔深度上，全年不受干扰的温度为t o 。 t o 。= t o + 。( d + h 2 )( 2 - 2 ) 在建立普通数学模型时，如果初始条件和边界条件使用的是普通常数值，这 将使传热问题大大简化。如果忽略地热梯度，沿钻孔深度上全年不受干扰的温度 等于全年平均空气温度，即t o 。= t o ，这样得到的数学模型与真实值相比，其偏 差在可以允许的范围内。 2 1 1 2 1 3 数值模型公式 地下土壤温度满足柱坐标系下的热传导方程如下： 1a 丁a 2 r1a 丁a 2 r i 百2 矿+ 7 石+ 萨 地表面边界条件：t ( r ，0 , t ) = t o 。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 土壤温度初始条件：t ( r ，z ，0 ) = t o 。 ( 2 - 5 ) 在钻孔壁上的边界条件需要特别地注意。在整个钻孔长度上，钻孔的温度是个常 量：t ( r h ，z ，r ) = t b ( f ) d z d + h( 2 - 6 ) 一 1o 誓舟下 热扩散率的描述方程： q ( t ) 2 亩2 五号i d z ( 2 - 7 ) 为了使边界条件完全，我们只需要得到t b ( t ) 和q ( t ) 其中的一个。在我们的应 用领域中，得到后者要方便得多。如上所述，定义整个钻孔的热扩散率为q ( t ) h ， 以上五个公式可以完整地定义钻孔传热的数学模型问题。而我们的主要目的就是 要得到钻孔壁的温度t b ( t ) 。【2 ” 第2 章土壤源热泵系统的数值模型分析 2 1 4 散热状况的阶跃效应 在未受干扰的地温状况下，考虑一种散热阶跃效应。 2 1 1 a o ，2 9 月j o ，爿j c r ，= ：i ： 瓦。= 。 。：。， 式中：h e ( t ) n 阶跃方程。定义这种阶跃脉动的解为t 。任何热扩散率q ( t ) 都可以 通过t a 的迭加来得到。 对于大多数的情况下，在数学模型中考虑三维效应是十分必要的。将以下无 因次量引入公式，进行分析： i r f h_ = z hf 蚓3 f = 等t q ( 2 - 9 ) 则式( 2 _ 7 ) 变形为： i + d h 1 = ( r b h ) 等, i 。出 b o(2-10) 由上式可知，t 受两个无因次量r d r i 和d h 的影响。根据2 1 1 中的讨论，随着 d h 的变化可以忽略不计。钻孔壁上的温度t 。b 与z 无关。因而，式( 2 1 0 ) 仅为 有关a t h 2 ( 或t 几) 和r d h 的函数。 最终得到解析解的结果为： 瓦= 一瓦1 酬 ，吒h ) ，f 。= 百h z ( 2 1 1 ) z 7 矿y 口 式中： g ( 1 l t ；，r b h ) n 用于阶跃脉动的无因次方程，在r 呵棚时，它等同于- t ， 其具体描述如下： g ( t t ，r b h ) = 2 2 线热源模型 事粒5 枷“： ( 2 - 蚴 n 尝；z r b ) ， ，p 罢 - - j a i 毕“ j 2 0 世纪5 0 年代i n g e r s o l l 和p l a s s 首先把k e l v i n 的线热源解运用于地热换 热器( 土壤源换热器是其中的一种) 的计算中，现在美国供热制冷空调工程师协 会( a s h r a e ) 和国际地源热泵协会( i g s h p a ) 都采用线热源理论作为地热换 热器计算的基础。目前为止，不少学者进行了多方面的研究，在这些研究中，“线 热源模型”是采用较多的传热模型，并较好地应用于工程实际。尤其是用于讨论 钻孔与地层问的换热，既简单又实用。所谓线热源模型，即将垂直埋在地下的管 北京工业大学工学硕士学位论文 子看作以均匀恒定的线性热源。下面就以这种方法进行讨论。 2 把钻孔与地层之间的换热近似地用线热源模型的解来表示，需要做以下的几 个主要的简化假定： 1 地层是初始温度均匀的无限大介质，其热物性均匀且不随地温的变化发 生变化； 2 忽略地层深度方向( 包括地表) 的传热，只考虑径向的一维导热； 3 忽略钻孔的几何尺度而把它近似为轴心上的线热源。 研究表明，以上的最后一个假定在时间很短时( f 5 0 a ，通常的情况下维 数小时) 是不成立的。不过地热换热器的换热过程通常要涉及数月至数年的时间 跨度，因此线热源模型对于一般的实际计算还是可以采用的。当需要考虑较短时 间的效应时，应采用更精确的模型来描述这一过程【2 3 】。 供热( 空调) 的负荷在一天中和一年中都是随时间变化的。可以设想的最简 单的情况就是从某一时刻开始的一个恒定热流，即“阶跃”热流。任何一个随时 阃变化的热负荷都可以看作是许多这样的阶跃热负荷迭加的总和。线热源的解就 是关于这样一个阶跃热负荷在无限大介质中产生的温度响应。这个解表示为 2 4 】： t ( r , t ) 一瓦= 惫e l ( 毛2 ) ( 2 - 1 3 ) 式中：t ( r ，t ) 介质中任一点的温度响应， r _ 该点的径向坐标，m t 运行时间，s t 。无限远处地层的温度， k 地层的导热系数，w ，( m ) a 地层的热扩散系数，m 2 s q l 单位长度的热传导率，w m 五( 孝) 2j 等d u 指数积分。当 1 5 时，以上近似式的误差不大于2 。 如果钻孔的半径为r b ，利用以上解析解可以确定孔壁上的温度t b ，写成无 因次式的形式为：0 。：4 z r k ( t n - t m ) ： 9 1球南( 2 - 1 4 ) 其中：f o = a t l r f 是傅立叶数，也就是无因次时间a 第2 章土壤源热泵系统的数值模型分析 02 04 06 08 01 0 01 2 0t 4 01ol2345 f 。 i n ( f o ) a )b 1 图2 - 2 阶跃加热的线热源引起的温度响应 f i g 2 - 2t h et e m p e r a t u r er e s p o n s ec u r v e c a u s e db yt h es u p p e rp o s i t i o no f p i e c e - w i s el i n e a rs t e ph e a ti n p u t si nt i m e 图2 2 中标出了根据以上解计算得到的孔壁温度t b 随运行时间的变化。其 中图2 2 b 的时间采用对数坐标，可以看到时间足够长以后，孔壁温度随l n ( f o ) 趋于线性规律变化。 2 3 圆柱模型与线热源模型的区别 线热源模型假定的热流施加在r - = o 处，而不是r = r b 处。这是线热源模型本 身存在的局限。在f o 数较大时，线热源模型可与真实解吻合地很好，但在f o 较 小时，线热源模型相比圆柱模型有一定的时间延迟，从而引起数据的偏差。从物 理意义上讲，在r = 坫处施加热流的同时，孔壁处就应有一定的温度变化，圆柱 模型很好地反映了这一实际情况。f 2 5 】 2 4 本章小结 对于土壤源热泵系统的水源侧系统，本章分别用圆柱模型和线热源模型从理 论方面进行分析，阐述其土壤温度场的解析解，并对两种模型获得的结果加以比 较，分析其不同之处，以及产生误差的原因。 7 6 5 4 气2 l o 7 6 5 4 3 2 l o 皿。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章土壤源热泵系统的实验分析 本章将以北京工业大学制冷实验室土壤源热泵系统( 垂直埋管式) 为例，从 实验数据方面对这类系统的特性等问题进行分析研究。 3 1 实验室土壤源热泵系统的工程简介 本工程坐落在北京工业大学制冷实验室，建立该系统主要的目的是为实验室 的阳光大棚提供空调( 采暖及制冷) 。该建筑物占地面积8 8 8 m 2 ，东西墙的墙体 材料为聚苯材料夹层的铝合金墙，南北墙利用两侧原有建筑物的外墙，顶棚主要 由玻璃天窗构成，瓷砖铺地，地面下装有地板采暖系统。2 0 0 1 年利用天正软件， 计算出的夏季最大冷负荷为1 3 2 k w ，冬季最大热负荷为1 0 9 k w 。而后，使用 d e s t 软件进行计算，计算出的全年逐时负荷结果见图3 1 。 90 0 7 0 0 50 0 3 0 0 1 0 0 譬一1 0 0 v 一3 0 0 g 5 0 0 “一7 0 0 一9 0 0 一1 1 0 0 1 3 0 0 一1 5o o 01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 0 。尘! 曼监 匕= 堕堡煎! 鲤! = = 堡壅煎! 堕! f 图3 - i制冷实验室全年逐时负荷曲线图 f i g ，3 - ih o u v b y - h o u r l o a dg u r v eo f t h el a b o r a t o r yi nt h ew h o l e y e a r 由于两种软件的计算方法等不同，因此结果有些差异。在设计时，由于d e s t 软件尚未运用，因而使用天正计算出来的结果进行设计、选型。 该空调系统采用水一气型土壤源热泵方案，其水源侧共设有6 个钻孔，分别 用于两个子系统( 室内空调系统及新风系统) 中。由于该系统的负荷侧部分与通 常的送风系统无异，此处只介绍两个子系统的水源侧部分( 室外布管) 的一些情 第3 章土壤源热泵系统的实验分析 况。该系统的室外管路布置示意图见图3 2 。 图3 - 2 室外u 型管布置示意图 f i g 3 2t h ea r r a n g e m e n to f t h eo u t d o o rup i p e si nb o r e h o l e s 3 1 1 室内空调系统水源侧系统介绍 1 8 1 6 ，、1 4 童1 2 删1 0 8 菱6 幕4 2 0 一 z一 。 472 1 2 9 4 1 4 9 鲨燧f 里1 1 + 制热量( k 曲+ 制冷量0 ( w ) 图3 - 3 热泵制冷制热量与水源侧进水温度之间的关系曲线 f i g 3 3t h es o u r c e s i d ec u r v e so f h e a t i n ge a p a c i t ya n dc o o l i n gc a p a c i t yv s e n t e r i n g w a t e rt e m p e r a t u r e ( e s w t ) o f t h eh e a tp u m p 该系统采用t r a n e 公司的水气型热泵，型号为w p v e 0 5 1 ，其制冷制热量 与水源侧进水温度之间的关系曲线见图3 3 。系统的负荷侧采用侧送风，上送下 回( 自然回风) 的方式进行冷( 热) 量的传送，为建筑物提供空调。水源侧的载 冷剂为普通自来水，物性见表3 一l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表3 - 1 水源侧循环水的物性参数 t a b l e3 - 1t h ep r o p e r t yv a l u e so f w a t e ri nt h e s o u r c es i d eo f h e a tp u m p 温度密度导热系数比热动力粘度 ( )( k g m 3 ) ( w m k )( k j k g k 1( e c r u s ) 十0 0 19 9 9 9o 5 5 l4 2 1 6 11 7 8 7 8 l o9 9 9 70 5 7 54 1 9 1 01 3 0 5 3 2 09 9 8 20 5 9 94 1 8 2 61 0 0 4 2 3 09 9 570 6 1 94 1 7 8 4o 8 0 1 2 0 4 09 9 2 20 6 3 4 4 1 7 8 406 5 3 1 2 系统的水源侧与土壤进行冷( 热) 量交换，是通过4 个放有单个u 型管的钻 孔来实现的，u 型管管材选择p e 3 4 0 8 ，这是一种高密度聚氯乙稀塑料管，可有 效地防止管材长期埋在土壤中，受到 腐蚀，使系统发生泄漏等不利的状 况。尽管如图3 - 4 中所描述的形式c 形式a形式b形式： 的效果最佳，但因条件所限，我们选 图3 - 4u 型管在钻孔中的放置方式 用了形式b 。为保证在放置过程中， f i g 3 - 4t h ea r r a n g e m e n to f t h eup i p e si nt h eu 型管不会因为太长，而使得供回水 b o r e h o l e 管之间产生接触，出现形式a 中的不 利状况，簏工时使用了间距为l o o m m 的管 卡子以保证管间距的恒定。 本系统中的钻孔深度多为7 8 m ，纵向 放置有三个传感器，分别位于地下4 m ， 4 0 m 和7 6 m 处。但由于地质情况的不同， 个别钻孔( 南三号钻孔) 的深度只有7 5 m ， 图3 - 5 土壤温度传感器的安装 所以传感器的位置相应有所变化，分别为 9 5 9 。3 - 5t h ei “5 8 1 1 耻。“。f h eg 。o u n 。 5 5 m ，4 0 5 m 和7 4 5 m 。传感器均安装在回 t e m p e r a t u r es e n s o r 水管的内侧，以防止下管时将传感器碰伤。详情见图3 5 。 为了比较不同的回填材料对于热传导的影响，我们在四个单管钻孔中分别 填充四种回填料，见表3 2 。 第3 章十壤源热泵系统的实验分析 表3 - 2 单u 型