（机械制造及其自动化专业论文）富水土壤地源热泵特性研究.pdf

， i ie i ie ii iii i l l ii l kiil y 1817 3 9 3 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表 或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提 供过重要帮助的个人和集体均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 芡j 霜 j 2 0 0 7 年6 月2 4 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布囱薜密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) ：剡者聊虢弱籽2 啷删2 4 日 富水土壤地源热泵特性研究 摘要 随着经济的发展和人们环保意识的提高，具有高效节能、低运行成本、 美观、环保、一机多用且利用可再生能源的地源热泵技术越来越受到人们 的重视。目前地源热泵技术在我国还处在理论研究和应用的初期阶段，缺 乏有关地源热泵系统在亚热带富水地区运行特征的研究。 本文针对亚热带富水地区地源热泵系统的特性进行了研究，这对地源 热泵技术的研究具有理论价值，对地源热泵技术推广应用具有实际应用价 值。主要研究内容包括： 针对富水土壤的特点，讨论与传热有关的各种热物性参数。模拟土壤 含水率对其导热系数的影响以及南宁市全年地温分布图。分析渗流对传热 影响的因素，利用数值积分求解了现有模型，模拟分析渗流对二维温度场 的影响，总结建模和求解的方法。 以现有理论为依据，选择夏热冬暖地区富水土壤的典型砂质土作为传 热介质，模拟水渗流传热状态。通过实验研究渗流对土壤换热器周围温度 场的影响，即富水土壤水渗流对热量或冷量的聚集效应的影响，使夏热冬 暖地区富水土壤换热器的设计更加合理和经济。 自主设计安装了1 5 匹小型地源热泵空调系统，研究在亚热带富水地 区地源热泵空调机组的运行特性，主要包括：系统的能效比，系统的整体 匹配，单位井深换热量，平均导热系数等。 关键词：地源热泵富水土壤运行特性土壤换热器实验研究 i s t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c so f ，a t e r e n r i c h e d s o i lf o rg r o u n ds o u r c e h e a tp u m p a bs t r a c t w i t h d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y a n d i n c r e a s i n g c o n c e r no v e rt h e e n v i r o n m e n t ，t h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pt e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r e r e c o g n i z e db yp e o p l eb e c a u s ei t sh i g hc o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ，l o wl e v e l so f m a i n t e n a n c er e q u i r e m e n t s ，a e s t h e t i c ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，m u l t i f u n c t i o n a n du s e sr e g e n e r a t i o ne n e r g y a tp r e s e n tg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pt e c h n o l o g yi s s t i l li nt h es t a g eo ft h e o r e t i c a ls t u d i e sa n di nt h ee a r l ys t a g ea p p l i c a t i o ni nc h i n a ， w h i c hl a c k st h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dr u n n i n gf e a t u r e sr e s e a r c ha b o u tg s h p si n s u b t r o p i c sw i t hr i c hg r o u n d w a t e r t h i s p a p e ra i m s a tf e a t u r e sa b o u tg s h p si n s u b t r o p i c s w i t hr i c h g r o u n d w a t e r i th a sa c a d e m i cm e a n i n gi nr e s e a r c h i n gg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p t e c h n o l o g ya n dh a sa c t u a lv a l u ei ng e n e r a l i z i n go fg s h pt e c h n o l o g y t h em a i n r e s e a r c hw o r ki n c l u d e t et h ec h a r a c t e r i s t i co fw a t e r - e n r i c h e ds o i l ，p h y s i c a lp r o p e r t yo fs o i lt h a t r e l a t e st o h e a t i n g i sd i s c u s s e d i n f l u e n c eo fs o i lm o i s t u r et ot h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dd i s t r i b u t i o no fa l l - y e a rt e m p e r a t u r eo ft h es o i l i nn a n n i n ga r e b es i m u l a t e d b a s e do na n a l y s i n gt h es e e p a g e si n f l u e n c et od i a t h e r m a n c y , t h e t h e o r e t i c a lm o d e l sw h e nt h e r ei ss e e p a g eu n d e r g r o u n dw a t e ra r ei n t r o d u c e d ，a n d t h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o nf r o mm o d e l si ss u m m a r i z e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h e i l m e t h o dh o wt om o d e la n dr e s o l v ei ss u m m a r i z e d b a s e do n h a v i n gt h e o r y , t h es e e p a g e s i n f l u e n c et o d i a t h e r m a n c yi s s i m u l a t e di nt h ew a t e r - e n r i c h e ds a n d ys o i lr e g i o n b yc a r r y i n go ne x p e r i m e n t ，i t c a nb es t u d i e dt h a ts e e p a g ea f f e c t st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na r o u n dt h eh e a t e x c h a n g e r n a m e l yi nt h ew a t e r - e n r i c h e ds o i lh o wc a nt h es e e p a g ee f f e c t a s s e m b l e dd o m i n o e f f e c to ft h e c o o l i n ga n dh e a t i n g t h ed e s i g no fh e a t e x c h a n g e rc a nb em o r er e a s o n a b l ea n de c o n o m i c a l t h e1 5 pa i r - c o n d i t i o ng s h ps y s t e mi s d e s i g n e da n di n s t a l l e dt os t u d y r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c i tm a i n l yi n c l u d e s ：t h ec o po fs y s t e m ，t h em a t c h i n go f s y s t e m ，h e a te n e r g yo fu n i tw e l l - d e p t h ，a v e r a g et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n ds oo n k e yw o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；w a t e r - e n r i c h e ds o i l ；r u n n i n g c h a r a c t e r i s t i c ；u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 目录 第一章绪论。l 1 1 概j 签1 1 1 1 地源热泵系统l 1 1 2 地源热泵的运行原理3 1 1 3 地源热泵的特性5 1 1 4 地源热泵的发展历史及应用前景7 1 2 国内、外研究现状8 1 2 1 地源热泵传热模型的研究8 1 2 2 地源热泵的试验研究1o 1 3 存在的问题和主要研究内容1 2 1 3 1 存在的问题1 2 1 3 2 主要研究内容1 2 1 4 课题来源1 3 第二章富水土壤换热器传热理论研究1 4 2 1 土壤热物性参数分析1 4 2 1 1 土壤比热容：1 4 2 1 2 土壤导热系数1 5 2 1 3 土壤导温系数1 6 2 1 4 土壤初始温度17 2 2 渗流对传热影响的因素1 8 2 3 有渗流时的传热模型及模拟分析2 0 2 3 1 合理的简化2 0 2 3 2 求解方法。2l 2 3 3 模型的求解及分析2 l 2 4 奉章小结。2 7 第三章富水土壤渗流状态传热特性实验模拟研究2 8 3 1 实验目的与方法2 8 i v 3 2 实验装置及测试仪器2 8 3 3 实验方法和步骤3 0 3 4 实验结果与分析31 3 4 1 制冷工况下渗流对温度场的影响3 1 3 4 2 制热工况下渗流对温度场的影响3 3 3 4 3 不同进水温度下渗流对温度场的影响3 4 3 5 本章小结。3 5 第四章地源热泵空调系统实验研究。3 7 4 1 地源热泵空调系统简介3 7 4 2 实验仪器和方案3 9 4 3 实验结果及分析4 l 4 3 1 数据处理方法4 l 4 3 2 制热工况结果及分析4 2 4 3 3 制冷工况结果及分析4 6 4 4 本章小结4 9 第五章结论与展望5 l 5 1 结论5l 5 2 展望5 2 参考文献。5 3 附录。 j ；! ；7 j l l 【谢6 l 攻读硕士学位期间发表的论文6 2 v 功能转换的制冷机。从制冷原理的角度来看，热泵是一种依靠热介质的不断循环工作， 以消耗适量的高品位能量( 如煤、燃气、油、电能等) 为代价，将低品位( 如空气、土 壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等) 的能量转移到需要能量的建筑物，以满足 人们生活、生产需要的一种供暖和制冷的技术。 地源热泵是以大地为热源和热汇，通过埋入地下的换热器进行冷热交换，实现建 筑空调和热水供应等目的。与空气源相比，地热源温度较为恒定，可以分别在夏冬两季 提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。在冬季，地源热泵将大地中的低位热能提 高向建筑供暖，同时蓄存冷量以备夏用；夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建 筑进行降温，同时蓄存热量以备冬用。夏热冬冷、供冷和供暖天数大致相当的地区，其 冷暖负荷基本相同，用同一系统，可以充分发挥地下蓄能的作用。此外，地源热泵还可 与太阳能联用以改善冬季运行条件。 图1 1 地源热泵系统示意图 f i gl - ls k e t c hm a po f g s h p s l 佛 广西大掌硕士掌位论文富水土壤地源热泵特性研究 地源热泵主要由四个部件组成：即压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀，其中压缩机 是地源热泵的最主要部件，是热传导的动力源，冷凝器和蒸发器器是地源热泵吸热和放 热的部件，节流阀是地源热泵的控制部件。图1 1 为地源热泵的系统示意图。 地源热泵系统l l 】由地上部分和地下部分组成。地上部分包括热泵机组和风道系统或 风机盘管系统，与传统空调系统相似。地下部分是地热能热交换部分，一般有封闭循环 系统和开放式循环系统二种形式。图2 为地源热泵系统地下部分的示意图。 水平埋管 螺纹盘管 ( a ) 土壤埋管式系统( 闭路系统) 地衰水系统 ( b ) 水源式系统( 开路系统) 图1 2 为地源热泵系统地下部分的示意图 f i gl 一2f o 咖o f 黟o u n dh e a te x c h 锄g e r 地下部分是地源热泵工作性能的关键，它直接制约着地源热泵系统供热或制冷效 率的高与低。目前常用的地下系统有三种： ( 1 ) 封闭循环系统( 详见图1 2 a ) ：它是近年来国际流行的地下系统类型，也是最 为安全、对环境破坏最小和使用寿命最长的地下系统。其工作原理是：利用地壳浅层的 恒温特性，在冬季采暖时，低温地热加热人工注入的采热媒体( 一般为水或水和防冻液 的混合物) ，经过地源热泵释放能量，再循环注入地下加温；在夏季制冷时，地上循环 系统将建筑物内的热量经过地源热泵交换到地下循环系统中，通过封闭循环将热传至地 壳内。根据建筑物周围的环境可分为三种不同的设计：当建筑物周围相对空旷时，可 以采取直线型或螺旋状水平埋设的方案。这种方法适用于冬季温度不低于零下1 0 的地 2 广西大学硕士学位论文 富水土壤地源热泵特性研究 区，埋设的深度至少应当超过当地冬季的冻土层；当建筑物周围有较大的地表水体时， 可以采用水体底部平铺方式，水体与建筑物之间的管线埋设于地下；垂直钻孔埋设法： 一般采用1 0 0 1 5 0 m m 的孔径，孔深为2 0 3 0 0 m ，钻孔的间隔不小于5 m ；钻孔深度达2 0 0 m 以上者，孔与孔的距离应保持在1 5 m 。地下管线采用高密度的聚乙烯或聚丁烯材料，口 径为2 5 3 5 m m ，井中埋设方式为u 型埋管，填料一般采用与地层岩石成分相近的材料( 膨 润土、水泥或硅砂) 。 ( 2 ) 开放式循环系统( 详见图1 - 2 b ) ：它是2 0 世纪8 0 年代较为普遍的地源热泵地 下系统。这种系统直接利用地下水的恒温特性，采用“抽水一回灌 的循环过程来提取 或释放热量，达到采暖与制冷目的。由于这种方式可能导致一些环境问题，近年来使用 得越来越少了；但开放系统的钻井工程量小，故在一些地下水丰富的地区仍可以使用。 应用开放式系统时应注意：地下水的矿化度偏高( 4 0 0 0m g l ) 会影响地源热泵的寿命； 水量偏小则不能提供足够的热量或冷量；必须将抽取的地下水回灌到相同的含水层 以免导致环境问题。在地下水丰富的地区，还可以采用“双井技术”，即一口深井和一 口浅井的交替使用技术；采暖时从深井( 水温较高) 中抽水而在浅井中回灌，制冷时则相 反。 ( 3 ) 混合系统：它是地下系统的高级技术，可以广泛应用于既要采暖又要制冷的 大型建筑物，如大型的自选商场、医院等。在对这类建筑物应用地源热泵系统时，混合 型地下系统可以充分利用采暖过程的副产品( 冷能) 和制冷过程的副产品( 热能) ，既节省 电力，又解决了环境问题。 目前常用的地上系统有风机盘管系统、地板式采暖系统、混合散热系统和中央空 调系统，其采用形式与传统空调系统相似。 1 2 地源热泵的运行原理 闭式环路地源热泵系统在工作中有三个必需的环路，有的还有第四个可供选择的 环路( 图1 3 ) 。如图所示：l 、地下换热器环路：水或防冻剂溶液在地下埋管内循环与 土壤进行换热的封闭加压环路；2 、制冷剂环路：原理与传统空调制冷原理相同；3 、室 内环路：空气分布系统( 或是水系统环路) ；4 、生活热水环路：一个可选的利用过热蒸 汽预热生活热水的环路。 这些环路的不同运行方向即构成了冬夏两大循环：制热循环和制冷循环。 3 图l - 3 地源热泵运行原理图一制热模式 f i g1 - 3r u n n i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo fg s h p ( h e a t i n g ) 在空气环路中，较高温度的室外新风或空调回风进入蒸发器( 空气- n 冷剂换热 器) ，被低温低压的制冷剂所冷却，将热量传递给制冷剂后，通过空气分布系统，分配 到建筑物的各个区域，从而降低了建筑物的温度。 在制冷剂环路中，被蒸发的制冷剂进入压缩机中，被压缩为高温高压的蒸汽，这些 汽态制冷剂就携带着从空气环路中吸收的热量和压缩机消耗的电能一起进入水一制冷 剂换热器，被从地下环路回来的循环水吸取热量后，自身被冷凝为液态。然后经过节流 装置，压力降低，温度也相应降低，低压低温的制冷剂液体流入蒸发器( 空气一制冷剂 换热器) ，再次被来自空气环路的热量蒸发，从而使循环继续进行。 在地下换热器环路中，从水- , 0 冷剂换热器回来的水或防冻液通过循环管道被土壤 所冷却，即将在换热器内吸收的热量释放到土壤中。 在供热循环中，热量的流动方向是将土壤中储存的热能，连同系统循环泵、压缩机、 风机等消耗的电能一起传递到建筑物的空气中或生活热水中。因此在供热循环中，对于 地源热泵的制冷剂循环而言，相当于蒸发器的是水- , j j 冷剂换热器，即与地下换热器连 接的- t l f j ；相当于冷凝器的是空气- n 冷剂换热器，即与室内空气盘管相连的一侧。 在地下换热器环路中，从水- , j j 冷剂换热器回来的水或防冻液通过循环管道被较高 温度的土壤所加热，吸取了土壤中的热量。这些热量被带回到水一制冷剂换热器，制冷 剂在水一制冷剂换热器中蒸发，则吸取了这些热量。 4 广西大学硕士学位论文富水土壤地源热泵特性研究 在制冷剂环路中，被蒸发的制冷剂进入压缩机中，被压缩为高温高压的蒸汽，这些 汽态制冷剂就携带着从土壤中传递来的热量和压缩机消耗的电能一起进入空气( 或水) 一制冷剂换热器，破从建筑物回来的空气或室外新风( 系统水) 吸取热量后，自身被冷 凝为液态。然后经过节流装置，压力降低，温度也相应降低，低压低温的制冷剂液体流 入蒸发器( 水一制冷剂换热器) ，再次被来自地下环路的热量蒸发，从而使循环继续进 行。 在室内环路中，室外新风或空调回风进入冷凝器( 空气一制冷剂换热器) ，吸取了 高温高压的制冷剂所携带的热量后，通过空气分布系统，分配到建筑物的各个区域，从 而提高了建筑物的温度 1 3 地源热泵的特性 地源热泵的优点十分明显，概括起来主要有以下几个方面【2 】。 ( 1 ) 机组性能系数高，节能效果好。与目前使用较为广泛的空气源热泵相比，地 源热泵的节能效果非常明显。传统的空气源热泵系统，工质为空气，换热性能较差，夏 天空气温度过高，不利于冷凝器向空气放热；而冬天气温过低，不利于蒸发器从空气中吸 收热量。同时，昼夜气温较大幅度的变化也特别不利于热泵系统的高效、稳定运行。而 地源热泵系统工质为流体( 相同体积流量水的热容是空气的3 5 0 0 倍) 【3 】，换热性能好， 而且通常情况下，由于地下温度比较恒定，地源热泵系统可以不受气温变化而稳定的运 行。 表1 1 地源热泵与传统空调供热和制冷性能系数对比 t a b l el lc o m p a r eg s h pa n dc o m m o na i r - c o n d i t i o ni ne f f i c i e n c y 供热性能系数c o p 制冷性能系数 所在城市 地源热泵的地下换热方式 地源热泵传统空调地源热泵传统空调 弧特兰大 垂直埋管( 2 4 0 r ) 3 0 61 8 93 1 12 3 5 华盛顿 垂直埋管( 2 0 0 r ) 2 9 61 8 43 1 62 3 2 匹兹堡 垂直 l ! 管( 2 8 0 f t ) 2 8 31 9 73 4 92 2 8 西哑图 垂直埋管( 7 0 f t ) 2 5 91 9 23 0 92 4 2 路易维尔 垂直埋管( 2 5 0 f i ) 2 9 01 8 32 9 32 3 3 休斯顿 垂直埋管( 4 0 0 f t ) 3 1 l1 9 7 广西大学硕士掌位论文 t r 水土壤地源热泵特性研究 注：1 、c o p ( c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e 性能系数) = e f f e c t i v ep o w e ro u tp u t ( 有效输出功 率) e f f e c t i v ep o w e ri np u t ( 有效输入功率) h 1 2 、英尺( f t ) = 0 3 0 5 ( m ) 5 1 上表为实际运行中的地源热泵系统和传统空调系统供热和制冷性能系数的对比情 况，从表中可以看出地源热泵的性能系数比传统空调的性能系数大将近3 0 - 5 0 。目 前，设计合理的地源热泵运行稳定后的性能系数一般大于3 5 4 4 ，而传统空气源空调系 统的性能系数一般为2 6 左右【6 】 ( 2 ) 利用可再生能源，保护环境。地源热泵利用的能量是地表浅层蓄存的太阳辐 射能，是一种可再生能源。夏季热泵将室内多余的热量释放给地下岩层蓄存起来，冬季 再将其从地下抽取出来送到室内。且仅采用电力这种清洁能源，没有燃油、燃煤污染； 没有排烟、没有废弃物；不消耗水资源，不污染地下物质；又排除了噪音的污染，是一种 理想的“绿色技术 ，符合当前的可持续发展要求。 ( 3 ) 系统简单、美化环境。地源热泵系统的换热器置于地下，不受建筑物限制， 不需要冷却塔等地上设备，减少了建筑的空间占用，美化了环境。特别是对于我国北方 大部分缺水地区，可以避免由于冷却塔蒸发量较大而需要补充大量冷却用水的不利因 素。 ( 4 ) 节能效果好、运行费用( 包括能耗费用和维护费用) 低。地源热泵的热源( 大地) 较传统空调系统的热源( 空气) 具有明显优势；在夏季制冷时，大地较空气的温度低，这样 有利于将热量排出室外；在冬季供热时，大地又较空气的温度高，这样又有利于将热量 泵入室内；而且大地的换热性能要远远优于空气。另外地源热泵的地下换热器无需除霜， 和空气源热泵系统相比能减少大约1 3 的除霜能耗。在商业应用中，使用地源热泵的年 均节能一般达到1 7 7 1 ；住宅应用中的能耗则减少3 2 4 1 8 j 。 表1 2 地源热泵与其它类型空调系统年平均维护费用比较【9 1 t a b l e1 - 2c o m p a r eg s h pa n dc o m m o na i r - c o n d i t i o ni na v e r a g ec h a r g eo fm a i n t e n a n c e 设备类型建筑数量平均年限平均费用最低费用中位费用 最高费用 ( 万元)( 万元)( 万元)( 万元) 地源热泵 2 55 02 0 9 50 5 88 3 73 8 0 8 封装式空气热泵 l o1 5 13 3 0 01 1 0 02 8 4 06 2 0 0 分体式空气热泵 62 3 72 6 4 09 6 02 5 7 04 9 3 0 往复式制冷机 7 62 2 22 8 8 05 9 02 3 5 01 4 0 3 0 6 广。园r 大学硕士学位论文富水土壤地源热泵特性研究 离心式制冷机 2 0 72 0 73 6 3 01 6 02 6 1 02 6 6 0 0 吸收式制冷机 2 72 9 35 2 2 06 2 04 8 4 01 3 6 2 0 表1 2 为北美洲地区的地源热泵与其它类型空调系统年平均维护费用比较，从表的 比较可以看出，地源热泵比传统的最具优势的空调系统的年均维护费用还低2 0 6 。若 将地源热泵在能耗方面节约费用按1 7 计算，则地源热泵平均可比传统空调系统降低运 行费用近4 0 。 当然，地源热泵也存在着一些不足之处：其中最主要的不足之处是初投资较大。 地源热泵的初投资不仅包括传统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋地 盘管投资、埋地盘管附设投资以及购买敷设盘管所需土地的使用权或所有权的投资；另 一个不足之处是地源热泵技术还不是十分完善；地下换热器的传热模型仍不能很好的反 映真实传热过程；地下换热器与热泵装置的最佳匹配问题：以及由于各地的地质结构相 差很大，所造成的埋地盘管与土壤间的换热系数也相差很大问题。不过，地源热泵不足 之处目前已得到部分解决：如混合型地源热泵系统即较好地解决了初投资高和埋地盘管 长度设计困难等问题；对于地质不好需要打桩的地区，可以将地下换热器垂直管道埋置 于桩中【i o l ，形成“能源桩”来节约部分的初投资。总之，只要扬长避短、正确定位，地 源热泵系统还是有很大的发展空间。 1 1 4 地源热泵的发展历史及应用前景 “地源热泵”的概念最早出现瑞土，其技术的提出始于英、美两国。大约在2 0 世 纪5 0 年代初，美、英开始研究采用地下盘管作为热源的家庭用热泵1 1 1 1 ；2 0 世纪7 0 年 代，石油危机把人们的注意力集中到了节能、高效益用能上，地源热泵的研究进人了高 潮；2 0 世纪8 0 年代初，欧洲先后召开了5 次大型的地源热泵专题国际学术会议，美国 在能源部的直接资助下开展了大规模的研究，为地源热泵的推广起到了重要的作用2 1 ； 到了9 0 年代，计算机的发展又给地源热泵的计算和设计带来了极大的便利，人们对地 源热泵的应用及理论和实验研究得到大量的实际运行经验和计算机模拟，逐渐形成一整 套成型的设计方法和一系列确定地下换热器尺寸的软件。 目前，美国已安装了4 0 万台以上的地源热泵系统，并以每年1 0 的速度增长。至2 0 0 0 年，美国利用地源热泵采暖节能费用达4 2 亿美元【1 3 】。据1 9 9 9 年的统计，欧洲的一些国 家在家用的供热装置中地源热泵所占比例如下：瑞土为9 6 、奥地利为3 8 、丹麦为2 7 。 7 广西大学硕士掌位论文富水土壤地源热泵特性研究 我国地源热泵技术的研究始于上世纪8 0 年代【l4 1 。1 9 8 8 年中科院广州能源研究所主 办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会 。1 9 9 7 年，中国科技部与美国能源部签 署了中美地热开发利用的合作协议书。2 0 0 0 牛山东建筑工程学院成立地源热泵研究 所，这是我国首个以地源热泵技术为研究目标的科研机构。2 0 0 0 4 年，北京工业大学地 热供暖示范工程通过验收。2 0 0 5 年，建设部将地源热泵技术列为建筑业十项新技术，有 关方面正在制定相关政策，推动地源热泵技术的普及和发展。 我国地域宽阔，蕴藏着丰富的地表浅层地能资源( 通常小于4 0 0 m 深) 【l 卯。因地制宜 地采用不同形式的地源热泵技术，有效地提高低温的地热资源，同时克服传统热泵空调 技术中的局限与不足，是非常有意义和具有实用价值的。由于地源热泵本身的优越性， 以及人们对环保、节能意识的日益重视，地源热泵在我国必将有着广阔的发展前景。 1 2 国内、外研究现状 “地热源热泵 的概念最早出现在1 9 1 2 年瑞士的一份专利文献中n 6 1 。二十世纪五 十年代欧洲和美国开始了研究利用地热源热泵( g s h p ) 的第一次高潮，但由于当时的能源 价格低，地源热泵系统并不经济，因而未得到推广。二十世纪七十年代，石油危机把人 们的注意力集中到节能，高效益节能时，地热源热泵的研究进入又一次高潮。如今国外 在地源热泵技术的应用方面己趋于产业化，热泵技术也已趋于成熟。 1 2 1 地源热泵传热模型的研究 目前，国外对土壤源热泵的研究仍集中在地下换热器的传热性能上。地下换热器 的设计、计算模型约3 0 多种，对所有模型的建立，关键是求解岩土温度场的动态变化，其 基本模型有3 种。( 1 ) 1 9 4 8 年，lr i n g e r s o l l 提出线热源模型1 7 1 。线热源模型是将埋地 盘管的中心轴线视为线热源，按辐射状以定热流量向周围传热。线热源模型适用于埋地 盘管管径较小且长时间运行的土壤源热泵系统。1 9 8 3 年，b n l ( br o o k e nn a t i o n a ll a b ， b r o o k e n 国家实验室) 对线热源模型进行修正，并将埋地盘管周围的岩土划分为二个区 ( 严格区和自由区) t 8 j 。( 2 ) 1 9 4 8 年，c a r s l a w 和j a e g e r 首次提出圆柱热源模型，后来 在1 9 5 4 年将圆柱热源模型引入地源热泵系统的研究，包括定壁温和定热流量二种模型 i 嘲。1 9 8 4 、1 9 9 1 、1 9 9 7 年，k a v a n a n g h 曾多次对该模型进行修正，最终发展成a s h r a e 8 广西大掌硕士学位论文 ( a m e r i c a ns o c i e t yo fh e a t i n gr e f r i g e r a t i n ga n da i rc o n d i t i o n i n ge n g i n e e r s ，美国采暖、制 冷与空调工程师学会) 一个地源热泵技术手册的理论基础。( 3 ) 1 9 8 6 年，vc m e i 提出 了三维瞬态迂边界传热模型，该模型建立在能量平衡基础上，区别于线热源模型i l9 1 。 利用解析求解的方法求解垂直u 型盘管周围岩土温度场，但只限于有限的岩土类 型，由于u 型盘管两管间热负荷不对称性和岩土的非均匀性，只有常物性无限体积下的 一维解析解，而没有闭合的二维和三维解析解。1 9 9 5 年，yg u 等人【2 0 】在回填材料和岩 土界面加上了一系列解除条件，将圆柱热源射线性解析解推广到非均匀空间，求得了由 回填材料和岩土材料不同引起的侧面非均匀近似解。1 9 9 8 年，yg u 等人【2 1 】利用等效直 径概念，解决了传热的非均匀性问题。 对于有渗流的传热模型的研究，国外的研究也仅仅处于初期阶段。在已知的少量文 献中，国外有e s k i l s o n t 冽等给出了移动线热源问题的稳态解析解： 乙+ 等浏- n 州铷 m ) 讨论了渗流达到稳定状态以后对土壤换热器的影响；c k 雒s o n l 2 3 】等利用有限元法模 拟求解了二维的渗流问题，初步明确了渗流对换热效果具有的重要影响，虽然模拟的结 果有很大的局限性，其假设过于理想化，但还是定性的得出：渗流对土壤换热器的换热 效果具有很大影响，如不考虑渗流，就会使得设计过于保守。 国内，1 9 8 9 年青岛建筑工程学院建立了国内第1 个土壤源热泵系统的试验台，高祖 锟教授对北方地区利用水平盘管地下换热器的土壤源热泵系统用于冬季供暖进行了一 些研究，并对水平盘管地下换热器的地下温度场分布进行了数字化模拟，得出了单位长 度埋地盘管的负荷指标【1 刀。刘宪英等人从1 9 9 9 年开始，在国家自然科学基金的资助下， 进行了浅埋垂直盘管地下换热器和水平盘管地下换热器的特性研究，采用系统能量平衡 结合传热方程，建立了垂直套管管群换热器传热模型，并模拟了过渡季节大地的温度场 1 4 9 1 1 5 4 1 。2 0 0 2 年，于立强掣2 4 1 建立地下u 型垂直埋管周围土壤非稳态温度场的物理数学模 型，用有限单元法求解模拟土壤温度场。北京工业大学马重芳和唐志伟【2 5 。2 8 】等人通过实验 和理论研究，整理的出了地源热泵系统地中集热器的完整施工工艺，并建立了地源热泵 u 型管地下换热器的准三维模型。2 0 0 2 年，赵军1 2 9 】等通过室内模拟实验台对具有确定参 数的饱和型多孔介质层进行了传热特性实验研究，在此基础上建立了饱和型多孔介质层 的理论模型。在进行了合理假设控制方程，无量纲化以及确定边界条件后，重点针对外 进内出流体循环方式的套管式换热器进行了计算，在与室内模拟实验结果进行了比较分 广西大学硕士学位论文富水土壤地源热泵特性研究 析后，可以确定所建立的理论模型能在更广泛的多孔介质参数范围内预测传热规律。 2 0 0 6 年，赵军等【3 4 】针对u 型管土壤换热器的传热特点，考虑了两管脚之间的相互影响， 建立起非稳态三维传热模型，采用数值解法对改理论模型进行了求解。 山东建筑工程学院方肇洪、刁乃仁等从2 0 0 3 年起就陆续发表关于有均匀渗流是线 热源模型的相关文章1 3 1 。3 6 】。根据多孔介质中有渗流时的能量方程，解析求解得n t 有均 匀渗流时线热源引起的二维温度响应，同时分析各影响因素之间的关系。得到如下的结 论：在无渗流时，温度场在极坐标系中是一维的，由于渗流的影响，温度场不再保持中 心对称，而变成为二维的。在时间无限长时，无渗流引起的过余温度趋于无穷大，有渗 流引起的过余温度趋于稳定；在渗流上游侧，过余温度减小，渗流速度越大，温升的减 小越明显。在渗流下游侧，渗流对过余温度的影响可分为两个不同阶段：在较短时间内， 渗流使过余温度大于无渗流时；在较长时间后，渗流使过余温度又低于无渗流情况，且 速度越大效应越显著。渗流速度越大，温度场越快地达到稳定，而且稳定时过余温度越 低。 马最良、范蕊在2 0 0 6 年发表了其研究的成剁3 刀，采用整体求解的方法求得管内流 体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解。分析了地下水渗流对传热过程的影响。 得到了如下的结论：无渗流时的土壤温度场基本上是以中心对称的，由于渗流作用，有渗 流的土壤温度场产生了变形。由于地下水渗流的存在，使得土壤恢复能力增强，因而在制 冷过程中，有渗流时土壤换热器日平均出水温度较低，并且每天盘管逐时出水温升值也 较小。渗流有利于释放冷凝热，有利于土壤耦合热泵系统的稳定运行。其原因也是由于 地下水流动增强了地下埋管换热器的传热能力以及土壤的恢复能力。渗流速度越大土壤 换热器的换热能力越强，达到稳定的时间越短。在有渗流情况下，在岩土热物参数中影 响土壤换热器换热效果的决定性因素并不某一个参数，而是各个参数的综合。 1 2 2 地源热泵的试验研究 文献m 1 通过工程实例表明，在实际埋管长度为1 6 0 0 m ，采用1 6 口l o o m 深、直径 为1 5 0 2 0 0 m m 之间不等的井，当外界温度最低达到零下3 0 以下时，室内温度稳定 在1 5 2 0 ，c o p 值平均为3 1 ，c 0 2 的减少量为3 0 t ，s 0 2 的减少量为1 5 t ，从节能、 环保的角度都能显示地源热泵技术的优越性。文献刚利用所建立的低品位能热泵试验 台，进行了太阳能一土壤热源热泵交替供暖运行实验研究，测得其总体平均供热系数为 1 0 广西大掌硕士学位论文r 水土壤地源热泵特性研究 2 7 8 。周亚素等在文献h 们中分析了热泵机组各部件参数之间的相互关系和运行特征，建 立了可快速准确地模拟热泵机组动态过程的数学模型，并对土壤源热泵系统性能进行了 数值模拟。文献n 妇对几种回填材料进行了研究，指出水泥和沙子的混合比单纯使用水泥 或使用膨润土有更好的性能。d r o w n 和d e nb r a v e n 对土壤条件以及土壤的热传导率对土 壤蓄热热泵系统的影响进行了几个季节的监测，发现土壤热传导率增加l w m k ，热泵储 热运行时间减少7 8 h 铂。d e n g 和f e d l e r 对多层土质的土壤中采用垂直地热交换器进行 了测试，采用二维非稳态传热模型仿真土壤温度分布，发现不同的土质层热传导率是不 连续的，粗沙层和细沙层的传热效率比粘土分别高出6 2 和2 7 5 h 射。文献 4 4 研究了地 热换热器u 型埋管的传热模型及热阻计算。赵军等对地源热泵的套管式地下换热器进行 了传热研究h 钔。丁力行等对土壤源热泵垂直单埋管换热性能影响因素进行了研究，得到 盘管物理特性与换热性能之间的内在联系，并利用数值计算方法得到供工程设计参考的 优化设计数据m 1 。h u g h e spj 指出，当供冷负荷较大时，制冷所需的埋地盘管长度要 远大于加热所需的盘管长度，为降低初投资可用冷却塔代替一部分埋地盘管，即混合型 地源热泵系统“刀。文献h 8 1 结合实际用户建立垂直螺旋盘管地源热泵实验系统，在供暖制 冷工况下测量地下盘管的进出水温度，盘管从地下的取热量、排热量，从而分析系统性 能、供热、制冷系数。文献 4 9 采用了埋深l o m 的套管式换热器5 排1 5 根埋管，埋管 间距1 5 为m ，孔洞与套管之间的缝隙用钻孔回收的岩浆回填。为了研究水平埋管换热 器和冷暖地板的性能，还安装了3 m 4 m ，深2 m 、1 m 的两层水平蛇形管。冬季运行 测试结果表明，保持室温1 7 2 2 情况下，其供热性能系数唧= 3 0 5 ，单位埋深换热 量q ，= 3 8 9 5 w m 。夏季连续运行，保持室温2 1 2 7 情况下，其制冷能效比e e r = 3 4 6 ， 单位埋深换热量q ，= 4 5 3 w m 。系统水流量是影响g ，大小的重要因素，通过变水量测 试，得到了该系统每组管流量6 0 0 l h 左右时为最佳流量，在此流量下，热泵系统性能 系数及g ，值为最大。 但目前针对亚热带气候，对以供冷为主地源热泵空调系统的试验研究还没有。对 于亚热带富水地区来讲，一年有一半以上天数环境温度高于2 0 ，供热需求