（机械制造及其自动化专业论文）土壤换热器冷却塔耦合型地源热泵空调系统的研究.pdf

一1 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 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。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，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：了i ) 雨哆 2d 矿7 年尸月多多日 j 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： 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； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 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e i 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： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：呷矗夕导师签名：嘎嚷于矿7 年9 月2 9 日 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的研究 摘要 我国南方地处亚热带，雨水丰富，水源充足。丰富的水资源使得我国 南方大部分地域属于富水土壤，土壤的含水率极高，且地下水位较高，使 得土壤具有较高的热交换效率，为土壤热交换器闭式地源热泵系统应用提 供了得天独厚的条件。本文针对亚热带夏热冬暖地区夏季时间长及地下水 渗流速度快等特点，开展了土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统 的实验研究。此外，还开展了土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系 统的负荷匹配建模研究。主要内容包括： ( 1 ) 针对土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的冷热负荷匹 配问题，编制了土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统负荷匹配软 件，包括建筑物的冷负荷计算模块、建筑物的热负荷计算模块、冷却塔选 型模块及土壤换热器埋管长度的计算模块。 ( 2 ) 利用所设计的土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统负荷 匹配软件对本课题组自主实施的土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调 系统、广西南宁市第三中学学生公寓地源热泵热水系统、广西大学行健文 理学院学生宿舍热水一空调地源热泵系统及广西大学绿色能源与建筑节能 研究开发中心办公楼的地源热泵空调系统的埋管长度进行了验证，验证对 比结果说明，该负荷匹配模型最终计算出来的埋管长度值与实际工程施工 埋管长度值比较接近。 ( 3 ) 根据广西大学地源热泵课题组自主设计实施的土壤换热器一冷却 塔耦合型地源热泵空调系统，进行了冬夏两季土壤换热器一冷却塔耦合型 地源热泵空调系统的冬夏两季运行方式的实验研究，运用单因素方法，研 究了地埋管总深度、地埋管循环介质流量、空调冷冻水流量等因素对土壤 换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统运行性能的影响。研究结果表明： 夏季使用冷水机组匹配土壤换热器释热效果较好，系统能效比达3 6 ；冬季 采用地源热泵机组匹配土壤换热器采暖效果较佳，系统能效比达3 4 。因此， 夏热冬暖地区夏季制冷工况下冷水机组采用土壤换热器释热的运行方式较 合理；冬季采暖工况下地源热泵采用土壤换热器采暖较为合理。 ( 4 ) 针对夏热冬暖地区夏季时间长，冷负荷大，冬季时间短，采暖负 荷小的特点，采用土壤换热器与冷却塔耦合系统是较合理的系统匹配形式。 可减少土壤换热器投资和节省地埋管占用土地面积，并大致保持土壤释热 量与吸热量平衡。 关键词：地源热泵土壤换热器冷却塔运行特性能效比 i n v e s t i g a t i o nf o rg r o u n d s o u r c e a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mt h a ti n c o r p o r _ t es o i l h e a t - e x c h a n g e ra n dc o o l i n gt o w e r a b s t r a c t s o u t h e mc h i n ai sas u b t r o p i c a lz o n ew i t ha b u n d a n tr a i n f a l la n dw a t e r r e s o u r c e r i c hw a t e rr e s o u r c e si ns o u t hc h i n am a k e sm o s to ft h ea r e aa s w a t e r - r i c hs o i l ，h i g hs o i lm o i s t u r ec o n t e n ta n dh i g hg r o u n d w a t e rl e v e lh i g h w a t e rm a k e st h es o i lh a sah i g hh e a te x c h a n g ee f f i c i e n c ya n dp r o v i d e sau n i q u e c o n d i t i o nf o ra p p l i c a t i o no fs o i lh e a te x c h a n g e rc l o s e dg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p s y s t e m i nt h i sp a p e r , s o i lh e a te x c h a n g e r - c o o l i n gt o w e rc o u p l e dg r o u n ds o u r c e h e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi si n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt os u b t r o p i c a lh o t s u m m e ra n dw a r mw i n t e rz o n ew h i c hh a sa l o n gs u m m e rt i m e ，h i g h g r o u n d w a t e rf l o ws p e e d ，h i g ha v e r a g et e m p e r a t u r e sf o rs h a l l o ws o i la n dr i c h s h a l l o wg e o t h e r m a le n e r g yf e a t u r e s i na d d i t i o n ，d u et ol a c ko ft h e o r e t i c a l r e s e a r c ho ng r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi nh o ts u m m e ra n dw a r mw i n t e ro f s o u t hc h i n a ，t h es o i lh e a te x c h a n g e r - c o o l i n gt o w e rc o u p l e dg r o u n ds o u r c eh e a t p u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ml o a dm a t c h i n gr e s e a r c hi sp e r f o r m e d ，t h em a i n c o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) r a t i o n a l l ym a t c ht h eh o ta n dc o l dl o a do fs o i lh e a te x c h a n g e r - c o o l i n g t o w e rc o u p l e dg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n dp r o g r a m l o a dm a t c h i n gs o f t w a r ef o rs o i lh e a te x c h a n g e r - c o o l i n gt o w e rc o u p l e dg r o u n d s o u r c 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 m ，i n c l u d i n gb u i l d i n gc o o l i n gl o a d c a l c u l a t i o nm o d u l e ，b u i l d i n gh e a t l o a dc a l c u l a t i o nm o d u l e ，c o o l i n gt o w e r s i i i s e l e c t i o nm o d u l ea n ds o i lh e a te x c h a n g e rp i p el e n g t hc a l c u l a t i o nm o d u l e ( 2 ) h e a te x c h a n g e r sd e s i g n e df o rt h es o i lh e a te x c h a n g e r - c o o l i n gt o w e r c o u p l e dg r o u n d s o u r c eh e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ml o a dm a t c h i n g s o f t w a r ei sa d o p t e dt ov e r i f yt h es o i lh e a te x c h a n g e r c o o l i n gt o w e rc o u p l e d g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi m p l e m e n t e db yt h i sr e s e a r c h g r o u pi n d e p e n d e n t l y , v e r i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sl o a d m a t c h i n gm o d e lh a s ag o o d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ( 3 ) f o rh o ts u m m e r a n dw a r mw i n t e rr e g i o n sw h i c hh a sal o n gs u m m e rt i m e a n dr i c hw a t e rs o i l a d v a n t a g e ，t h er e s e a r c hg r o u pi n d e p e n d e n t l yd e s i g na n d i m p l e m e n tt h es o i lh e a te x c h a n g e ra n dc o o l i n gt o w e rc o u p l e dg r o u n ds o u r c e h e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，e x p e r i m e n t a ls e t u pa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s f o rs o i lh e a te x c h a n g e r - c o o l i n gt o w e rc o u p l e dg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma l s od e s c r i b e di nt h i sp a p e ga n ds i n g l e - f a c t o ra p p r o a c h i sa l s oa d o p t e d ，e f f e c tf o rt o t a lp i p ed e p t h ，p i p ec i r c u l a t i n gm e d i u mf l o wa n d a i r - c o n d i t i o n i n gc h i l l e dw a t e rf l o w r a t eo ns o i lh e a t d e v i c e c o o l i n gt o w e r c o u p l e dg r o u n d s o u r c e h e a t p u m p a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mo p e r a t i n g p e r f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e d ，r e a s o n a b l eo p e r a t i n g m o d ef o r s u b t r o p i c a l r e g i o n si nh o ts u m m e ra n dw a r mw i n t e rc o o l i n ga n dh e a t i n gs y s t e mi sp r o p o s e d f i n a l l y ( 4 ) c o o l i n gl o a do fh o ts u m m e ra n dw i n t e ra r e ai sm u c hl a r g e rt h a nt h e h e a tl o a d ，t h es o i l c o u p l e dh e a te x c h a n g e ra n dc o o l i n gt o w e rs y s t e ma d o p t e di sa m o r er e a s o n a b l es y s t e mm a t c h i n gf o r m ，w h i c hc a nr e d u c es o i lh e a te x c h a n g e r p i p ei n v e s t m e n t sa n ds a v ea r e ao c c u p i e db yt h ep i p e ，a n dm a i n t a i nb a l a n c eo f s o i lh e a tr e l e a s ea n dh e a ta b s o r p t i o n k e yw o r d s ：g r o u n ds o r c eh e a tp u m p ；h e a te x c h a n g e r s ；c o o l i n gt o w e r s r u n i n gc h a r i c t r i s t ；c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e i v 主要符号表 v 目录 第一章绪论1 1 1 地源热泵概述1 1 2 课题研究的背景和意义2 1 3 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵系统国内外研究现状3 1 3 1 地源热泵的国内外研究现状3 1 3 2 冷却塔的国i 彤 1 - 研究现状5 1 3 3 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵系统国内外研究现状6 1 4 课题来源8 1 5 本文研究主要内容8 第二章土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统冷热负荷匹配软件开发9 2 1 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统负荷计算及冷却塔选型9 2 1 1 空调系统冷负荷计算模块1 0 2 1 2 空调系统热负荷计算模块1 0 2 1 3 冷却塔的选型模块1 0 2 1 4 土壤换热器埋管长度的计算模块：1 2 2 1 5 土壤换热器一冷却塔地源热泵系统设计方法及运行策略1 3 2 2 负荷匹配软件模块1 5 2 2 1 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵系统负荷匹配计算流程图1 5 2 2 2 软件应用计算过程1 5 2 3 实际工程验证1 6 2 3 1 参数确定1 6 2 3 2 软件界面及应用结果分析1 9 2 4 本章小结2 5 第三章土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的实验研究2 6 3 1 研究内容2 6 v i 3 2 实验简介与方法2 7 3 2 1 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统装置介绍2 7 3 2 2 实验仪器及方案2 8 3 2 3 数据处理方法3 0 3 3 夏季供冷工况的运行特性分析3 2 3 3 1 土壤换热器释热时冷水机组运行特性分析3 2 3 3 2 冷却塔释热时冷水机组运行特性分析3 3 3 3 3 土壤换热器并联冷却塔释热时冷水机组运行特性分析3 5 3 3 4 热泵机组供冷运行特性分析3 7 3 4 冬季土壤热源采暖工况的特性分析4 0 3 4 1 地埋管循环介质的流量对系统的影响4 0 3 4 2 采暖工况下地埋管总深度对系统的影响4 3 3 4 3 环境温度对机组及系统能效比的影响4 4 3 5 本章小结4 4 第四章结论与展望4 6 4 1 结论4 6 4 2 展望4 7 参考文献。4 8 附录i 5 2 附录i i 。5 5 致谢5 7 攻读硕士学位期间发表的论文5 8 v i i 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调勇0 窿的研究 第一章绪论 1 1 地源热泵概述 “地源热泵”的概念最早出现在瑞士，英、美两国最先提出地源热泵技术。2 0 世纪 3 0 、4 0 年代，英国、美国等国已进入了热泵的研制开发阶段。二次世界大战后，美国许 多大公司同时发展了各种热泵，其中以小型热泵空调器发展最为迅速，出现了发展热泵 的高潮【l 】。在西欧各国，如比利时、法国、原联邦德国、瑞士等都致力于热泵的研究与 开发，主要与集中供热相结合，发展了一些单一供热的大型热泵，冷热两用的小型家用 和中型商用热泵却未能引起生产商和供电企业的兴趣与重视。1 9 7 3 年能源危机的出现， 地源热泵的发展迎来了另一次高潮【2 】。一些国家成立了如“欧洲热泵协会 和“d a c h 的机构来帮助用户、安装者和生产厂家。一些生产厂家开始为设计地源热泵编写软件， 尤其是地下换热器部分。与上世纪8 0 年代相比，现在的地源热泵用电脑控制，其自动 化程度较高，机组设计、安装简单方便；系统具有运行稳定、效率高、无污染等优势。 以利用可再生能源作为冷、热源的热泵系统，被称为是2 1 世纪的一项以节能和环 保为特征的最具有发展前途的空调技术，是国际空调和制冷行业的前沿课题之一【3 】。目 前，地源热泵技术在发达国家中已广泛使用。主要利用浅层地热资源、地下土壤埋管的 地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水【4 】。据统计，地源热泵在家用的供热 装置中所占比例，瑞士为9 6 ，奥地利为3 8 ，丹麦为2 7 。地源热泵技术在土耳其也 得到了广泛应用，其地能的应用约占世界总量的1 2 1 1 5 j 。1 9 9 8 年美国商业建筑中地源 热泵系统已占空调总量的1 9 ，其中在新建筑中占3 0 【6 。 我国在5 0 年代初期开始热泵的研究工作。由于当时我国能源价格的特殊性，以及 其他一些因素的影响，热泵推广较困难。1 9 8 0 年以后，越来越多的技术人员开始投身于 此项研究。青岛建筑工程学院对垂直埋管的地源热泵进行了实验研究，对u 型埋管周围 土壤温度场也进行了理论研究和实验测试，并于1 9 9 8 年建立起了聚乙烯管垂直埋管地 源热泵装置【7 】【8 】；重庆建筑大学建立了套管与单u 型管的垂直埋管实验平台，并实验对 比研究了套管和单u 型管的换热性能【9 】；同济大学也于1 9 9 9 年5 月建成了地源热泵实 验平台【1 0 1 1 。 。 最近几年该项技术成了国内建筑节能及暖通空调界的热门研究课题，并开始大量应 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的研究 用于工程实践，掀起了一股“地热空调”热潮。地下水地源热泵系统应用面积约占全部 市场份额的4 5 ，土壤源地源热泵系统约占3 5 ，地表水地源热泵系统约占2 0 t 1 2 1 。 随着地源热泵技术的逐渐成熟，各种复合型地源热泵节能技术也得到了快速发展，如地 源热泵与蓄能相结合技术与冷却塔辅助地源热泵技术。 1 2 课题研究的背景和意义 解决环境污染和能源危机问题是当今全人类的共同课题。在中国能源消耗中，建筑 耗能的比例相当高，据统计约占总能源的2 2 , - - , 2 6 1 1 3 】，中国传统的空调系统，北方一 般用燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方用自来水或空气为冷源的制冷机组解决夏季制冷 问题。根据近年统计，其中采暖、空调和通风能耗约占2 3 t 1 4 】。建设部提出，我国新建 建筑全面执行节能标准，建筑能耗减少5 0 。近年来，空调负荷增长迅速，炎夏季节多 数电网高峰负荷约有1 3 用于空调制冷，使许多地区用电高度紧张，拉闸限电频繁。 由于地源热泵具有高效节能、运行安全可靠、结构简单、对环境无污染以及使用范 围广泛等优点，同时地源热泵系统采用的是可再生的地热，因此被称为一项以节能和环 保为特征的2 1 世纪新技术【l5 1 。总的来说，地源热泵具有可再生能源利用形式、不受地 域、资源、季节、气候、日夜时段等限制、高效节能、美观环保、多功能、系统控制和 易管理、寿命长、效益显著等特点和优势。 在土壤源热泵的应用和研究过程中，人们逐渐发现：因为不同的地区存在着不同的 地理环境和气候条件，一旦运用不当，土壤源热泵的优势就未必能得到很好的发挥。比 如，在南方夏热冬暖地区，由于夏季时间过长，必然导致夏天的总冷负荷与冬天的总热 负荷不平衡。由此便产生了一个问题：如何在这样一些地区，通过什么样的方式让土壤 源热泵发挥其最大的功效，于是混合式土壤源热泵系统就应运而生。将土壤源热泵与其 它形式的吸热( 散热) 设备相结合，弥补了单独采用土壤源热泵在这些地区应用上的缺 陷，使其优越的性能得到很好的发挥。根据文献 1 6 可知，通过人为的合理的控制间歇 过程，可以提高或降低平衡稳定温度，使机组在理想的工况下运行，最大程度的发挥土 壤换热器的换热能力；另外在经济性方面，如在冷负荷大于热负荷的建筑内采用单一型 的土壤源热泵，势必要根据建筑的冷负荷来设计地埋管长度，这个长度肯定大于按建筑 热负荷设计的地埋管长度，如果此时选用冷却塔一土壤源混合型热泵，采用冷却塔和埋 管同时作为系统冷却源，这样会大大减少所需埋管长度，在冷却源投资方面也是较单一 2 广西大学硕士掌位论文土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的研究 型土壤源热泵少，这样，即可保证较好的系统运行特性，也获得了较好的经济性。因此， 在全年冷热负荷相差较大建筑中，如何合理的设计混合型土壤源热泵系统，并且选择合 理的运行策略，对于保证土壤源热泵系统在全年的节能运行是有必要的。 1 3 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵系统国内外研究现状 1 3 1 地源热泵的国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代初，土壤源热泵的研究逐渐活跃。在俄勒冈州的波兰特市区中心建 成第一台地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵研究的第一次高潮。在此期 间主要是对地源热泵进行了土壤源热泵运行的实验研究、土壤埋管换热的实验测试及埋 地盘管数学模型的建立的研究，同时也对埋管热流理论方面作过研究，为后来的研究提 供了理论与试验基础。 “能源危机”的出现促使欧美国家开始了对地源热泵的大规模研究。欧洲在8 0 年 代初先后召开了5 次大型的地源热泵专题国际学术会议。1 9 7 4 年起，瑞士、荷兰及瑞典 等国家政府资助的示范工程逐步建立起来，地源热泵生产技术逐步完善。瑞典在短短的 几年中共安装了1 0 0 0 多台( 套) 地源热泵装置，以用于冬季供暖；垂直埋管式地源热泵 技术在七十年代末引入，此后，各种型式的垂直埋管方式主要在瑞典、德国、瑞士和奥 地利等国得到应用。美国也在能源部的直接资助下由一些国家实验室和大学等研究机构 开展了大规模的研究，这一时期的主要工作是对地埋换热器的地下换热过程进行研究， 建立相应的数学模型并进行数值仿真。 9 0 年代以来，以土壤源为代表的地能利用热泵研究热点依然集中在地埋换热器的换 热机理、强化换热及热泵系统与地埋换热器匹配和安装布置技术等方面。研究者更多地 关注相互耦合的传热、传质，以便更好地模拟地埋换热器的真实换热状况，指导实际应 用；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，以强化埋管在土壤中的导热过程，从而 降低系统用于安装埋管的初投资，为进一步优化系统，开始研究有关地埋式换热器与热 泵装置的最佳匹配参数。如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视，结果发现土壤热传导率增加1 w m k ，热 泵储热运行时间减少7 8 ；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。他们采用了一个二维非稳态传热模型用于仿真土壤温度大致分布，这一模型 广西大学硕士学位论文土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调勇0 瓷的研究 忽略了土壤湿度的变化，假定土壤具有均匀一致的平均参数。在此期间，北美以s p i t l e r 教授为领队的研究小组对地源热泵进行了大量的研究，其研究成果反映在s p i t l e r 1 7 】、 cy a v u z t u r k 1 8 】等人的论文中。 国际最新研究动态表明，有关地埋式换热器的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最 佳匹配参数的研究都是土壤源热泵发展的核心技术课题，也是涉及多个基础学科领域且 极具挑战性的研究工作。 国内自9 0 年代以来，在国家自然科学基金等资助下，许多学者开始了对土壤传热 的探索性研究，加快了地源热泵的研究进程。多所高等院校建立了相应的实验研究系统， 并取得了一系列理论研究成果。尤其是近两年来，国内开始对一些实际工程进行实验研 究，并研究地埋管的换热模型、设计参数、换热性能及土壤温度场等。例如，广西大学 的仇君【l9 】等自主开发地源热泵空调系统可行性分析设计软件，采用实际常用的分析模 板，能方便快捷的计算出结果，有效地提高了设计者的工作效率；储国成1 2 0 1 等建立了地 源热泵不同运行模式的实验模型，并采用实验方法进行验证，将模拟的结果与实验测试 的数据进行比较，证明了模拟的实用性：朱汉宝【2 l 】等通过利用七口不同深度的试验钻孔， 采用热响应原理，做了数组热响应实验与恢复实验，分别详细分析了热响应实验初始运 行时间、u 型管内循环水流速，埋孔深度与埋孔内的回填土等因素对u 型管埋地换热器 传热性能的影响程度，研究结果表明，u 型管内循环水的流速设计在o 8 m s - 1 2m s 之 间比较恰当；6 0 m - l o o m 深的钻孔比较适宜，需选择导热系数与土壤导热系数相匹配的 回填土；重庆大学的何媛媛【2 2 】等将u 型垂直埋管地源热泵系统的稳态温度场分布归结 为不同深度地层中分片常系数不连续介质的混合边值问题，应用基于边界元的非重叠区 域分解法把区域分解成2 个子区域进行并行计算，并进一步分析了不同土壤物性和不同 回填材料对土壤温度分布的影响；重庆陈曾建筑工程设计事务所的黄忠【2 3 j 提出了一种地 源热泵地下埋管换热性能测试装置及测试方法，并对该装置的用途进行分析讨论。 华中科技大学的江章宁【2 4 】等对武汉市清江花园小区的地源热泵空调系统2 0 0 7 2 0 0 8 年度冬季的运行情况进行了测试，计算结果表明，在夏热冬冷地区使用地埋管地源热泵 系统节能效果显著；胡平放【2 5 】等建立了地埋管地源热泵试验装置，同时开发了地下土壤 热物性测试装置，可以用来测试地源热泵夏、冬季运行工况的换热量。该试验装置的设 计考虑了埋管类型、间距、井深、回填材料等因素的不同配置；江苏工业学院的付文彪 2 6 】等，以单口地埋井为实验对象进行热响应实验，通过改变换热器内介质的流速及进口 温度，得到单位管长换热量，为地埋井深度的设计提供参考；河北工业大学王华军鲫 4 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的研究 等以双u 形埋管换热器为例，进行了三个不同季节的地下热响应实验，实验结果表明， 在地埋管换热器地下响应实验中存在着季节效应；天津城市建设学院能源与建筑工程系 的王泽生【2 8 】等运用二维稳态导热模型对地源热泵夏季间歇运行模式地埋管换热器的换 热特征进行数值模拟，分析了间歇运行模式对地埋管换热器性能的影响。分析结果表明， 在总运行时间相同的条件下，开停同次数适当增加，可以有效改善地埋管换热器的性能； 他们还针对u 型地埋管、周围回填材料及土壤传热过程，建立了u 型管壁的边界换热 取为第三类对流换热条件的二维稳态传热模型，并对其温度分布进行了数值模拟分析 1 2 9 j 。结果表明，u 型埋管换热器管壁内对流换热热阻对u 型埋管换热器及周围土壤非 稳态传热过程的影响较小，但相互干扰造成进、出水管壁自身各角度的温度存在明显差 异；湖南大学的龚光彩【3 0 】提出了一种新型的地源换热器的设计思想，并通过对所设计的 换热器的模型进行试验得出其具有很好的换热效果，能充分利用浅层地源；郑红旗【3 l 】 等通过试验研究了两种不同回填材料对地埋管换热器的热响应性能、地源热泵运行对地 源温度场的作用，热响应测试发现回填材料黄沙+ 膨润土的传热力优于水泥桨+ 膨润土， 散热能力前者高于后者1 1 ；上海交通大学的余鑫，王如竹1 3 2 j 等针对上海闵行区档案馆 地源热泵系统冬夏负荷的不平衡问题，采用了热回收技术予以解决，模拟分析结果表明， 在条件允许时，应适当加大埋管深度，同时采用热回收技术不会影响机组运行性能，并 缓解土壤热堆积问题；武汉理工大学土木工程建筑学院的管昌生【3 3 】等基于地源热泵现有 的传热模型与设计方法，对地源热泵换热器随机影响因素进行了分析探讨，基于可靠性 理论提出了地源热泵换热器的可靠度分析方法与设计过程。 资料表明，我国近年来虽在地源热泵理论和应用技术方面投入了较多的研究力量， 但在高效土壤换热器的研制开发、热泵系统的合理匹配以及通用型的工程化应用技术等 方面一直没有突破。其主要原因是已开展的研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统 进行性能测试并与传统的空气源热泵性能进行技术经济比较，从而得出土壤源热泵节能 的一般性结论。 1 3 2 冷却塔的国内外研究现状 早在1 9 1 2 年，世界上第一个很简单的自然通风冷却塔，在荷兰的一个矿上建成使 用，但分析冷却塔传热的第一个成功者，是f 麦克尔( m e r k e l ) 【3 4 1 ，他把焓差作为传 热的推动力，给出了以焓差为参数的传热公式。他的公式当时引起了很多争议，并没有 立刻得到承认。后来，为了进行冷却塔的热力计算，麦克尔公式受到了重视。美国当时 5 广西大学硕士学位论文 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调勇。瓷的研究 使用的冷却塔，都采用机械通风。这就为计算造成了便利，塔的通风量除受阻力的影响 外，基本上都是已知的。战后，自然通风冷却塔在其它工业国家得到了发展。在进行自 然通风冷却塔的热力计算时，首先遇到的问题是塔的通风量怎么算，这关系到两个问题： 其一，计算塔抽力的有效高度怎么取；其二，塔的通风阻力怎么计算，尤其是塔中的雨 区阻力怎么计算。1 9 5 2 年，h 切尔顿( c h i l t o n ) 在文献【3 5 】中想绕过这两个问题，提 出了根据已搭建成塔的测试结果来设计相似新塔的方法。 根据b a k e r 及s h r y o c k 理论及其所建立的研究方程【3 6 】可知，冷却塔出口的水越接近 于进口空气的湿球温度，冷却塔的效果就越好。冷却塔作为空调冷却水系统中的设备， 其冷却性能直接影响到空调系统的效果。 我国自1 9 7 3 年从国外引进玻璃钢冷却塔后，至今已研制出第三代玻璃钢冷却塔， 其中逆流式冷却塔能够较准确地控制冷却水温、受环境影响小、风机使用效率高、线型 准确、外型美观，备受广大用户青睐。冷却塔广泛地应用于国民经济的许多部门，如电 力、石油、化工、钢铁和轻纺等，到1 9 9 7 年出现应用的冷却塔有1 7 0 多米高的大型自然 通风冷却塔；也有冷却几十吨水的小型玻璃钢冷却塔。近十几年来，随着我国工业的迅 速发展，冷却塔的发展非常快，小型冷却塔随处可见，但是，冷却塔的工艺设计理论作 为- - i q 新的学科还很年轻，还需进一步发展【3 1 7 1 。 当前，国内外冷却塔研究的方向是优化内部结构，减少阻力，提高冷却效率；改进 运行模式，降低运行费用；采取有效措施，提高冷却水的水质。随着我国经济的发展和 人民生活水平的提高，冷却水的用量将大大增加。由于水资源的限制，冷却水的循环使 用必将日益发展，为了使设计的冷却塔安全、经济、高效、实用，必须在不断总结生产 实践经验和科学实验的基础上，积极开发和采用先进技术。 1 3 3 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵系统国内外研究现状 h u g h e spj 指出，当供冷负荷较大时，制冷所需的埋管长度要远大于供热所需的埋 管长度，为降低初投资可用冷却塔代替一部分埋管，即混合型地源热泵系统【3 8 】。混合型 地源热泵系统主要包括地下埋管换热系统、热泵系统及辅助散热系统三个部分。其中， 辅助散热系统根据各地区的具体情况与需要来定。混合型地源热泵系统占地面积减少、 节省初投资、降低运行费用，且节能效果显著【3 9 1 。 进入上世纪9 0 年代后，由于各国对能源与环境问题的更加重视，进一步拓展混合 型地源热泵系统的应用地域范围，提高其工作效率，并针对以空调为主的建筑物，给出 6 广西大学硕士掌位论文土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调勇0 魄的研究 了设计补充散热装备大小的方法【删【4 l 】。1 9 9 6 年，g i b m a t h 用一个实例建筑作为分析对象， 提出了一些设计混合型地源热泵的建议，并试图通过对能耗、负荷需求及环路温度等的 测量来建立一个检测系统性能的方法1 4 2 1 。1 9 9 7 年，k a v 锄a u 曲与r a 侬r 哆指出：除了土 地的有限性、土地的成本及热泵效率等因素外，考虑采用混合系统的一个主要原因是地 下埋管费用太高，同时给出了设计辅助散热装置容量的方法【4 3 1 。1 9 9 8 年，l a i l a u 曲对 1 9 9 5 年a s h r a e 及1 9 9 7 年w a n a u 曲与r a f f e 啊提出的设计补充散热装置容量的方法 进行了修订，以平衡全年从土壤中的取放热量，从而避免地下土壤“热堆积 现象的发 生【4 4 1 。1 9 9 8 年，p h e r 印l a c e 与s u l l i y a n 对一个2 2 3 0 m 2 的军用基地安装的混合型地源热 泵系统连续2 2 个月运行性能的实测数据进行了分析，结果表明：释放到土壤中的热量 约为从土壤中吸收热量的4 3 倍，在整个运行期间，热泵的能耗占7 7 ，循环水泵、冷 却塔及冷却水泵能耗依次占1 9 、3 与1 1 4 5 。2 0 0 0 年，y a v u z t u r k 与s p i t l e r 针对一栋 小型办公建筑，采用短时间步长温度响应因子( g f u n c t i o n ) 埋地盘管模型m ，以t r n s y s 为模拟平台，用系统模拟的方法比较了各种控制策略的优缺点。s m p h e np 1 洳a i l a u 曲 对冷却塔与土壤源混合式热泵进行设计方面的研究和探讨【4 7 】；y a v u z t u r k 和k h a n 等人则 是在冷却塔与土壤源混合式热泵的不同设备组合方式和运行策略方面进行模拟比较分 析，并且这些方式已被很多工程所采用。 国外有关混合型地源热的进一步研究正在热烈展开中，而国内至今停留在理论和可 行性分析方面。 国内在地源热泵方面做了大量探索性的研究，取得了一定的成果，且有一部分工程 实例在投入使用当中。但是专门对于冷却塔与土壤源混合式热泵系统的使用很少。据文 献资料报道，宁波市鄞州区的科技中心综合楼即是采用冷却塔与土壤源混合式热泵系 统，全年单位面积空调运行费为4 4 1 元m 2 ，相对于直燃式溴化锂冷水机组系统全年节 省率达3 4 ，取得了不错的节能经济效应【4 引。华中科技大学袁旭东等对混合式土壤源热 泵的组成结构、应用方式及控制策略进行了分析与探讨【4 9 j 。华中科技大学环境科学与工 程学院的谢鹂、徐菱虹等【5 0 】以一栋办公建筑为实例，设计了冷却塔一地源热泵混合系统 并建立了以温差为参数的控制策略，并在此基础上从钻孔深度、孔间距、冷却塔容量几 个方面对该系统的优化做了简要的分析与探讨。范蕊，马最良等【5 l 】从实验的角度出发， 确定地下水渗流对竖直地下埋管换热器的影响，最终得出在夏热冬冷地区或者亚热带地 区应用土壤源时，宜采用冷却塔一土壤源热泵混合形式或将地下埋管设在地下水渗流速 度较大工区，以便土壤源热泵长期良好的运行。 7 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的研究 综上所述国内外研究状况，地源热泵的研究当前非常活跃，且日趋走向成熟；但在 冷却塔一土壤源耦合热泵系统方面的研究却相当少，目前还没有形成一套完整的理论体 系。且可应用的基础数据尚不足，还不能为其应用与推广提供充足的理论依据。但目前 已有的研究表明：冷却塔一土壤源热泵混合系统具有明显的节能与环保效果。我国南方 地区建筑物空调所需冷负荷大，热负荷小，夏季适合联合使用地源和冷却塔制冷，冬季 只使用地源来采暖，减少了土壤换热器装置的容量和尺寸，节省了投资。 1 4 课题来源 财政部、建设部可再生能源建筑应用示范项目，广西科技攻关项目，广西大学科学 技术研究重点基金资助项目( 2 0 0 4 z d 0 2 ) 。 1 5 本文研究主要内容 ( 1 ) 结合国内外研究情况，对土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统的冷 热负荷进行计算，并开发土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统冷热负荷匹配计 算软件。 ( 2 ) 合理匹配土壤换热器埋管长度与冷却塔选型的参数，在保证满足用户需求的 同时，选择合理的运行方式，提高系统的能效比，优化系统经济性。提出土壤换热器一 冷却塔耦合型地源热泵空调系统的设计方法及本课题组自主实施的土壤换热器一冷却 塔耦合型热泵空调系统最佳的运行策略。 ( 3 ) 利用所开发的土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统冷热负荷匹配软 件，结合夏热冬暖地区的气候特点及土壤参数，对广西大学地源热泵课题组实施的土壤 换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统和广西南宁市第三中学混合型地源热泵系统、 广西大学行健文理学院热水一空调地源热泵冷热联供系统及广西大学绿色能源与建筑节 能研究开发中心的地源热泵空调系统的埋管长度进行验证。 ( 4 ) 结合夏热冬暖地区气候特点及其富水土壤优势，对广西大学地源热泵课题组 实施的土壤换热器并联冷却塔耦合型的地源热泵空调系统，运用单因素的方法，并通过 实验研究地埋管总深度、地埋管冷冻水流量、空调冷冻水流量等对热泵系统运行特性的 影响，提出系统在不同工况下的合理运行方式。 8 - - i = j i l 换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调勇己统的研究 第二章土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统冷热 负荷匹配软件开发 2 1 土壤换热器一冷却塔耦合型地源热泵空调系统负荷计算及冷却塔选型 地源热泵系统的冷热负荷与建筑物的冷热负荷密切相关，所以在进行地源热泵系统 设计时，应该根据用户的冷负荷或热负荷进行设计。同时，一个优化设计的地源热泵系 统才可能提供舒适、安静的工作环境，而且能够保证初投资与运行费用相对较小。 山东建筑工程学院所开发的地热之星软件主要可以对己存在的地源热泵土壤换 热器系统进行模拟，模拟结果有每月循环液进入热泵的平均温度、每月循环液进出热泵 的最高( 或最低) 温度、热泵每月