（热能工程专业论文）土壤源热泵系统中竖直u型埋管换热器强化传热研究.pdf

摘要 摘要 高效利用可再生清洁的地热能、提高人居环境的舒适度并实现节能环保是 本课题研究的主要目的。传统的空调系统受环境温度影响大、能效较低；水源 热泵空调系统存在回灌难、污染地下水等问题；土壤源热泵空调系统在供暖、 制冷、供热水等方面具有运行稳定、效果良好等优点，在国外已广泛应用。但 国内的研究与应用起步较晚，解决地埋管换热器与土壤间的强化传热、系统初 投资较高等问题是推动其发展的关键。 本文以竖直u 型埋管换热器为研究对象，采用数值模拟方法对影响地埋管 换热效率的各种因素进行深入研究，在以下几个方面开展了创新性工作： ( 1 ) 基于实际应用的地埋管换热器建立单、双u 型埋管三维模型，用单井 换热量和u 型埋管换热器效率来综合分析影响换热的主要因素，结果表明，井 深、流体速度、回填材料导热系数及支管中心距对换热的影响较为明显，而u 型管管径及管材对换热基本无影响。 ( 2 ) 通过模拟分析地埋管换热器的传热过程发现，当井深小于1 5 0 m 时， 增加井深使换热器的总换热量增大，但当井深大于2 5 0 m 时，由于支管间热短路 现象加剧，随着井深的增加总换热量趋于平缓，且钻井费用提高，因此最佳井 深范围可取1 5 0 m 。2 5 0 m ；提高u 型管内流体的流速，使总换热量与u 型埋管换 热器效率增加，当流速超过o 8 m s 时两者的增加速率都己很低，而同时u 型管 进出口压降却迅速增大，因此，推荐u 型管内经济流速范围为0 4 m s - - 0 8 m s 。 ( 3 ) 将双u 型埋管并联与串联两种方式进行对比发现，在最佳井深与流速 范围内，并联的换热量比串联提高4 0 左右，采用双u 型管时建议选取并联连 接方式。将相同条件下的单、双u 型埋管换热器热短路情况进行对比，发现双 u 型管的热短路情况较单u 型管严重。为此采用在进出水管间增设隔热板或在 出水管敷设保温层的方法来减小热短路，结果表明，后者的效果优于前者，在 最佳参数范围内使换热量提高8 以上，并且敷设保温层的方法更易实施。并在 此基础上对回填材料导热系数进行研究，得出无保温层时，回填材料取与土壤 导热系数接近的较为合适；有保温层时，回填材料导热系数取2 5 3 0 w m k ，此 时的换热量较无保温层时的最大换热量提高2 0 - 4 0 。 摘要 ( 4 ) 为降低系统的初投资，在原有模型的基础上，分析了多u 型埋管换热 器，并对其在钻井中的布置方式进行优化。研究结果表明，每口钻井中的u 型 管数量取三组为最佳，并提出将三u 型埋管出水管束捆扎在一起并将管束外敷 保温层的新型组合结构，该结构更加紧凑，施工更加方便，在最佳井深与流速 范围内，总传热量比单u 型埋管换热器增加3 0 以上，适当提高回填材料的导 热系数可使地下部分投资比最初采用单u 型埋管时降低4 6 。 关键词：地源热泵；u 型埋管换热器；强化换热；热短路；换热器效率；保温层 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i se s s a yi st ou s et h er e n e w a b l ea n dc l e a ng e o t h e r me n e r g y e f f e c t i v e l y , e n h a l i c et h ec o m f o r to fh a b i t a b l ee n v i r o n m e n t , a n da c h i e v ee n v i r o n m e n t a l c o n s e r v a t i o n t h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft 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 mi sl o wd u e t ot h ei n f l u e n c eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r e t h e r ea r es o m ei s s u e si nw a t e r - s o u r c eh e a t p u m ps y s t e m ，s u c ha sd i f f i c u l ti n j i e c t i o n , g r o u n d w a t e rp o l l u t i o n , e c t g r o u n d s o u r c e h e a tp u m ps y s t e mi sw i d e l yu s e di nh e a t i n g ，r e f r i g e r a t i n ga n dh o tw a t e rs u p p l yi n a b r o a d ，b u tt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fd o m e s t i cs t a r tl a t e t h ek e yt op r o m o t et h e d e v e l o p m e n to fg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m pi st os o l v eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t b e t w e e ng r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e ra n dt h es o i l ，a n dt h eh i g h e ri n i t i a li n v e s t m e n t t a k i n gt h ev e r t i c a lu - t u b eh e a te x c h a n g e ra st h er e s e a r c hs u b je c t ，t h em e t h o d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s a d a p t e dt or e s e a r c ho ni n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eh e a t e f f i c i e n c yi ng r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e r i n n o v a t i o n sa r ed e s c r i b e di nt h ef o l l o w i n g ( 1 ) b a s e do nt h e a c t u a l s t r u c t u r es i z eo fg r o u n d p i p eh e a te x c h a n g e r , t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sa b o u ts i n g l e ua n dd o u b l e ug r o u n dp i p eh a v eb e e n e s t a b l i s h e dt oa n a l y z em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa b o u th e a tt r a n s f e rb ym e a l l so fh e a t e x c h a n g i n gq u a n t i t ya n du t u b eh e a te x c h a n g e re f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e h e a tt r a n s f e ri so b v i o u s l yi n f l u e n c e db yt h ew e l ld e p t h , v e l o c i t y , b a c k f i l lm a t e r i a la n d b r a n c hd i s t a n c e ，b u tn o tu - t u b ed i a m e t e ra n dm a t e r i a l ( 2 ) f r o mt h ea n a l y s i so fh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fg r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e r , w h e nt h ew e l ld e p t hi sl e s st h a n15 0 m ，t h et o t a lh e a te x c h a n g i n gq u a n t i t yi m p r o v e s w i t ht h ei n c r e a s eo fw e l ld e p t h ，b u tw h e nm o r et h a n2 5 0 m ，d r i l l i n gc o s t sr i s ea sw e l l i na d d i t i o n ，t h et o t a lh e a t e x c h a n g i n gq u a n t i t yc h a n g e ss l o w l y , t h eu t u b eh e a t e x c h a n g e re f f i c i e n c yr e d u c e sa n dt h e r m a li n t e r f e r e n c ea g g r a v a t e sw i t ht h ef u r t h e r i n c r e a s eo fw e l ld e p t h ，s ot h es c o p eo fr e c o m m e n d e dd e p t hi s15 0 m - 2 5 0 m t h e i m p r o v e m e n to ff l o wv e l o c i t yl e a d st oa ni n c r e a s ei nt o t a lh e a te x c h a n g i n gq u a n t i t y a n du t u b eh e a te x c h a n g e re f f i c i e n c y w h e nf l o wv e l o c i t yi sm o r et h a no 8 m s ，t h e i n c r e a s er a t ei sl o wa n dt h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s e s r a p i d l y , s ot h es c o p eo f i i i a b s t r a c t r e c o m m e n d e de c o n o m i cv e l o c i t yi s0 4 m s - 0 8 m s ( 3 ) i nt h es c o p eo fe c o n o m i cw e l ld e p t ha n dv e l o c i t y , t h eh e a te x c h a n g i n g q u a n t i t yo fp a r a l l e lc o n n e c t i o no fd o u b l e - ut u b ei n c r e a s e sa b o u t4 0 w i t hr e s p e c tt o s e r i a lc o n n e c t i o n ，s ot h ep a r a l l e lc o n n e c t i o ni s b e r e r c o m p a r i s i o no ft h e r m a l i n t e r f e r e n c eb e t w e e ns i n g l e - ua n dd o u b l e - - ut u b es h o w st h a td o u b l e - - ut u b ei sm o r e s e r i o u s i no r d e rt or e d u c et h et h e r m a li n t e r f e r e n c e ，s o m em e t h o d sh a v eb e e n p r o p o s e d ，s u c ha sa d d i n gt h e r m a li n s u l a t i n gb o a r da n di n s u l a t i n gl a y e r n en u m e r i c a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a te x c h a n g i n gq u a n t i t yi si n c r e a s e dm o r et h a n8 b ya d d i n g t h e r m a li n s u l a t i n gl a y e r , w h i c hi ss u p e r i o rt ot h e r m a li n s u l a t i n gb o a r d b a s e do nt h e f i n d i n g sa b o v e ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l lm a t e r i a lh a sb e e ns t u d i e d ，i ti s m o les u i t a b l et l l a tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l lm a t e r i a li sc l o s et ot h es o i li f t h e r ei sn ot h e r m a li n s u l a t i n gl a y e r w h e nt h e r m a li n s u l a t i n gl a y e ri sa p p l i e d , t h e o p t i m a lr a n g eo ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l lm a t e r i a li s2 5 - 3 0 w m k ，a n d t h et o t a lh e a te x c h a n g i n gq u a n t i t yi n c r e a s e s2 0 - 4 0 ( 4 ) i no r d e rt oc u td o w nt h ei n i t i a li n v e s t m e n to ft h es y s t e m ，m u l t i u - t u b eh e a t e x c h a n g e ri sa n a l y s e do nt h eb a s i so fp r e v i o u sm o d e l s ，a n dt h el a y o u ti nt h ed r i l l i n gi s o p t i m i z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea p p r o p r i a t eg r o u p so f u - t u b ei ne a c hd r i l l i n gi s t h r e e w h e nt h et h r e e - ut u b ei su s e d , an e wk i n do fc o m b i n e ds t r u c t u r eh a sb e e n p r o p o s e d ，w h i c hi sm o r ec o n v e n i e n tt oc o n s t r u c t i o n 吼ss t r u c t u r ei sm o r ec o m p a c t , t h eo u t l e tp i p e sa r eb i n d e dt o g e t h e ra n dt h et h e r m a li n s u l a t i n gl a y e ri sa d d e de x t e r n a l i nt h es c o p eo fe c o n o m i cw e l ld e p t ha n dv e l o c i t y , t h et o t a lh e a te x c h a n g i n gq u a n t i t y i n c r e a s e s3 0 c o m p a r e d 、析t hs i n g l e ut u b ea f t e ro p t i m i z a t i n gt h el a y o u ta n d n u m b e r so fu - t u b ei ne a c hd r i l l i n g a n a p p r o p r i a t e i n c r e a s eo ft h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l lm a t e r i a l e a r lm a k et h ei n v e s t m e n to fu n d e r g r o u n dp a r t r e d u c e s4 6 c o m p a r e dw i t hs i n g l e - ut u b e 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 ；u - t u b eh e a te x c h a n g e r ；h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t ；t h e r m a li n t e r f e r e n c e ；h e a te x c h a n g e re f f i c i e n c y ；t h e r m a li n s u l a t i n g l a y e r i v 绪论 1绪论 1 1课题背景 2 1 世纪人类面临的最大问题是“能源短缺”与“环境污染”，用可再生能源逐 步代替常规能源是世界发展的总趋势。随着我国经济的快速发展，对能源的需 求量与日俱增，要实现经济的可持续发展，关键是要解决能源问题。我国能源 主要面临以下问题： ( 1 ) 国内经济发展所需要的能源量大幅度提高。2 0 0 9 年，我国进口的石油 约为2 0 4 亿t ，年度进口规模首次突破2 亿t ，较上年增长1 3 9 。 ( 2 ) 能源虽丰富，但人口众多，人均能源占有量较世界平均水平低，我国 人口在2 0 5 0 年将达到1 5 亿，并且能源量逐渐减少，到时人均能源占有量更低。 ( 3 ) 人均能源消费水平低，能源消费潜力大。 ( 4 ) 能源消费结构不合理。我国对可再生能源的使用量较少，主要通过消 耗一次能源发展经济，长此以往，能源问题必将严重影响国民经济的可持续发 展。对此，要采取必要的节能措施，更重要的是要实施r p s ( 可再生能源配额 制r e n e w a b l ep o r t f o l i os t a n d a r d ) 政策【l 】以增大可再生能源的消费比例，改善目 前的能源消费结构，缓解能源紧缺的局面，满足日益增长的能源需求，保证我 国经济健康、持续、快速地发展。 目前，不但能源紧缺，一次能源的消耗还造成了环境污染。地热能是一种 清洁可再生能源，全年温度基本稳定，既可以作为冬季的热源也可以作为夏季 的冷源，随处可取，免费使用。开展有关地热能技术的研究，不但可以节约常 规能源、提高清洁可再生能源的消费比例，而且可减少污染物的排放，必将取 得显著的环保效益，为实现可持续发展做贡献。 利用地热能( 包括土壤热能、地下水热能和地表水热能) 的主要设备是地 源热泵，其高效节能、运行稳定可靠、环境效益显著、应用范围广等优点使之 成为研究的热点，在国内的研究和应用日益广泛和深入。 人民生活水平的提高使建筑面积不断增加，采暖线逐步南移，采暖面积逐 步增加。目前，我国建筑总面积约为4 0 0 亿1 2 ，其中城镇中供居住的建筑面积 约为1 0 5 亿n 1 2 ，城镇居住面积中能达到建筑节能标准的仅有5 ，其余部分都是 1 绪论 需要进行节能改造的高能耗建筑；同时，我国每年新增房屋建筑面积中有7 0 亿 m 2 以上需要供暖1 2 。传统的暖通空调技术主要是以空气作为冷热源，系统的运 行效率较低，能源消耗量大。因此，地源热泵技术依其高效节能环保的显著特 点会逐渐成为暖通空调技术发展的主要方向。 1 2热泵简介 热泵技术诞生于1 9 1 2 年，距今已有百年的历史。热泵是利用制冷剂自身的 相变过程从低温介质吸取热量释放给高温介质，完成热量转移的装置。热泵技 术利用的是可再生的低品位热源，广泛应用会大大降低化石能源的消耗，缓解 环境压力，对能源结构的调整也有很大影响。目前热泵技术主要应用于两个方 面【3 】：对建筑物进行制冷与供暖；在工业生产中回收废热并提供高品位热能。 热泵分类多种多样，常见的有按工作原理、热源种类、热泵主要用途、热 源与供热介质组合方式、热量提升级数等分类【4 j 。 ( 1 ) 按工作原理分类 主要有两类：机械压缩式和热力压缩式。前者主要通过消耗电动机或发动 机做的功，将低温低压的工质压缩到高温高压状态；后者相对前者而言，主要 通过利用高温蒸汽、燃料燃烧等热能直接驱动热泵工作。 ( 2 ) 按热源种类分类 热泵的热源可分为空气、地表水、地下水、土壤、太阳能及废热等，这些 热源往往是低品位的。按照热源种类的不同可将热泵分为空气源热泵、地源热 泵( 水源热泵、土壤源热泵) 及太阳能热泵等。 ( 3 ) 按热泵主要用途分类 主要有：民用，制热量一般为1 - 7 0 k w ：商业及农业用，制热量一般为 2 1 2 0 k w ；工业用，制热量一般为0 1 1 0 m w 。 ( 4 ) 按热源与供热介质的组合方式分类 应用较多的有：空气一空气热泵、空气一水热泵、水一水热泵、土壤一水 热泵( 土壤源热泵) 等等。 ( 5 ) 按热量提升级数分类 按热量提升级数分类，可分为：初级热泵，这种热泵是利用室外空气、地 下土壤、地下水或者地表水等天然能源作为热源：次级热泵，利用排出的废热、 2 1 绪论 废水或废气为热源；第三级热泵，将初级或次级热泵制取的热量进行再升温提 供供暖用热。 1 2 1 空气源热泵 空气源热泵【3 】是最早发展起来的热泵类型，系统简单，初投资较低，因此应 用较为广泛。这种热泵以室外空气作为低温热源，从中吸取热量，经热泵将温 度升高给室内供暖。主要缺点是在夏季温度较高和冬季温度较低时热泵效率会 大大降低，随着室外温度的升高制冷量减少，制热量也随室外温度的降低而减 少，不符合建筑物冷热负荷需求的趋势。此外，冬季供热时空气源热泵蒸发器 表面存在结霜问题，需要消耗大量的电能来进行定期除霜，特别是在寒冷地区 与高湿度地区，除霜成为空气源热泵在我国北方发展的障碍。在冬季气候较温 和的地区已经得到广泛的应用，如我国长江中下游地区。 1 2 ，2 太阳能热泵 太阳能热泵技术作为节约常规化石能源的有效途径之一，被国内外研究工 作者广泛关注。根据太阳能集热器与热泵蒸发器组合形式的不同，可将太阳能 热泵分为直接膨胀式和间接膨胀式两种。直接膨胀式系统是将太阳能集热器和 热泵蒸发器组合成一个部件，称为集热蒸发器，工质直接在集热蒸发器中吸收 太阳辐射而蒸发。间接膨胀式系统是太阳能集热器和热泵蒸发器完全分开的系 统，集热器中的集热介质( 水、空气、防冻液) 吸收太阳辐射，在蒸发器中将 热量传给制冷剂【那。 1 2 3 地源热泵 地源热泵( g s m ) 是一种高效节能环保的既可制冷又可供暖的新型空调系 统，它利用地下浅层地热资源( 主要是地下水、地表水、土壤) ，为建筑物提供 热量或冷量。通过输入少量的高品位能源( 如电能) ，将热量由低温热源传向高 温热源。在冬季，将地下的能量取出来，供给室内热量；相反，在夏季，将室 内的热量释放到地下，保持室内舒适的温度值。 根据低品位热源的种类，可将地源热泵分为地下水源热泵、地表水源热泵 及土壤源热泵三种。 地下水源熟泵是将地下水作为冷热源。地下水温一年四季基本稳定，郑州 3 1 绪论 地区一般为1 7 c 左右，夏季比外界环境温度低，冬季比外界环境温度高，是良 好的冷、热源，有利于系统高效、稳定、经济地运行。但是，我国地下水回灌 技术还不成熟，在很多地质条件下回灌速度低于抽取速度，回灌不彻底造成地 表塌陷，亦造成地下水资源的污染和流失。水作为世界上最为宝贵的资源之一， 任何对水资源的浪费和污染都是不允许的，国外对使用地下水的要求越来越严 格，因此地下水源热泵的应用逐渐减少，而且如果水硬度过大也会造成换热器 表面结垢，使传热性能下降1 6 】。 地表水源热泵是利用池塘、湖泊或者城市污水作为热泵的低温热源。在靠 近江河湖海等大容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 很值得考虑的一种空调方案。地表水源热泵初投资较低，运行较稳定，但是由 于地表水受环境影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时，热泵供热 量越小。此外，地表水水质可能使换热器表面结垢甚至腐蚀，导致传热性能下 降 7 1 。 土壤源热泵是利用地下土壤作为冷热源，有文献【8 】指出，地下5 米左右的温 度基本恒定，约为当年的年平均气温，夏季比外界环境温度低，冬季比外界环 境温度高，是很好的冷、热源。土壤具有很好的蓄热性能，使得夏季冷凝温度 相对较低，冬季蒸发温度相对较高，并无结霜问题，噪音小，运行费用低1 9 。从 目前的研究和使用情况看，主要存在以下几个缺点：土壤的热物性对地埋管的 换热性能影响较大【1 0 1 2 ；土壤导热系数小影响地埋管的换热，导致其单位管长 换热量较低，约为3 0 w m ，因此当系统换热量较大时，需要的换热面积也较大 1 3 1 5 ；初投资高，地埋管换热器的投资为系统总投资的2 0 3 0 1 6 1 7 1 。 热泵的种类很多，地源热泵以其高效节能、运行稳定可靠、环境效益显著 等优点使之被逐渐关注，在国内的研究和应用日益广泛和深入，而地源热泵系 统中又以土壤源热泵作为今后发展的主要方向。以下是对土壤源热泵系统的简 单介绍。 1 3 土壤源热泵工作原理及特点 1 3 1 土壤源热泵工作原理 土壤源热泵对应的英文名称是g r o u n d s o u r c eh e a tp u r n p ( g s h p ) ，系统的主 要组成部分为：地埋管换热器( 地下部分) 、土壤源热泵机组和空调末端( 室内 4 1 绪论 热交换环路) 。如图1 1 与图1 2 所示。 地 地 图1 1 夏季工况土壤源热泵系统图 图1 2 冬季工况土壤源热泵系统图 地埋管换热器通过水或添加防冻剂的水溶液与地下土壤进行热交换，采集 能量供给热泵机组；热泵机组主要由空调的四大件组成，将低位热能向高位热 能转移；室内空调系统主要通过载冷剂与室内空气进行热交换，使室内环境达 到人体舒适度的要求，冬季向室内供暖，夏季向室内供冷。 以夏季制冷工况为例，说明系统的工作原理。地埋管换热器中的高温水把 热量传给土壤，然后通过水泵进入冷凝器，在冷凝器中吸取制冷剂的热量之后 返回地埋管换热器，同时冷凝器中的制冷剂被冷却；制冷剂通过膨胀阀进入蒸 发器，吸收室内空调系统载冷剂的热量后，被压缩机压缩，然后进入冷凝器， 如此循环；降温后的载冷剂与室内空气进行热交换，达到人体舒适的温度值。 冬季制热工况与夏季制冷工况的工作原理类似，不同的是地埋管换热器中的水 从土壤中吸取热量，然后通过水泵进入蒸发器释放热量。 5 1 绪论 1 。3 2 土壤源热泵的特点 土壤源热泵的优点r 1 8 】： ( 1 ) 利用可再生能源。储存于地表浅层的地能是清洁可再生能源，土壤源 热泵技术正是将这些能源作为冷热源提供舒适的室内温度，地表浅层是一个巨 大的太阳能集热器，收集的太阳能约为人类每年利用能量的5 0 0 倍，且不受地 域条件的影响。 ( 2 ) 高效节能。土壤源热泵系统的c o p 值一般为3 “，比空气源热泵高约 4 0 ，年运行费用可节约4 0 左右。 ( 3 ) 机房占地面积小，并且可设在地下，无冷却塔与其它室外设备，相应 地节省空间与投资。 ( 4 ) 绿色环保、零污染。土壤源热泵利用地能对室内进行空气调节，无燃 烧、排烟及废弃物，虽然该系统也采用制冷剂，但与常规空调装置相比减少约 2 5 的充灌量。 ( 5 ) 一机多用，既可供暖，也可制冷，余热还可提供生活用热水，减少了 能源的浪费。 土壤源热泵的缺点【1 9 】： ( 1 ) 地埋管换热器受土壤物性的影响较大，土壤传热、传湿等都对换热有 较大的影响，土壤导热系数小导致换热量低。 ( 2 ) 初投资高。研究表明，地埋管换热器单位管长换热量较低，约为3 0 w m ， 因此所需挖掘的面积较大，造价较高。 1 4 土壤源热泵地下换热器形式分类 地埋管换热器的形式有水平和竖直两种。水平地埋管换热器初投资较低， 但是占地面积大，并且由于埋管较浅，受外界环境影响较大，造成系统运行不 稳定；与水平地埋管换热器相比，竖直地埋管换热器占地面积较小，运行稳定， 应用较为广泛，但是由于埋管较深( 通常为3 0 m - 3 0 0 m ) ，钻井费用高，使系统 初投资相应提高，这成为土壤源热泵技术推广的瓶颈f 2 0 1 。 1 4 1水平埋管换热器 水平埋管换热器的研究始于1 9 3 0 年，有单层和双层之分，可采用u 型、螺 6 一 ! 堑笙 一 旋型等。单层布置形式如图1 3 所示，是最早使用的形式，埋管深度一般为 0 5 m 2 5 m 。双层埋管第一层深度约为1 2 m ，第二层深度约为1 9 m ，双层敷设 降低了挖掘土方量和回填砂石量，相对单层来讲较为经济。 图1 3 水平埋管换热器 1 4 2 竖直埋管换热器 竖直埋管换热器包括浅埋与深埋两种，前者埋深一般为1 0 2 0 m ，后者则根 据地质条件与经济条件来确定，通常为3 0 3 0 0 m 不等。其形式主要有竖直u 型 管式、竖直套管式、桩基式，如图1 4 、图1 5 与图1 6 所示。 图1 4 竖直u 型埋管换热器 图1 5竖直套管式换热器 图1 6 桩基式换热器 竖直埋管换热器与水平埋管换热器相比有许多优点。首先，占地面积少， 7 才15；矿 h 一 、_um孵j黔翘 1 绪论 适合在地少人多的地区发展，因此竖直埋管在我国更有应用发展前景。其次， 由于水平埋管换热器埋设较浅，受地表温度波动影响较大，会造成系统运行不 稳定，而竖直埋管换热器埋设较深，受地表温度波动影响较小，运行较稳定， 从这个角度来讲，竖直埋管较好。最后，地下换热器处于湿饱和区时，换热效 果更好，在制冷工况下，水平埋管换热器在土壤中散热导致土壤湿饱和区的水 分散失，土壤导热率减小，降低换热效率，而竖直埋管换热器埋设较深，埋管 周围土壤水分转移量较少，几乎对土壤导热率无影响。综上，竖直埋管换热器 的换热情况优于水平埋管换热器。 关于竖直埋管换热器的形式，从目前来看，u 型管的应用居多，若地表可利 用的面积较少，可用深埋u 型管换热器作为大型建筑的地下换热部分。 套管式换热器增大了管内流体与土壤的换热面积，因此相同负荷下可减少 钻井数目与深度，但是套管式换热器钻井直径大于2 0 0 r a m ，较u 型管换热器单 井占地面积大，因此钻井费用相对较高，管材费用也比u 型管换热器高出8 0 以上。 桩基式换热器在建筑物地基的栓孔内埋设u 型管，省去钻井费用，初投资 低，经济性好，但是应用范围有限，灵活性差，出问题难以维修，施工时须与 工种密切配合。 目前工程中较常用的是竖直u 型埋管换热器，结合我国国情，将竖直u 型 埋管换热器作为本文的研究对象。 1 5 土壤源热泵的国内外现状 1 5 1土壤源热泵的国外现状 瑞士的z o e l l y 在1 9 1 2 年首次提出了将地下土壤作为热泵系统低温热源的想 法，并申请了专利，但并没有受到重视，2 0 世纪5 0 年代，该技术逐渐引起人们 的关注，很多国家开始着手研究土壤源热泵，“开尔文线源理论”等基础性的数学 模型都是当时开发的【2 1 2 2 。但是，由于当时的能源价格较低，该系统初投资又较 高，到2 0 世纪5 0 年代中期有关研究就基本停止1 2 引。 1 9 世纪7 0 年代，世界能源危机的出现使得地源热泵受到重视，激起了人们 对其研究的兴趣。1 9 7 4 年，欧洲完成了3 0 多个工程项目，主要针对地源热泵的 设计、安装进行实践研究，同时积累运行维护经验。德国出现大量关于地源热 8 1 绪论 泵的工程，瑞典安装了6 0 0 0 多个埋管系统，此时的工程主要是水平埋管，且单 独用于供暖。1 9 7 7 年，美国在政府积极支持与倡导下，重新开始对土壤源热泵 进行规模性的研究，在美国能源部( d o e ) 的支持下，美国橡树岭国家实验室 o r n l ( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 关于土壤源热泵系统三种形式( 水平盘 管式，浅井式，深井式) 的周期费用、偿还期、季节供热供冷系数在美国十大 典型城市与空气源热泵进行了对比，从经济技术方面对土壤源热泵系统的可行 性予以肯定；布鲁克海文国家实验室b n l ( b r o o k h a v e r tn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 制 定了土壤源热泵研究计划，调查其使用情况。这一时期的工作主要集中在地下 传热过程的研究，包括土壤导热性能、地埋管换热器的形式对换热过程的影响 等，数学模型与数值模拟计算方法也是本时期的主要工作；之后，用实验的方 法对回填材料的组分及其比例进行研究，得出物性较好的回填材料，以增强地 埋管与土壤间的传热效率，从而降低初投资，这些研究对土壤源热泵的发展起 到了推动作用 2 4 - 2 9 1 。该阶段还提出了土壤源热泵地下传热模型的三个基础理论： ( 1 ) i n g e r s o l l 和p l a s s 提出了线热源理论 3 0 , 3 1 】，将地埋管换热器的中心轴视 为一线热源，以该轴为中心，以定热流辐射状向周围土壤传热。该模型对小管 径、长时间运行的系统有较高的精度，是目前多数土壤源热泵系统设计的理论 基础 3 2 , 3 3 】。由于假设的局限性导致该模型只能近似模拟实际的传热过程，难以解 决地埋管换热器管长的设计、两支管间热短路隋况等问题。 ( 2 ) c a r s l a w 和j a e g e r 提出了圆柱热源理论，这是一种改进了的线热源理 论，将钻井内部的u 型埋管视为圆柱体，不同的是此种模型考虑了管内流体的 流动特征，使之更加接近实际情况。它与线热源模型一样都存在着假设上的局 限性，对钻井内埋管换热器处理的较简单，带来一些误差 3 4 , 3 引。 ( 3 ) v c m e i 等提出了三维瞬态远边界传热模型，该模型建立在能量平衡 的基础上。结合导热方程和边界条件，对地埋管换热器的传热进行了描述，采 用有限差分法或其他数值模拟方法可进行地埋管换热器传热过程的模拟。与线 热源理论不同，该模型考虑了回填材料等因素的影响1 3 6 - 3 s 。 2 0 世纪9 0 年代以来，土壤源热泵技术研究的热点主要是地埋管换热器的强 化传热、空调热泵系统与地下换热器部分的合理匹配及井群地埋管布置安装技 术等；土壤内部传热传质、热物性较好的回填材料也得到相关研究者的重视。 国际最新研究动态表明【2 0 】：土壤源热泵发展的核心技术课题包括地埋管换热器 的强化传热、土壤源热泵空调系统仿真及最佳参数合理匹配等，这也是一项涉 9 1 绪论 及多个基础学科领域且极具挑战性的研究工作。近几年，国外关于土壤源热泵 系统的基础研究主要有以下几个方面： ( 1 ) 竖直埋管换热器钻井内热阻的研究 钻井内的热阻包括回填材料热阻、u 型埋管管壁热阻及管内流体对流换热热 阻，钻井内的热阻还取决于钻井中u 型埋管的位置。文献【3 9 j 提出在斑脱土中加 入石英砂来提高回填材料的导热系数，与采用水泥砂浆的回填材料相比，钻井 深度可减少2 2 - , 3 7 。 ( 2 ) 土壤源热泵与其他形式相结合方式的研究 4 0 , 4 1 】 土壤源热泵在应用中存在一个较大的问题，就是吸热量与排热量的不平衡， 对于大多数建筑来讲，全年的排热量大于吸热量，这种不平衡将导致土壤源热 泵系统运行效率的降低，运行成本的增加。为了避免上述情况出现，使用辅助 散热装置，如：冷却水池、冷却塔等来增强排热，保持冬、夏热量的平衡。 ( 3 ) 有关土壤热物性参数的测试与分析方法 测试结果达到足够准确时所需要的测试时间是目前比较有争议的问题， m a r t i n 4 2 】等的实验研究结果表明：当土壤导热系数或者回填材料导热系数较小 时，连续测试时间至少需要4 8 h 。土壤导热系数的分析方法主要有：线源解析法、 柱源解析法与数值法。 1 5 2 土壤源热泵的国内现状 2 0 世纪8 0 年代，地源热泵在我国逐渐兴起。在1 9 8 3 年的中国制冷学会上 有关低位热泵方面，国内专家讨论了地源热泵在我国的发展情况及研究成果， 并指出利用地源热泵提高可再生能源利用比例的问题1 4 3 1 。1 9 8 9 年，国内第一个 土壤源热泵实验室在青岛建工学院成立，主要进行水平埋管与竖直u 型埋管系 统的供热制冷实验研究。从2 0 世纪9 0 年代开始，每届全国暖通制冷学术会上 都会有“热泵应用”的专题，1 9 9 8 年是我国在该领域的一个里程碑，很多大学陆 续搭建实验台，着手研究地源热泵的性能。 1 9 9 8 年，重庆大学( 原重庆建筑大学) 在国家自然科学基金的资助下建立 了u 型埋管、套管及水平埋管的实验台，进行埋管形式的研究，把重点放在竖 直u 型管的研究上，确定了大地初始温度及浅埋u 型埋管的单位井深换热量， 通过实验表明，冬夏暖冷联供更利于保持地温平衡与系统长期有效地运行m 】。 同年湖南大学建立了水平埋管土壤源热泵系统实验装置，分析了土壤的有关特 1 0 1 绪论 性，列出了长沙地区实测地温数据【4 5 1 。1 9 9 9 年同济大学搭建了竖直埋管土壤源 热泵实验台，结果表明，土壤源热泵的冬季启动时间为钆5 h ，较夏季的启动时 间短；实测单位井深换热量为4 0 6 0 w m 【4 6 。2 0 0 0 年刘宪英、胡鸣明建立1 0 k w 的地源热泵系统，进行了浅埋竖直埋管换热器夏季供冷实验研究，测得单位井 深换热量为9 0 6 w m ，并建立与实验模型一致的传热模型进行模拟计算，与实 测值相比偏低1 0 左右，有一定的参考价值【4 刀。2 0 0 3 年曾和义、方肇洪【4 8 】采用 准三维模型对对称布置的双u 型串联连接埋管换热器钻井内的传热情况进行了 分析研究，在考虑支管间热短路的条件下，推导出了循环流体在支管内沿钻井 深度方向上温度变化的解析式，确定了双u 型埋管换热器钻井内的热阻。 随着地源热泵在我国的发展，相关企业越来越多，并且与科研单位合作完 成了很多实验研究和工程项目，提供了大量有利的数据，为我国地源热泵技术 的发展做了很大贡献。浙江横店国际商贸城、山东建筑工程学院学术报告厅等 的空调总面积达到5 0 0 平方米以上，都采用了土壤源热泵系统【4 9 | 。 随着土壤源热泵在我国的发展，地下埋管换热器的运行效率成为研究的关 键问题之一，而u 型埋管支管间的热短路问题及埋管形式在很大程度上影响地 下埋管换热器的运行效率。近几年，有关以上两个问题的研究也较多，范军等i 5 u j 分析了单u 型埋管支管间距和回填材料导热系数对热短路的影响，结果表明： 当支管间距一定时，增大回填材料导热系数有利于减小热短路；地热弹簧装置 将支管撑开使之保持足够大的距离以减小热短路。沈国民等 5 i 】建立了单u 型埋 管换热器的有限元模型，对两支管间的热短路现象进行量化，得出尽量增大两 支管间距，减小钻孔内热阻及热短路，从而降低初投资；回填材料取与土壤导 热系数接近的较为合适。杨卫国等【5 2 】通过实验的方法研究了地埋管换热器支管 间的热短路现象，实验结果表明，适当增加u 型管内流体速度、增大埋管间距、 改变回填材料导热系数可在一定程度上减小热短路造成的热量损失。曾和义j 等在考虑各支管间的热短路的条件下，导出了循环流体在各个支管内沿钻孔深 度方向上温度变化的解析表达式。薛玉伟【5 3 】等结合工程实际建立了单u 型与双 u 型埋管换热器实验系统，进行夏季排热和冬季取热实验，实验结果表明双u 型埋管单位井深换热量均高于单u 型，并引入单位井深单位换热量投资成本来 评价两种埋管形式的性能，得到双u 型埋管优于单u 型。林久字i 5 4 j 用p h o e n i c s 软件对单、双u 型埋管换热器性能进行对比，得出后者的换热量较前者高 2 0 4 0 ，可大幅度降低系统的初投资。王韬【55 j 等用m a t l a b 模拟了在u 型管两 1 绪论 支管间增设隔热板的情况，结果表明，增设隔热板后夏季排热工况下单位管长 换热量提高了2 7 4 ，冬季吸热工况下单位管长换热量提高了3 0 1 。付卫红【5 6 j 通过实验的方法研究了单、双u 型埋管换热器支管间的热短路情况，实验结果 表明，当支管间距一定时，导热系数小的回填材料有利于减小热短路。 总之，国内地源热泵技术起步较晚，对土壤源热泵系统的研究还处于初级 阶段，作为一种节能环保的空调系统，