（环境科学专业论文）地源热泵地下传热强化与控制模式的研究.pdf

扬州大学硕士学位论文 围土壤的可利用温差较大，换热得以加强。因此，在夏季工况下采用较高的进水 温度能有效的增大埋管换热器的换热量。 本文研究目的旨在探讨地埋管换热器换热性能的影响因素及其强化换热措 施，并为地源热泵系统的推广应用提供理论依据。 关键词：地源热泵；垂直u 型埋管；传热强化；控制模式；实验研究 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 s t u d vo nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n d c o n t r o lm o d ef o rg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p a bs t r a c t g r o u n ds o u r c l ：h e a tp u m p ( c s h e ) i sak i n do fh e a tp u m pt e c h n o l o g yt h a tr i s e s g r a d u a l l ya l o n g 诵t l l t h ee m e r g e n c eo fg l o b a le n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s t h es o i li ss e r v e da sah e a t c o l ds o u i c e h e a ta r et r a n s f e r r e db e t w e e ng r o u n dh e a t e x c h a n g e r sa n ds o i l s ，t h e np r o v i d e dw i t hh e a ta n dc o l de n e r g yf o rt h eb u i l d i n g sb yh e a t p u m p i ti so n l yas i m p l ep r o c e s so fe n e r g yt r a n s p o r tw h i l e i ti so fm u c ha d v a n t a g es u c h a sr e n e w a b l ec a p a c i t y , 晰d ea p p l i c a t i o nr a n g e ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h eh e a tp e r f o r m a n c eo fg r o u n dh e a te x c h a n g e ri sa i li m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c t s t h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fg s h ps y s t e m t h eh e a tt r a n s f e ro fg r o u i l dh e a te x c h a n g e ri s e n h a n c e db yc h a n g i n gb a c k f i l lm a t e r i a l sf o rr e d u c i n gt h et h e r m a lr e s i s t a n c eo f b o r e h o l e a n dc o n t r o l l i n gh e a tp u m po p e r a t i o nm o d ef o rd e l a y i n gt h es o i lt e m p e r a t u r er i s es p e e d t h es o i lt 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 eg r o u n dh e a te x c h a n g e rc a l ld 沁甜yr e f l e c t t h ei t st h e r m a lp r o p e r t i e s t h e r e f o r e ，i ti se x t r e m e l ys i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h et r a n s f e r p r o c e s sb e t w e e nt h es o i la n dt h eb u r i e dt u b e i nt h i st h e s i s ，t h es o i lt 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 eg r o u n dh e a te x c h a n g e ri s u s e da st h em a jo rr e s e a r c hc o n t e n t t h et w o - d i m e n s i o n a lu n s t e a d yh e a tt r a n s f e rm o d e l o fm m p e r a t u r ef i e l da r o u n du - t u b eg r o u n dh e a te x c h a n g e ri se s t a b l i s h e d t h em o d e li s d i s c r e d i t e d t h r o u g hf i n i t ev o l u m em e t h o da n ds i m u l a t e db ym a t l a b t h e r e s u l t ss h o w ： i ns u m m e rc o n d i t i o n , t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ed i s t r i b u t i o no fs o i lt e m p e r a t u r ef i e l d a r o u n dg r o u n dh e a te x c h a n g e ra r ec o n s i s t e n t 诵le x p e r i m e n td a t a t h em o d e li s v e r i f i e dc o r r e c t l y t h em o d e lt e s tb e di se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fs i m i l a r i t yt h e o r y t h r o u g ht h e e x p e r i m e n tt e s t o fh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r , t h e i n f l u e n c eo fs o m ef a c t o r si n c l u d i n gb a c k f i l lm a t e r i a l s ，d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d eo fh e a t i v 扬州大学硕士学位论文 p u m ps y s t e ma n dd i f f e r e n tu - p i p ei n l e tt e m p e r a t u r eo ns o i lt e m p e r a t u r ef i e l da r o u n d u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e ra n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h er e s u l t s s h o w ：i nt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n , t h ec h o i c eo fag o o dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f b a c k f i l lm a t e r i a lc a l lr e d u c et h et h e r m a lr e s i s t a n c ee f f e c t i v e l yb e t w e e nu n d e r g r o u n d p i p ea n dt h eb o r e h o l e ，t h u se n h a n c i n gt h eb e a tt r a n s f e rc a p a c i t yo fu n d e r g r o u n dp i p e t h eb e a tf l u xo fp e rm e t e ri su s e da st h ee v a l u a t i o ns t a n d a r da n dt h e nt h ee x p e r i m e n t d a t ai su s e dt oc o m p a r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r m i t t e n ta n dc o n t i n u o u so p e r a t i o n c o n d i t i o n t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o w ：t h eh e a te x c h a n g eo f1 ：1a n d2 ：1r a t i oo fo p e n p a r ku n d e ri n t e r m i t t e n to p e r a t i o nc o n d i t i o ni sr e s p e c t i v e l y7 8 a n d18 8 h i g h e rt h a n c o n t i n u o u sc o n d i t i o n ，s ot h er a t i oo fo p e ns p a r ki sc o n t r o l l e dp r o p e r l y , t h es o i l t e m p e r a t u r ec a ng e tab e t t e rr e c o v e r ya n dt h eu t i l i z a t i o no fg e o t h e r m a le n e r g yc a nb e i m p r o v e d i ti sh e l p f u lt ol o n g - t e r ma n de f f e c t i v eo p e r a t i o no fu n d e r g r o u n db e a t e x c h a n g e r i nt h es a m ef l o wc o n d i t i o n , t h ei n l e tt e m p e r a t u r ei ne x p e r i m e n ti sc h o s e n r e s p e c t i v e l y2 2 c ，3 0 。ca n d3 5 c t h eb e a tt r a n s f e ri n c r e a s e sf r o m5 6 6w mt o6 6 4 w mw h e nt h ef l u i di n l e tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf r o m2 2 t o3 5 ，t h ei n c r e a s e a m p l i t u d ei s 17 4 i ti sm a i n l yd u et ot h el a r g e ra v a i l a b l et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ei n l e tt e m p e r a t u r ea n dt h es o i la r o u n du - p i p e ，t h eb e a tt r a n s f e rc a nb e s t r e n g t h e n e d t h e r e f o r e ，t h eh i g h e ri n l e tt e m p e r a t u r ec a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s et h eh e a t f l u xo fu n d e r g r o u n de x c h a n g e ri ns u m m e rc o n d i t i o n t h et h e s i si si n t e n tt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c ef a c t o r so fh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e o fg r o u n dh e a te x c h a n g e ra n dt h em e a s u r e sf o rb e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，a n dp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fg s h ps y s t e m k e yw o r d s ：g r o u n d s o u r c eb e a tp u m p ；v e r t i c a lu - p i p e ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ； c o n t r o lm o d e ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 i x 符 五 土壤导热系数 w m 七 以 埋管管材导热系数 w m k 留 单位管长换热量 w m 瓦 土壤初始温度 a热扩散系数 m 2 厶 i 计算点到管中心的距离m 乞 埋管流体进出口平均温度 钻孔壁平均温度 埋管内循环流体进口温度 埋管内循环流体出口温度 乞土壤无穷远边界半径 m 第j 层土层的远边界半径肌 c o p系统性能系数 r 热阻纠w h钻孔深度耽 y 管内流体的速度n t $ 包 埋管的当量直径m n l i - i 幸 丐衣 , o l 埋管内循环流体密度 k g m 3 f系统运行时间s 如 进入控制容积的热流密度 叫聊3 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 第1 章绪论 1 1 课题背景 能源是人类社会发展的重要基础，是发展农业、工业、科学技术和提高人民 生活水平的重要的物质基础。能源开发利用的广度，是衡量一个国家的科学技术 和生产发展水平的主要标志之一【1 1 。但由于世界能源产地与能源消费中心相距较 远，特别是随着世界经济的发展，世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高， 世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重 和环保压力加大。近几年我国出现的“油荒、“煤荒和“电荒以及国际市场油价日 益攀高加重了人们对能源危机的担心。从长远来看，以化石原料为主要能源的经 济已经无法可持续发展，人们必须及早进行能源消费结构的转型，大力发展包括 太阳能、生物质能、地热能、风能等各种可再生能源，发展核能和开发利用氢能 及燃料电池，大力推行节能降耗技术。采取能源多元化和开源节流等多种措施， 实现能源的可持续发展，已成为全球的共识 2 1 。地源热泵系统正是在这样的背景下 发展壮大起来的。 2 0 0 9 年的哥本哈根会议上，我国承诺到2 0 2 0 年单位g d p 的二氧化碳排放量 将比2 0 0 5 年下降4 0 至4 5 ，通过大力发展可再生能源等行动，到2 0 2 0 年我国 非化石能源占一次能源消费的比重达到1 5 左右。这一具有挑战性的目标，表明 我国走“低碳发展道路的决心和信心。而我国人口众多，经济发展水平还比较低， 经济结构性矛盾仍然突出，能源结构以煤为主，能源需求还将继续增长，所以控 制温室气体排放面临巨大压力和特殊困难。以煤炭为主的能源结构，也使得我国 二氧化碳排放的总量的7 0 以上，都来自于煤炭的利用。除了工业能耗，建筑能 耗也是我国碳排放量较大的一个行业【3 】。据了解，目前我国4 0 0 亿平方米的建筑房 屋中，符合节能标准的仅有3 亿多平方米，还不到总面积的l ，推广绿色节能建 筑，成为发展低碳经济一个行之有效的策略。 在建筑能耗中，空调能耗占到了4 0 - - , 5 0 。从源头上着手，以更为清洁的能 源，来代替对化石能源的使用，可以大大减少空调的碳排放量。传统的电空调以 2 扬州大学硕士学位论文 煤等资源为燃料，需要经过多次能量转换：由燃料到热能、由热能到机械能、由 机械能到电能、由电能到机械能、由机械能到冷能，每次转换都伴随着能量损耗。 而地源热泵空调则通过浅层地下土壤、岩石、地下水或其他介质中储存的大量低 温热源替代能源所产生的热能来直接制冷制热，省却了很多转换环节，大幅减少 了能量损耗，与电空调相比，二氧化碳的排放量降低了四倍，能源效率提高了两 倍【4 】。国家提倡节能环保，要减低高碳能源的消耗，就要发展低碳型经济，于是低 碳生活、低碳住宅等一系列低碳新名词油然而生，而空调行业，也将因为低碳经 济的产生，迎来一次整个行业的绿色增长。 1 2 地源热泵系统的特点及国内外研究应用现状 1 2 1 地源热泵系统的特点 地源热泵技术最早是瑞士工程师z o e l l y 发明的一项专利，最初只是作为一种 新能源利用方式的概念并没有在实际工程中应用。这个概念的想法非常简单，就 如同中国陕北的窑洞冬暖夏凉，是一个天然的地源空调系统。地源热泵系统就是 利用地下土壤良好的保温性能，冬天把地下的热用热泵“搬到”室内供人们取暖，夏 天再把室内的热“搬到 地下达到制冷的目的【5 | 。地源热泵系统实现的是一种单纯的 能量“搬运”过程，因而其具有能量转 换效率高、无污染等几大优点。 ( 1 ) 属可再生能源利用技术：地源 热泵系统是利用了地球表面浅层地热资 。 源( 通常小于4 0 0 米深) 作为冷热源迸 5 行能量转换的一种空调系统。地表浅层 是一个巨大的太阳能集热器，收集的太 阳能量比人类每年利用能量的5 0 0 倍还 多。它不受地域、资源等客观条件的限制， 图1 1 建筑、地源热泵以及环境的关系 真正是量大面广无处不在，而且取之不尽用之 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 3 不竭，对环境造成的影响小，所以能有效减少不可再生能源的使用。 ( 2 ) 属经济高效的节能技术：地源热泵系统在提供1 0 0 单位能量的时候，7 0 的能量来源于土壤，3 0 的能量来自电力，电能的消耗主要用于压缩机的做功和使 空调系统运行，即将土壤中的热量“搬运 至室内。它要比电锅炉加热节省三分之二 以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量，由于地下土壤的温度全年较 为稳定，一般为1 0 2 0 之间，其制冷、制热系数可达3 5 4 7 ，与传统的空气 源热泵相比，能效要高出4 0 以上。 ( 3 ) 运行稳定可靠，效率高：地下土壤参数常年都一定的范围内变化，因此 系统运行过程中全年的制冷与制热稳定，无空气源热泵的“逆反”效应，机组工况平 稳，几乎不受环境温度变化的影响，运行效率高。同时，温度参数不会出现过高 或是过低的现象，舒适程度较高，且能依据电脑程序自动控制。， ( 4 ) 一机多用，应用范围广且多元化：地源系统可以一机三用，供暖、供冷 和供应生活热水，不仅可以节约能源，而且减少了设备投资，增加了系统的经济 f 性。目前，地源热泵还呈现多样化的发展趋势，包括：冷热源类型的多样化，与 其他能源形式结合多样化，适应于多样化的地质条件等。 电 1 2 2 地源热泵系统国外研究和应用现状 上世纪5 0 年代，美国率先对地下盘管1 2 个主要项目进行了实验测试，主要 包括地下盘管尺寸，管间距及埋深等的影响，并提供了大量的实验测试数据。1 9 5 2 年电气研究会( e l e c t r i c a lr e s e a r c h a s s o c i a t i o n ) 的格里菲斯( g r i t t i t h ) 发表了研究 土壤性质和土壤导热特性的文章，但是由于当时能源价格低，而地源热泵的初投 资很高，所以地源热泵系统并未立刻得到推广和应用。1 9 7 3 年欧美等国的“能源危 机”重新使人们对地源热泵的研究产生了兴趣和需求，由此掀起了对地源热泵系统 相关理论与实践研究的高潮。这一时期的研究主要集中在土壤的导热性能、地下 埋管的传热性能、不同形式埋管换热器的传热过程以及建立相应的数学模型，并 利用计算机技术进行数值模拟计算等。 1 9 7 7 年，美国o s u 的研究者对地源热泵系统作了一系列的研究，这期间主要 4 扬州大学硕士学位论文 是检查过去的实验资料和研究方法。1 9 7 8 年，b n l ( b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 通过调查地源热泵作为空调系统的应用情况，制定了地源热泵的研究计划，主要 是对地源热泵实际运行的实验计算机模拟等。 1 9 8 1 年，j y b a l a d i 等【6 】建立了一维瞬态模型来模拟地埋管换热器周围土壤中 的传热传质过程；1 9 8 3 年a d u n a n d 等r 7 】第一次提出“当量直径”的概念，用其来代 替u 型埋管的两个管腿来分析传热过程。 1 9 8 5 年，j a e d w a r d s 等【8 】通过实验和数值模拟计算研究了水平埋管与土壤的 传热过程和埋管周围土壤温度的分布情况；c j e m e r s o n u 等【9 】建立了考虑埋管周围 土壤冻结影响的水平地埋管与土壤传热的数学模型；r j c o u v i l l i o n u 1 0 1 建立了考虑 土壤水分迁移影响下水平埋管与土壤传热的数学模型。 1 9 8 6 年，v c m e i t l l l 在考虑两管脚之间热短路的影响时，建模计算了水平双层 埋管的传热，计算结果与实测误差最大到2 7 ，平均误差为1 2 ，与线热源理论 相比有所改进。 1 9 9 1 年，r l c a n e 等【1 2 】总结比较了地源热泵地埋换热器工程应用设计的不同 方法和计算程序；e k y m 等用实验和数值模拟计算的方法研究了湿饱和砂土中 柱状换热器表面的对流换热。 19 9 7 年，s e r o t t m a y e r 1 4 】等人建立了柱热源数学模型，它考虑了管内流动和 柱坐标下角度方向的传热。进入上世纪8 0 年代后，对多孔介质和土壤性质的研究 不断深入，出现了建立在能量和质量守恒基础上的同时考虑传热和传质的耦合模 型。 1 9 9 8 年，y i a n g u 等【1 5 】在考虑回填材料的影响时，利用热源叠加原理，在稳 态工况下推导出竖直u 形管的当量直径；1 9 9 9 年，c y a v u z t u r k 1 6 】等为了研究地埋 管换热器长期的运行状况，建立了二维瞬态有限容积模型。 在地源热泵系统的应用方面，美国，瑞士和欧洲等国都表现出极大的热情。 过去的近十年里，地源热泵系统在美国已经安装了2 0 万套以上，每年递增约2 0 ， 美国每年新建独立家庭住宅( 别墅) 1 0 0 万座，其中1 4 采用地板采暖方式，是可 以直接与地源热泵配套的地上传热系统。另一方面，美国政府十分关注地源热泵 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 5 技术的发展和市场推广情况，美国能源部( d o e ) 与多所大学的研究机构极力促 进相关的企业和民间科技力量参与，曾经就地源热泵能否列为国家公用计划而进 行了多年的调研，其中最有名的项目是“国家能源综合规划项目( n e c p ) 。美国 政府还曾经资助过十几项重大的地源热泵实验示范项目，并在2 0 多个州鼓励市 政部门和公立学校、医院等安装土壤源热泵采暖和制冷系统。 瑞士是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，在地热能利用方面位居世 界前列，尤其在地源热泵开发利用方面取得了显著的成就。截至1 9 9 8 年，地源热 泵系统总数达到2 0 万台以上，是世界上地源热泵系统密度最大的国家，地源热泵 总装机容量的增加从上世纪7 0 年代末一直延续至今，呈直线上升趋势。 奥地利是一个独立发展地源热泵技术的国家，地源热泵生产技术和安装技术 自成体系。另外，奥地利政府对地源热泵安装及其环境评价采取了最严格的发证 制度。 1 2 3 地源热泵系统国内研究和应用现状 我国地源热泵的研究与应用于2 0 世纪8 0 年代开始起步。1 9 9 7 年，中国科技 部与美国能源部签署中美能源效率及可再生能源合作议定书，成为中国地源热泵 发展的一个里程碑。根据议定书拟在中国的北京、杭州和广州三个城市建立了一 系列地源热泵的示范工程，缓解我国对煤炭和石油的依赖，首开了政府扶持与引 导地源热泵系统发展的先河。 山东建筑工程学院的方肇洪【1 7 】等提出了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传 热过程的准三维模型，考虑流体工质在深度方向上的温度分布，给出钻孔内热阻 的解析表达式，求得有限长线热源在半无限大介质中的瞬态温度响应解析解，并 导得了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解。 於仲义【1 8 】等建立了竖直地埋管换热器的三维传热模型，模拟计算了地埋管换 热器能效度在不同埋设深度条件下的分布。揭示了区段能效度的迁移特性，将地埋 管换热区域沿埋设深度范围分为无效换热区域和有效换热区域，并给出了基于换热 能效度的地埋管换热器长度设计方法。 6 扬州大学硕士学位论文 刁乃仁【1 9 】等在地热换热器原有研究工作的基础上，进一步考虑流体工质在钻 孔深度方向上的温度分布，分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程，导出了 竖直埋管地热换热器效能的解析式，由此，可以抛弃以往简化模型当中的不合理 假设，为地热换热器的设计和模拟提供了更加精确合理的理论基础和计算方法。 杨卫波1 2 0 1 等基于经典常热流圆柱源理论，引入叠加原理与负荷累积思想将其 发展为能够适用于长时期短时间步长变热流地源热泵系统模拟的变热流圆柱源模 型，并引用实例从理论与实验两方面对改进模型的有效性进行了验证。 进入2 l 世纪后，热泵在中国的应用越来越广泛，许多院校也成立了地源热泵 研究项目，施工单位和优秀技术人员如雨后春笋不断涌现，给地源热泵的良好发 展打下了坚实的基础。此外，2 0 0 5 年我国建设部将地源热泵技术列为建筑业十项 新技术之一，并于1 1 月与国家质检总局联合发布了地源热泵系统工程技术规范 ( g b 5 0 3 6 6 2 0 0 5 ) ，更好地指导地源热泵系统的推广和应用，规范工程设计、材料 选择和施工验收。 2 0 0 8 年建成的北京奥运村、国家大剧院、沈阳世博园等标志性工程中都使用 了地源热泵技术。国内地源热泵在大量的工程实例基础上，已经形成了广阔的发 展市场，地源热泵已成为极具潜力的产业。 同时，高校或研究所和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了 很大的进展，一些生产厂家也开始批量生产相关产品，做了许多实验研究和工程 示范，得到了很多有效数据，这些宝贵的经验势必将大大加快我国发展地源热泵 的步伐。 1 3 地源热泵系统回填材料和运行模式的国内外研究现状 1 3 1 回填材料的国内外研究现状 地源热泵的地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件，地埋管换热能力的大 小直接影响地源热泵系统的能效。对于一定的地区，地下土壤热物性已定，而换 热孔回填灌浆材料却可以根据需要改变，通过回填导热性能优良的灌浆材料是强 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 7 化地埋管换热能力的一个重要途径。从2 0 世纪9 0 年代开始，欧美等国的研究机构 就开始对回填材料进行了大量研究，包括实验室试验和工程试验，并取得很多研 究成果。近年来我国对地源热泵回填材料强化换热方面也展开了一些研究，一些 高校和研究机构也取得了很大成果。 庄迎春【2 l 】等通过研究指出，直接采用膨润土与水泥混合，具有很强的可塑性， 但膨润土导热系数低而且干燥失水时易出现收缩产生裂隙。所以在实际工程应用 中，不适于直接采用这两种物质混合用作回填材料。试验结果还表明：加入砂可 以使回填材料的导热系数呈现非线性增长，但随着砂加入量的增加，其可泵性受 到一定的影响。膨润土中加入工业废料粉煤灰，其含有的较高的二氧化硅对回填 土导热系数影响不大，是一种良好的回填材料。 张旭【2 2 1 等人利用探针法对土壤和各种比例土沙混合物的导热系数作了试验， 在不同含水率、不同密度条件下，分析了影响土壤换热能力的因素，得到了便于工 程使用的土壤及土沙混合物导热系数的实验关联式。 陈卫翠【2 3 】等对水泥、粉煤灰、石英砂、膨润土和外加剂进行了实验研究，并推 荐了三种实验配比的水泥砂浆回填材料，这些回填材料具有较好的流动性、传热 性、膨胀性及耐久性等，导热系数可达2 1 8 2 3 4 w ( m k ) 。根据实验结果显示；使 用这种高性能回填材料能够减少地埋管换热器长度2 9 - - 3 6 。 包强1 2 4 】等建立了土壤耦合热泵u 型埋管换热器三维非稳态模型，根据模型进 行分析表明：采用强化换热型回填材料可以大幅度提高钻井换热器的换热能力，钻 井的换热能力随着回填材料导热系数的增加而不断提高，但回填材料导热系数并非 越高越好。应该稍高于钻井周围岩土层的导热系数。 王尚岩【2 5 】等人利用超强吸水树脂与原土混合作为回填材料进行了试验研究。结 果表明：在注入少量水的情况下这种回填材料能够很好地改善土壤的非饱和性、 增大原土壤的导热系数，明显地增加了单位管长的吸热量。这种材料适合于干旱、 土壤非饱和以及地下水位比较低的地区。 郑秀华【2 6 】等人在线源理论和热阻网络分析法的基础上，通过模拟现场条件进 行灌浆材料导热性能的试验研究。根据试验结果指出，由于基岩具有较好的热传 8 扬州大学硕士学位论文 导性，在基岩地区宜选用砂灰比较高的水泥胶砂作为灌浆材料，同时考虑使用超塑 性剂，降低水灰比，增强灌浆材料热传导系数。 l a l l a n 等【2 7 8 2 纠研究结果表明：地下换热器的性能和地埋管的设计长度都与 回填材料的导热系数有关，采用适当比例混合成的超可塑性水泥沙作为回填材料， 导热系数有很大的提高，钻孔深度最大可减少2 2 - - 一3 7 ，同时所研制的材料与u 型管还具有良好的粘结力。 p a r i s t o d i m o s 和b m a r i t a 3 0 】通过研究指出，回填材料与周围土壤的导热系数之 比( k = k f f k s ) 对地下的热传递和温度分布都有显著的影响，研究工作就不同k 值对 夏季热泵制冷效果的影响进行了试验。结果表明：当k 增加到2 时，导热系数由 3 4 w ( m k ) 增大到3 9 w ( m k ) ，钻孔热阻由2 s w ( w m ) 减小到2 5 r o ( w m ) ；当k 减少到o 5 时，导热系数也由3 4 w ( m k ) 减小到2 7 w ( m k ) ，钻孔热阻也相应增 大。 p k a v a n a u g h 等【3 1 3 3 】采用细硅石，矾土，铁屑，金刚砂与班脱土( 火山灰分解 的一种粘土) 混合作为回填材料进行研究。结果显示：与采用砂浆混凝土作为回 填料相比，混合回填材料的导热系数可提高至1 7 3 2 9 w ( m k ) ，钻孔深度可减少 于2 2 。根据实验结果指出，相比传统的膨润土或黏土回填，强化换热型回填 材料能够很大程度的改善钻井换热器的换热能力。 d p a h u d 和b m a t t h e y 3 4 1 利用热响应方法对回填材料进行了现场试验，发现与 添加膨润土回填相比，采用石英砂代替黏土回填，钻孔的热阻仅为0 0 4 k ( w m ) ， 钻井热阻减少了3 0 。同时，如果单位埋管换热量为5 0 w m ，那么蒸发器的温度 可以提高2 。实验指出，当土壤类型和环境承载力允许的情况下，推荐使用石英 砂添加剂作为回填材料。 c h u l h ol e e 和k a n g j al e e i a s 分别将石墨和二氧化硅添加到膨润土含量为2 0 的砂浆进行试验研究，结果发现两种回填料的导热系数分别增加到0 0 8 o 1 2 w ( m k ) 和0 4 9 - 1 2 2w ( m k ) ；而将两种物质添加到膨润土含量为3 0 的砂 浆中时，导热系数相比膨润土含量2 0 的砂浆都有所增加，但添加石墨回填料的 导热系数增加更明显一些。同时指出，地下水中盐分浓度过高时，会导致膨润土 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 9 回填料收缩体积减少，因此建议在高盐度沿海地区使用高膨胀指数的膨润土。 b u r k h a r ds a n n e r 和e r i c hm a n d s 等【3 6 】通过对7 0 米深的钻井进行热响应实验， 测试强化换热回填材料对钻井热阻的影响。试验表明：采用传统回填材料钻井的 热阻为0 1 l k ( w m ) ，采用强化换热型回填材料钻井热阻仅为0 0 8k ( w m ) ，钻井 热阻降低了2 7 ，埋管换热能力有了很大提高。 l e n a r d u z z i 、c r a g g 和r a n h a r k f i s h n a 等【3 7 】人研究表明，回填材料的性能对土壤 耦合系统有很重要的影响。选用合适的回填材料不仅可以提高换热器的换热能力， 而且还可防止u 型管因温度过低产生变形而导致工质溢出。 1 3 2 系统运行模式的国内外研究现状 ， 地源热泵的运行控制模式是降低运行成本和强化地下传热性能，以提高系统 运行效率的关键因素之一。因地下换热器与周围土壤进行换热的过程是非稳态的， 随着机组的运行，热量持续不断地被带走或释放，连续运行时间越长，土壤温度 变化幅度越大，换热器内的循环水的温度也相应变化，直接导致机组运行工况恶 化。为了能够优化机组运行工况，应该给土壤一定的温度恢复时间，使系统在较 屯 多的时间运行于高效率点，降低运行费用，为此提出了间歇运行的方案。目前国 内外相关学者对地源热泵间歇运行模式做了一定的研究。 高割3 8 】等对地源热泵系统在间歇运行状态下土壤换热能力的恢复情况进行了 研究，通过实验对比了两种运行模式下地温的变化规律，指出：合理的人为间歇 控制，可有效提高土壤换热能力。同时利用传热模拟分析，对地能利用中地下群 井多源换热及其运行模式径向规律进行研究，探讨了间歇运行和连续运行模式对 群井区域内温变特性的影响规律及各井热源的交互影响，分别对间隔周期、传热 能力和温度场变化等进行了综合分析，指出运行模式调控有利于强化地能利用以 及多井源间的协调排列。 崔萍【3 9 】等利用线热源解模拟出地埋管换热器周围土壤的温度响应，对于随时 间变化的负荷或间歇负荷近似用一系列的矩形脉冲热( 或冷) 负荷来代替。通过模拟 计算发现，在计算流体的最大温升值时，可以把间歇工作的周期性脉冲热流简化 1 0 扬州大学硕士学位论文 为一个持续作用的平均热负荷和一个脉冲负荷的和。 崔淑琴m 】等人研究了地源热泵实施间歇运行过程中的地下温度变化规律，并 对可变负荷间歇过程进行研究。通过实验和模拟计算，指出负荷周期调节可以实 现地温变化趋势的控制，通过控制地温变化可使热泵机组运行在有利的温度工况 下，提高地源热泵的运行性能系数。 王冬青【4 1 】等通过建立地源热泵地下换热器的三维数值模型，对不同开停比下 地源热泵u 型地埋管地下换热器的传热过程进行了数值模拟。指出：合理的开停 比能够提高系统的换热效率，并有效降低机组和水泵的输入功率，达到节约运行 费用的目的。通过模拟指出，开停比为1 ：2 的单位井深换热量比开停比为2 ：1 时高 l o w m ，但当地温恢复到接近初始温度时，单位井深换热量几乎不再增加。 l r i i l g e r s o l l 【4 2 】等人将地埋管换热器的间歇运行看做周期性脉冲热流，进而简 化成一个平均连续的热流作用，同时给出了平均热流的表达式。 w j s t e v e n s l 4 3 】等利用能量守恒原理，对地埋管换热器间歇运行进行数值模拟， 利用有限差分法离散模拟方程。同时利用此模型分析了间歇运行对埋管换热器换 热性能的影响，结果显示：任何间歇运行模式中热泵启动时期的平均换热量高于 同等条件下的连续运行时的换热量。 b s 锄e r 【删等指出间歇运行能减弱地下土壤的变化趋势，使土壤温度尽快恢 复。建立合理的间歇运行模型和可控间歇运行模式是一种理想的热泵工作状态， 它能产生较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。启停时间、建筑负荷等都是影响地 源热泵系统最佳间歇运行工况的重要因素。 1 4 本论文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析影响地埋管换热器换热性能的主要因素，并提出强化地埋管换热性 能的主要技术措施； ( 2 ) 对u 型埋管换热器的传热过程及周围土壤的温度场进行理论研究，建立 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 i1 垂直u 型埋管换热器周围土壤温度场的物理和数学模型，并利用m a t l a b 软件编 制程序对温度场进行模拟，得出u 型埋管换热性能与周围温度场的变化规律，并 利用实验数据对其进行验证； ( 3 ) 根据相似理论，搭建模型实验台，对u 型埋管换热器换热性能进行实验 研究，得出回填材料导热性能、热泵不同运行模式和换热器不同进口水温等因素 对埋管换热器周围土壤温度场的影响，并得出与单位管长换热量之间的关系； ( 4 ) 分析地源热泵机组在夏季间歇运行工况下，埋管换热器周围土壤温度以 及单位管长换热量随运行时间的变化情况，同时分析了不同开停模式对埋管换热 量和钻孔壁面平均温度的影响。 1 2 扬州大学硕士学位论文 第2 章地埋管换热器换热性能影响因素分析 地埋管换热器的传热性能是影响地源热泵系统运行效率的一个重要因素，然 而地下换热器的传热过程是一个复杂多变的过程，许多因素都会影响其换热性能。 本章在介绍了地埋管换热器换热性能因素的基础上，提出了强化地埋管换热性能 的主要技术措施和方法。 2 1 影响地埋管换热器换热性能的主要因素 ( 1 ) 岩土的热物性 土壤的导热系数与地埋管换热器的换热性能密切相关。地源热泵系统中的埋 管深度、u 型埋管的进出口水温和单位管长换热器的换热量都与土壤导热系数有 密切关系。而土壤的导热系数与孔隙率的大小有关，尤其是空隙中含水量的大小 【4 5 】 口 土是由矿物颗粒( 固相) 、水( 液相) 、空气( 气相) 组成，组成土壤的三相 物质导热系数相差很大，如表2 1 所示。因此不同组分构成的土壤的导热系数，可 以从干状态的o 2 5w ( m k ) 变化到湿状态的2 5w l ( m k ) 矿物颗粒的导热系数高，所以矿物颗粒含量越高，导热系数越大。除矿物颗 粒外，土壤的含水量是影响其导热系数的最主要因素，而水和空气的导热系数比 矿物颗粒小，所以土壤的导热系数将会随着孔隙率的增加而减小。空隙中的水的 导热系数又比空气大很多，因此，含水量增加，土壤的比热容也将增加。 表2 1 土壤各组分的物性参数( 标准状态下) 王松松地源热泵地下传热强化与控制模式的研究 13 表2 2土壤导热系数的临界湿度含量 土壤描述近似临界湿度含量 颗粒 淤泥 粘土 有机泥煤似地土壤 有机淤泥和富养的粘土 2 2 土壤导热系数在大于某一特定的湿度临界值时是相对恒定的，称为临界湿度 含量( c m c ) ，如上表2 2 所示。当低于c m c 时，导热系数迅速下降。例如在夏 季工况下，当u 型埋管向土壤释放热量时，埋管附近土壤里的湿气可以被驱除出 去，如果土壤处于或接近c m c ，这种湿气的减少将使土壤的导热性能剧烈减少， 从而使u 型埋管的换热性能大大降低，表现出这种特性的土壤视为热不稳定，将 严重的降低土壤的传热性能。 ( 2 ) 回填材料的导热性能 回填材料作为u 型埋管换热器和周围土层的传热介质，将地下可利用的浅层 地热能传递到换热器中，以供给系统的需要。同时，回填材料还可以将钻孔密封， 保护u 型埋管换热器不受地下水及其他污染物的影响，防止地面水通过钻孔向地 下渗透，使地下水不受地表污染物的影响，并可以防止地下各个含水层之间水的 移动引起交叉污染 4 6 1 。 有效的回填材料可以防止土壤因冻结、收缩、板结等因素对埋管换热器传热 效果造成影响，提高埋管换热器的传热能力。从热阻分析来看，回填材料的热阻 在换热器未运行时占到约2 0 ，因此，提高回填材料的导热系数可以增加埋管换热 器的换热量。 但回填材料导热系数并非越高越好，这是因为：钻井的直径毕竟非常小，一般 的钻井直径为1 l o m m - 1 5 0 m m ，而长时间运行的钻井换热器其热扩散半径可以达到 1 4 扬州大学硕士学位论文 3 m 左右。流体传入地下的热量最终还是要通过周围土壤扩散到无限远处，回填材 料仅仅是一个用于传热的中间介质，其导热作用是有限的，所以导热系数增大到 一定的数值后再增加对改善钻井的换热能力就极为有限了。因此，选择回填材料应 根据当地的地质条件而定，并没有一个具体的数值