（环境工程专业论文）地源热泵系统地埋换热器热短路问题的研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进 行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共 同完成的工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 互幺日期：趔里，5 = ：乡乡 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它 单位的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版 本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索。 论文作者签名 指导教师签名 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源( 也称地能，包括地下水、土壤或地表水等) 的 高效节能空调系统。与传统空调系统相比，地源热泵空调系统利用可再生能源，具有节能 和环保的特点。地源热泵技术在我国已经得到了推广和应用。 如何改善地埋换热器的换热性能一直都是土壤源热泵系统研究的重点和难点。地埋换 热器与土壤的换热是一个极其复杂的过程，影响因素有很多，其中发生在u 型管两支管间 的热短路现象就是一个很重要的因素。所谓热短路，就是指u 型管两支管间的热干扰。热 短路现象在一定程度上降低了地埋换热器的换热效率。 本文以实际工程为依托，用p h o n i c s 模拟软件建立了与实际工程相对应的数值模型， 分别对非保温地埋管和保温地埋管的换热过程进行了数值模拟，得到了不同流量下两种埋 管的出口温度随时间的变化。模拟结果验证了热短路现象的存在，通过比较两种埋管的单 位井深取热量随时间的变化，进而验证了回水保温措施能否对改善地埋管的取热性能有着 积极地作用。本文的研究成果对于地埋换热器的设计起到了一定的借鉴作用，具有广泛的 实际应用价值。 关键词：地源热泵；地埋换热器；换热性能：热短路 a b s t r a c t g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pi sa ne n e r g ye m c i e n ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw h i c hu s et h e s h a l l o wu n d e r g r o u n dg e o t h e r m a lr e s o u r c e s ( a l s ok n o w na sg e o t h e r m a le n e r g y , i n c l u d i n g g r o u n d w a t e r , s o i lo rs u r f a c ew a t e r , e t c ) c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ， g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mu s er e n e w a b l ee n e r g y , w i t he n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p i nc h i n ah a sb e e nt h ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n t h ei m p o r t a n ta n dd i 伍c u l to ft h es t u d yo ng r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi st h eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h e u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r , a n d t h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e n u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e ra n d s o i li sa ne x t r e m e l yc o m p l e xp r o c e s s t h e r ea r em a n y f a c t o r s ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti sap h e n o m e n o nc a l l e dt h e r m a ls h o r tc i r c u i tw h i c hi n e v i t a b l y o c c u rb e t w e e nt h et w op i p e 1 1 1 es o c a l l e dt h e r m a ls h o r tc i r c u i t ，m e a n st h eu - t u b eh e a t i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h et w ot u b e s t h i sp h e n o m e n o nr e d u c e st h eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r i nh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c ya tac e r t a i ne x t e n t t l l i sp a p e rr e l i e so na c t u a lp r o j e c t s ，s e t t i n gu pat h r e e d i m e n s i o n a lh e a tt r a n s f e rm o d e lo f u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e rw i t hi n s u l a t i o np i p ec r e a t e db yp h o n i c ss o f t w a r e t h eh e a t t r a n s f e rp r o c e s so fu n d e r g r o u n dp i p ei n s u l a t i o na n dn o n - ui n s u l a t i o ni nw i n t e rf o rh e a tc o n d i t i o n w a ss i m u l a t e db yp h o n i c ss o f t w a r e ，o b t a i n e du n d e rt h et w od i f f e r e n tf l o wb u r i e dt h eo u t l e t t e m p e r a t u r ec h a n g e sw i t ht i m e t h et h e r m a l s h o r tc i r c u i tp h e n o m e n o ni sp r o v e db yt h e s i m u l a t i o n b yc o m p a r i n gt h et w ou n i t so fw e l ld e p t ho n h e a tb u r i e dw i t ht i m e ，a n dt h e nv e r i f y w h e t h e rt h em e a s u r e sc a l li m p r o v et h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo fg r o u n ds o u r c e t h i sr e s e a r c h r e s u l t sf o rt h ed e s i g no fh e a te x c h a n g e r sb u f f e dp l a y e dac e r t a i nr e f e r e n c e ，w i t haw i d er a n g eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；u n d e r g r o u n d h e a te x c h a n g e r ；h e a tt r a n s f e r ；t h e r m a l s h o r tc i r c u i t 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 地源热泵分类1 1 2 1 土壤源热泵系统1 1 2 2 地下水源热泵系统3 1 2 3 地表水源热泵系统。5 1 3 地源热泵技术的研究状况6 1 3 1 国外研究6 1 3 2 国内研究8 1 4 三种热泵技术的比较9 1 5 地源热泵技术在我国的发展现状和应用前景1 0 1 6 问题的提出1 2 1 7 本论文的研究内容和研究方法13 1 7 1 研究内容1 3 1 7 2 研究方法1 3 第二章单u 型地埋管传热理论与模型1 4 2 1 传热理论与模型1 4 2 1 1 解析法模型1 4 2 1 2 数值法模型15 2 1 3 钻孔内模型1 6 2 1 4 钻孔外传热模型2 l 2 2 本文的数学物理模型。2 2 2 2 1u 型管内流体流动与对流换热模型2 2 2 2 2 岩土的传热模型2 4 第三章武汉地区地源热泵的实验测试2 5 3 1 工程1 的测试2 5 3 1 1 工程概况2 5 3 1 2 地温测试2 5 3 2 工程2 的测试3 2 3 2 1 工程概况3 2 3 2 2 地温测试3 3 3 2 3 地温测试比较3 4 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 3 3 工程3 的测试3 4 3 3 1 工程概况3 4 3 3 2 土壤的热物性测试3 5 3 3 3 测试结果3 6 3 3 4 换热量的理论计算。3 7 第四章单u 地埋管回水管保温数值模拟4 0 4 1 影响地埋换热器换热性能的因素4 0 4 1 1 土壤热物性参数4 0 4 1 2 钻孔深度一4 1 4 1 3 钻孔间距4 l 4 1 4 钻孔直径4 2 4 1 5 埋管材料4 2 4 1 6 埋管管径4 2 4 1 7 回填材料4 3 4 1 8 钻孔内供回水管间距一4 3 4 2 热短路的影响因素分析4 3 4 3 模拟的条件及模型建立4 4 4 3 1 模拟的假设条件一4 4 4 3 2 模拟的初始边界条件4 4 4 3 3 模拟的模型建立4 4 4 3 4 模拟分析4 6 4 4 本章小结5 3 第五章结论与展望5 4 5 1 主要结论5 4 5 2 展望。5 4 参考文献5 5 致谢5 8 附录i 攻读学位期间发表学术论文情况5 9 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着人民生活水平的不断提高，人们对室内生活环境的要求也越来越高，这就意味着 供暖和空调将在人民生活中扮演更加重要的角色。暖通空调系统的耗能在全社会的能源消 耗中所占的比重较大，这不仅和能源消耗和能源安全相关，还会引起较为严重的环境问题， 如：温室效应、城市热岛效应等。人类要生存，要发展，就必须消耗大量的能源，能源的 消耗也必定会带来环境问题。舒适高效和绿色环保在一定程度上存在一定的对立，当今社 会发展就面临着能源枯竭和环境污染等诸多问题，舒适生活、高效工作和可持续发展是当 今社会的一大难题。在发达国家中，供热和空调的能耗很大，可占到社会总能耗的3 0 4 0 ij 。有资料统计，办公楼中空调系统耗能量占总耗能量的3 5 左右，商办楼中空调系 统耗能量占总耗能量的2 5 左右。据统计，2 0 0 1 年中国建筑能耗已达n 3 7 6 亿吨标准煤， 占总能耗的2 7 6 ，并且这个比例在逐年上升，年增长比例是千分之五。根据发达国家的 经验，这个比例将随着人民生活水平的提高而不断增高，最终将会达到3 5 4 0 。而在建 筑能耗中，建筑采暖和空调耗能占得比例较大，特别是在大型公共建筑中，这个比例将会 超过5 0 ，由此可见，建筑节能的重点要放在降低供暖与空调的能耗上。能源与环境总是 分不丌的，发展的结果也常是以牺牲环境为代价。为应对能源危机和环境问题，各国政府 和能源生产和消耗单位已将经济发展的注意力转向到可持续发展和绿色节能经济的发展 轨道上来【2 1 。上个世纪6 0 年代，“生态建筑”新理念应运而生，即绿色建筑，上世纪7 0 年代 出现的石油危机使人类意识到，以牺牲生态环境为代价的发展将很难再继续下去，建筑产 业以往的靠消耗大量自然资源的发展模式必须进行深思和调整【3 1 。在这种形势下，各种清 洁能源和节能措施得到了空前的应用和发展，体现了全社会对于能源节约和环境友好的经 济发展战略的重视，节能建筑技术也必将在未来的建筑建设中得到更为广泛的应用。 地源热泵就是这样一项节能建筑技术。它通过输入少量的高品位能源( 电能) ，实现 热量从低温位向高温位转移。在夏季，它将室内的热量转移到土壤、地下水或地表水中。 在冬季，它摄取土壤、地下水、地表水中的热量并将其转移到室内。总而言之，它是一种 利用地下浅层地热资源的高效节能环保空调技术。 1 2 地源热泵分类 根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类：土壤源热泵或土壤耦合热泵 ( g c h p ) ，地下水热泵( g w h p ) ，地表水热泵( s w h p ) 。 1 2 1 土壤源热泵系统 土壤源热泵系统是以大地为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，在制冷期将室内的 热量排放在土壤中，在采暖期从土壤中吸收热量用于室内采暖。土壤源热泵系统由三部分 组成：埋地换热器系统、水源热泵机组和建筑负荷终端。后两部分的研究、应用已基本成熟， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 其相应产品也己规范化，而埋地换热器系统目前尚处于研究阶段，其研究一直是地源热泵 技术的难点。根据地埋换热器的布置形式，可分为垂直埋管、水平埋管和蛇形埋管三类。 水平 图1 1 土壤源热泵系统分类 、 ，、 、一 、i “、一一 i ，一一 1 ) 垂直埋管 垂直埋管换热器可分为u 型埋管和桩埋管换热器。u 型埋管又可分为单u 型和双u 型。 按其埋管深度可分为浅层( 1 0 0 m ) 三种。埋管深，地下土壤 温度比较稳定，钻孔数量及占地面积较少，但会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管 的造价提高。垂直埋管系统较多用于土地面积有限、水位较深及地下为岩石层或岩石地层 的地方。垂直埋管系统打井和埋管的投资较大，但其换热效率高、运行稳定的特性使其成 为较常用的埋管方式。桩埋管换热器是指在建筑桩基或在混凝土构建中设置埋管，这种埋管 可以作为一种特殊的垂直埋管看待。因为是在混凝土中嵌入埋管，埋管的受腐蚀程度比嵌 入到土壤中要低，所以它经久耐用，稳定性强。早在上世纪八十年代术奥地利就开始使用 这一技术。因为不需钻孔，而且可以和建筑物基础的施工结合起来，减少了初投资，所以 这种方式在热泵空调系统中得到了较为广泛的应用。长江三角洲大部分地区的浅层土是软 土，承载能力较差，该区域建筑的基础形式多为桩基，宜采用桩埋管系统。 2 ) 水平埋管 水平埋管换热器分单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多 管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平 埋管换热器的横管通常埋在深度约为1 2 m 3 m 的水平管沟内，由于施工设备广泛应用且施 工人员易找，又加上许多家庭有足够大的施工场地，因此造价就以减下来。除需要较大场 地外，水平埋管换热器系统的缺点还在于：由于浅层土壤的温度和热特性随着季节、降雨 及埋深变化，其运行不稳定，泵的耗能较高，系统总体效率较低。该方式常用于住宅，适 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 用于土地丰富，而且具有较高地下水水位的地区。 一 j j ： ：- | 一一：。 j ! ：兰羔：i：鉴兰! ! 兰三二 单u 换热器双u 换热器 图1 2 竖直u 型换热器 ：( 、一 适强管 ，! ： 二l 耳钻予，灌沾桩 ! “4 “ - o j | j 1 】1 每，二璐一一双l 型地源抿热嚣 ? 一 一 “j ： 延岁一u 型弯头 图1 3 桩埋管换热器 3 ) 蛇形埋管 蛇形埋管换热器适用于场地有限且又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管 换热器的2 0 3 0 ，但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所 以有文献将其归入水平埋管换热器。 1 2 2 地下水源热泵系统 地下水源热泵系统的低位热源为地下水，地下水的温度相当稳定，一般等于当地全年 平均气温或高1 2 左右。地下水源热泵系统，通过打井抽取地下水，利用热泵机组提取 地下水的低位热量，实现冬季供热与夏季制冷。由于地下水冬暖夏凉，提高了机组的供热 季节性能系数( h s p e ) 和能效比( e e r ) 高。同时，温度较低的地下水，可直接用于空气 处理设备中，对空气进行冷却除湿处理而节省能量。相对于空气源热泵系统，可节约 2 3 4 4 的能量。当室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量亦处于高峰期，而此 时空气源热泵、地表水源热泵的效率最低，地下水源热泵却不受室外气温的影响，能够减 少高峰需电量，这对于减少峰谷差有积极意义。 回灌是地下水源热泵系统的关键技术，为此地下水源热泵系统必须具备可靠的回灌措 施，保证地下水能1 0 0 的回灌到同一含水层内。所以地下水源热泵系统室外部分由生产 井和回灌井两部分组成。夏季生产井与回灌井交换使用，生产井与回灌井均应安装潜水泵， 一是为了养井，二是为了利用冬季蓄存的冷量。如果地下水温度较低，则可以直接利用地 下水冷却或者预冷，否则可以通过地下水带走热泵机组冷凝热，把建筑物内的热量转移给 地下水。冬季工况下，热泵机组从地下水中摄取热量，对建筑物进行供热。因此，这种地 下水源热泵系统有时也称为深井蓄热型地下水源热泵系统。 地下水源热泵系统可分为把地下水供给水一水热泵机组的中央系统和把地下水供给水 空气热泵机组( 水环热泵机组) 的单元式系统。又可根据其与建筑物内循环水系统的关系， 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 分为丌式环路地下水系统和闭式环路地下水系统。在开式环路地下水系统中，地下水直接 供给水源热泵机组；在闭式环路地下水系统中，使用板式换热器把建筑物内循环水系统和 地下水系统分丌。地下水由配备水泵的水井或井群供给，然后排向地表( 湖泊、河流、水池 等) 或者排入地下( 回灌) 。大多数家用或商用系统采用间接供水，以保证系统设备和管路 不受到地下水矿物质及泥沙的影响，降低系统维护费用。图1 4 和图1 5 分别为分散式开式 环路地下水系统和闭式环路地下水系统的示意图。图1 6 为典型集中式闭式环路地下水系 统。 水源热趸 图1 4 分散式开式环路地下水系统示意图 图1 5 闭式环路地下水系统的示意图 图1 6 典型的集中式地下水源热泵空调系统图示 地下水换热系统水源热泵机组热媒或冷媒管路系统空调末端系统 1 生产井群2 同灌井群3 井泵或潜水泵4 除砂设备5 板式换热器6 - 一次水环路系统7 一二次水环 路系统8 二次水管路定压装置9 二次水循环泵l o 二次水环路补水阀1 1 生产井转换阀门组1 2 回水 井转换阀门组1 3 排污与泄水阀1 4 排污与回扬阀门1 5 热媒或冷媒循环泵1 6 热媒或冷媒管路系统定 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 压装置1 7 热媒或冷媒管路系统补水阀fj1 8 补给水泵1 9 一补给水箱2 0 水处理设备2 1 分水缸2 2 集 水器2 3 放气装置2 4 风机柱管 1 2 3 地表水源热泵系统 地表水源热泵系统是以地表水作为热泵系统的冷热源，一般5 3 8 的地表水能够满足 水源热泵的运行要求，最适宜的温度为1 0 2 2 。地表水源热泵系统按换热系统的形式可 分为开式地表水换热系统( 即地表水直接利用式) 和闭式地表水换热系统( 即地表水 间接利用式) 。开式地表水换热系统就是通过取水口，并经简单污物过滤装置处理，然后将 地表水处理后直接送入机组作为机组的热源( 或闭热源) 闭式地表水换热形式就是通过 中间换热装置将地表水与机组冷媒水通过换热器隔开的系统形式。 地表水直接利用要根据地表水水质的不同采用合理的水处理方式。地表水的水质指标 包括水的浊度、硬度以及藻类和微生物含量等。对于浊度和藻类含量都较低的湖水、水库 水可采用砂过滤、y 形过滤器过滤等方式处理。对于藻类和微生物含量较高的地表水需要 经过杀藻消毒，并混凝过滤等处理方式。对于浊度较高的江河水需要经过除砂、沉淀、过滤 等处理。地表水直接利用的水质标准需要达到生活杂用水水质标准( g b2 5 0 1 1 9 8 9 ) 。 图1 7 是开式地表水源热泵系统，图1 8 是闭式地表水源热泵系统。 图1 7 开式地表水源热泵系统 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 斟术 一一去往呆目甲哭水泵鼯 i 供水1f 届集旨管沟 回水li 路集。富管构 她表水遗界一卜 i 【 li 交 蜜 氢 斟荟 9弓9 1 3 地源热泵技术的研究状况 1 3 1 国外研究 挽热盘管 图1 8 闭式地表水源热泵系统 ( 1 ) 土壤源热泵系统 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，瑞士学者佐伊利提出了土 壤源热泵应用的思想，在之后的几十年中，地源热泵基本处于试验研究状态。直至二次大 战结束，欧洲和北美等地区才丌始对土壤源热泵进行深入研究和规模性的工程应用p j 。 美国在1 9 4 6 年对其国内的1 2 个主要的地下盘管项目进行了相应的试验测试。研究内容 包括对直接蒸发式和采用二次流体的水平和竖直地下埋管的实验。实验系统采用铜管作直 接蒸发式地下埋管换热器，用钢管作二次地下埋管换热器。实验得到了大量的试验测试数 据，为后来的研究提供了试验验证的基础【6 j 。 1 9 4 8 年l r i n g e r s o l l 和h j p l a s s 把埋地换热器单管在土壤的传热问题简化为线热源 在半无限大介质中传热问题，提出了地下埋管换热器的线热源模型，并得到分析解，计算 结果表明使用小管径埋管长时间运行的热泵系统效果良好。因为这种模型在做模型假设的 时候有太多的局限性，只能对实际的土壤传热过程进行近似的模拟，很多问题都不能得到 解决。如地埋管换热器管长度设计、换热器进出口温的影响和不同工况下运行时系统对周 围土壤结构的影响等。后来又发展了一些较为成熟的传热模型，如：h a r t & c o u v i l l i o n 传热 模型、i g s h p a 传热模型等i ，j 。 2 0 世纪5 0 年代末期至a 7 0 年代初期，由于受地源热泵系统高昂的初投资和当时廉价的能 源等诸多因素的影响，土壤源热泵的研究和应用基本上停滞下来心j 。 1 9 7 3 年，欧美各国开始出现“能源危机”，世界各国开始意识到节能的重要性，并对能源 问题展开了一系列的研究。世界各国的相关专家和学者纷纷投入到土壤源热泵的研究行 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 列。欧洲在此期| 日j 共召丌了5 次大型的土壤源热泵的专题国际学术会议。 1 9 7 4 年，欧洲从设计方法和安装技术这两个方面著手，对3 0 个土壤源热泵工程进行 研究。瑞典安装y 6 0 0 0 个水平地下埋管系统，德国也有不少此类工程，不过当时大多数都 是水平埋管，且仅限于采暖使用一j 。 美国在1 9 7 1 1 9 7 8 年期i 日j 对多种形式的地埋管系统展开了研究，最为典型的是太阳 能集热器混合式土壤源热泵系统。为了解决埋管的被腐蚀问题，专家提出了以塑料管替代 金属埋管，效果较为理想【l0 1 。1 9 8 0 年到1 9 9 0 年，美国积极推广应用了大量的地源热泵系 统，据估计，到目前美国至少有1 0 0 0 个这个系统在运行。 可以说上个世纪7 0 8 0 年代土壤源热泵的研究的重点是土壤的传热特性、换热器结 构形式、影响埋管换热性能的因素及其模拟计算。传热模型也在不断完善，从一维线热源 传热模型到二维圆柱热源模型，与线热源模型相比，圆柱热源模型更符合实际。但是，圆 柱热源模型用单一当量直径管代替u 型埋管的处理过于简单近似，相应的产生了一些计算 误差【1 1 12 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，国外对埋管换热器的研究热点依然集中在换热器的换热机理、 强化换热、热泵机组与换热器匹配问题及安装布置技术等方面【1 3 17 1 。 二十一世纪以来，随着计算机技术的应用和发展，地埋换热器的模型研究也愈加成熟， 在前人大量的理论和实践经验基础上，人们开始摸索并总结出较为合理和完善的土壤源热 泵设计方法，对地埋换热器尺寸进行了更深入的研究【擂 2 0 】。 ( 2 ) 地下水源热泵系统 地下水源热泵诞生于2 0 世纪3 0 年代。早期安装的地下水源热泵系统大部分采用的是丌 式系统，这些系统建成5 1 5 年后由于腐蚀和生锈失效了。从此地下水源热泵系统的应用进 入低潮期。直n 2 0 世纪7 0 年代世界能源危机的出现，又引起人们对地下水源热泵的关注与 兴趣，开始安装与使用地下水源热泵。由于欧洲板式换热器的引入，闭式地下水源热泵的 安装与使用更为广泛。2 0 世纪9 0 年代以后，大气环境要求的进一步提高，美国地下水源热 泵系统的应用一直呈上升趋势。欧洲一些国家由于采用积极的促进政策( 包括财政补贴、 减税、优惠电价和广告宣传等) ，地源热泵市场得到快速发展。 地下水回灌技术是制约地下水源热泵系统应用和发展的难点。人工回灌技术在国外也 经历了很长的发展历史，直到1 9 7 3 年m e y e r 和t o d d 才开始提出回灌的能量可以被利用的。 接下来，美国和欧洲很多国家大量研究人员开始研究不同的方案来利用回灌能量，最具有 影响力的是开始于1 9 7 5 年的“丹麦含水层开发计划”。b r e t t 等人对阿拉巴马大学娱乐中心的 两个地下水源热泵空调系统进行了测试，结果表明，其c o p 达到2 0 以上【2 。文献【2 2 】给出了 抽取地下水回灌蓄热量的粗略计算公式，并指出当含水层厚度超过1 5 m 时，热回收率可以 达到8 0 以上。 1 9 7 8 年5 月，在美国能源部支持下，美、德、法、同等1 3 个国家的专家建立了地下蓄 热国际通讯联络组织，出版了“地下含水层蓄热通报”。 ( 3 ) 地表水源热泵系统 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 欧洲第一台较大的地源热泵装置是1 9 3 8 1 9 3 9 年间，在瑞士苏黎世市政大厅投入运行 的。它以河水作为热源，供热能力1 7 5 k w 。2 0 世纪4 0 5 0 年代，瑞士、英国早期使用的热 泵装置中大部分是地表水源热泵。这个时期的地表水源热泵系统虽然处于起步阶段，但由 于它在运行中充分显示出节能性，对以后地表水源热泵的发展起到了一定的示范作用。2 0 世纪7 0 年代术8 0 年代初在瑞典和前苏联等区域供热较发达的国家开始应用以地表水、地下 水、城市污水和工业废水为低位热源的大型热泵站，单机容量在几兆瓦。在美国、日本、 罗马尼亚、丹麦、德国也得到了迅速发展，单机容量甚至达到3 0 m w ，总装容量达到1 6 0 m w 。 瑞典首都斯德哥尔摩建设了总能力为1 8 0 兆瓦的世界上最大的海水源热泵系统，用于区域 供热，供热量占城市中心管网输送量的6 0 ，已运行2 0 年。 在地表水源热泵技术研究方面，国外开展得比较早，在2 0 世纪8 0 年代木，美国的学者就对 地表水源热泵系统进行了系统的分析，并提出地表水源热泵系统将具有很好的性能特征。 土耳其学者也曾对当地的气温和河水温度进行了检测，表明地表水源热泵在全年和供冷季 节使用都有优势。芬兰学者在2 0 0 3 年对寒冷地区以湖水作为热源的地表水源热泵系统进行 研究，通过建立模型来模拟湖水温度分布并研究了水或表面冰层与大气之间的热交换以及 垂向水体内部的热交换，证明了地表水源热泵在寒冷地区运行的可行性。 美国制冷学会a r l 3 2 0 标准规定：对湖水水源热泵系统来说，水体的面积及深度对系统 供冷性能的影响比对供热性能的影响大，要求水体( 深4 5 - 9 0 m ) 的负荷不应超过 0 0 13 k w m 2 或其水体不应产生温度分层现象。 1 3 2 国内研究 ( 1 ) 土壤源热泵系统 从现有的文献来看，国内最早从1 9 8 9 年开始着手研究。当时山东青岛建工学院在国内 建立了第一台地源热泵系统的试验台，先后对水平埋管和竖直埋管换热器的换热性能进行 了研究【2 3 之4 1 。 华中科技大学从9 0 年代就开始对水平埋管和竖直埋管进行研究。近年来，杨文广等人 提出了一种直接利用c f d 计算软件f l u e n t 对一个完整的地源热泵系统进行仿真的方法， 这个方法可以对系统长期运行进行仿真，避免了简化模型方法带来的错误结论【2 5 1 。胡平放 等人建立了一种考虑地下水渗流的地埋管三维传热模型，并利用模型在m a t l a b 环境下模拟 了有无渗流下地埋管换热性能的变化，得出了一种土壤综合导热系数的方法【2 6 1 。刚文杰等 人建立了一种预测地埋管出口水温的人工神经网络模型，称这种模型可以有效地预测地埋 管的出1 3 水温【2 。 天津大学对浅层桩埋换热器和u 型管换热器做了短期连续运行测试实验。 在国家自然科学基金的资助下，重庆建筑大学的刘宪英等人自1 9 9 9 年开始建立了一系 列的实验装置，其中就包括浅埋套管换热器和水平埋管换热器，并对浅埋竖直管换热器地 源热泵的采暖以及供冷特性进行了深入的研刭2 8 。3 1 1 。 大连理工大学针对大连地区地质为板岩这一特点建立了地源热泵实验系统，是全国开 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 展地源热泵研究的地区中唯一一个板岩地质条件。通过对原始土壤温度以及夏季单根7 5 m 埋深u 型地下埋管换器制冷性能和冬季地源热泵制热性能进行实验测试，在土壤温度分布、 地下换热器热工性能、土壤温度恢复特性以及系统运行特点等方面获得了大量有价值的基 础数据，为大连和其他类似地质条件地区地源热泵技术的推广应用提供了科学依据【3 2 1 。 ( 2 ) 地下水源热泵系统 我国从1 9 9 7 年开始学习和引进欧洲地下水源热泵系统技术，并在9 0 年代中期开发出地 下水源热泵冷水机组。至u 1 9 9 9 年底，全国大约有1 0 0 套地下水源热泵供冷供热系统。大量 的工程应用推动了地下水源热泵的研究，但地下水源热泵系统地下水运移方面的研究还是 很欠缺的。辛长征等利用美国地质调查局编写的h s t 3 d 程序，对一典型双井层压含水层的 速度场和温度场进行了全年运行模拟，模拟结果表明，相距1 0 0 米的两完整井在冬、夏季 工况期间出现了“热贯通”现象p 3 1 。 武汉科技大学文远高教授对武汉地区地下水源热泵与空气源热泵的能耗做了比较，结 果表明：地下水源热泵空调系统在制冷工况下的节能效果明显，相对于空气源热泵平均节 能2 3 2 6 ，在制热工况下，相对于空气源热泵平均节能1 9 0 9 ，节能效果没有夏季明显。 全年节能2 1 7 5 t 3 4 】。 张昆峰等模拟了大口井( 直径分别为1 2 m 、0 8 m ，深度为1 0 m ) 井水源热泵的冬季运 行工况，结果表明大口井中的井水流动为均匀下斛3 5 】。 ( 3 ) 地表水源热泵系统 国内对于地表水源热泵的研究比较滞后。目前国内对地表水源热泵的研究基本上都以 具体的工程作为研究对象，局限于单个项目的需要，并没有深入研究地表水源热泵的共 性。武汉科技大学文远高教授对武汉地表水在空调系统中的应用做了研究，提出了武汉地 区地表水在空调系统中利用的节能条件是t w ( 2 8 2 9 ) ，长江水温符合节能条件，有很大的 利用价值。地表水源热泵系统作为一种新型的节能方式，应该受到更大重视，国家或者学 术机构应该建立专门的实验室，就地表水源热泵系统的各种问题进行专门的研究，确立一 套有效可行的行业设计方法，以便于地表水源热泵系统推广应用。 1 4 三种热泵技术的比较 地表水源热泵系统受可利用的水源条件及气候条件的影响较大。理论上地表水源热泵 可以利用一切的地表水资源，但是在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大 的。所以，在工程所在地是否存在合适的水源已成为地表水源热泵应用的一个关键。一般 情况下，闭式系统的成本较高，而且热泵运行的稳定性难以保证。对于开式系统来说，水 源要求必须满足一定的温度、水量和洁净度。而且定的地表水体能够承担的冷热负荷与 水体的温度、面积、深度、气候条件、水体的流动性等多种因素有关，因此需要根据水体 特征进行计算。 地下水源热泵系统的应用受限制的因素较多。首先，地质条件是影响地下水源热泵系 统是否可行的关键因素。地质条件好，可以减少水井的打井费用，而且回灌也容易些；地 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 质条件差，打井费用增高，回灌也困难。其次，地下水源的质量问题。地下水源热泵系统 对水源的要求是：水量充足、水温适度、水质适宜、供水稳定。水源的水量必须能满足用 户制冷负荷或制热负荷的需要；水源的水温应适合机组运行的工况要求；水源的水质，应 适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。再者，当地的能源政 策也制约着地下水源热泵系统的应用。因为地下水属于国家战略储备物资，它的利用更是 受到国家、当地政府的严格控制。长期无序过量的开采地下水，还会带来环境地质问题， 给经济社会发展造成很大的危害。 土壤源热泵系统是一种利用地下浅层低温地热资源的高效节能热泵系统。其本质上也 是一种水源热泵系统，是将水通过埋设在土壤中的传热性能好的埋管来吸取土壤中的热量 或将热量排到土壤中去。这种技术的特点主要表现在：( 1 ) 地热属于可再生能源利用技 术。它是利用可再生的地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换的空调系统。 ( 2 ) 它是一种经济有效地节能技术。由于地下5 米以下温度一年四季相对稳定，冬季比环境气 温高，夏季比环境温度低，是热泵很好的热源。这种温度特性使地源热泵比传统空调系统 运行效率高，节能效果明显；此外，地下温度较稳定的特点使热泵机组运行可靠、稳定。 ( 3 ) 对环境影响小。电力是热泵机组的唯一动力，因此没有燃料分散燃烧所造成的大气 污染。与此同时由于厂家密封制冷剂。使用过程中不泄露，不补充，减少了对臭氧层的破 坏。 1 5 地源热泵技术在我国的发展现状和应用前景 经过2 0 世纪术的早期工程实践探索后，进入2 l 世纪，地源热泵技术在我国步入了推广 普及阶段，全国各省市( 不含港、澳、台) 基本上都启动了地源热泵项目。近年的地源热 泵工程量，无论是项目数量，还是面积和投资的增长都大大超过1 0 0 。据建设部的统计， 目前全国5 0 0 0 m 2 以上的项目有2 3 5 7 项，总使用面积超过5 0 0 0 万m 2 。预计到“十一五”期术， 浅层地能应用面积达2 4 亿m 2 。 工程建设与设计编辑部2 0 0 6 年对国内2 4 3 项地源热泵系统工程进行了调查统计， 图1 92 0 0 6 年地源热泵系统工程统计图 武汉科技大学硕士学位论文第11 页 结果显示：公共建筑7 7 、居住建筑2 0 3 、工业建筑2 7 ，见图1 9 所示。其中公共建筑 包括办公楼3 1 3 、宾馆、酒店1 5 2 、商业建筑8 8 、车站5 、学校、医院建筑2 7 ， 其它公共建筑( 展馆、演艺厅、体育场等) 1 4 、住宅1 8 、别墅2 3 。可以看出，地源 热泵技术已经在多种类型的工程中应用，公共建筑占主要份额。 囫办公楼 宾馆、酒店 口商业建筑 口车站 学校、医院住宅 圈住宅 别墅 口其他公共建筑 图1 1 0 公共建筑地源热泵系统分类统计图 我国政府一直积极倡导浅层热能等可再生能源的利用，并在多项国家标准、行业标准 及政策文件中作了规定。八届人大常委会第二十八次会议审议并通过了中华人民共和国 节约能源法，其中第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，这也将 促进地源热泵事业的发展。在2 0 0 1 年颁布的夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 ( j g j l 3 4 2 0 0 1 ) 中明文规定：“具备地面水资源( 如江河、湖水等) ，又是河水资源热泵运 行温度的废水等水源条件时，居住建筑采暖、空调设备宜采用水源热泵。当采用地下井水 为水源时，应确保有回灌措施，确保水源不被污染，并应符合当地有关规定；具备可供地 热源热泵机组埋管用的土壤面积时，宜采用埋管是地热源热泵。”“十一五”期间国家加大推 广力度，2 0 0 6 年启动了有财政资金补贴的可再生能源建筑中应用示范项目。部分省市也相 继出台了一些地方激励政策，有力地推进了地源热泵技术的普及。自从我国实施民用建 筑节能设计标准后，提高了建筑隔热保温性能，降低了建筑采暖能耗，也大幅度降低了 地源热泵采暖方式的年运行费用，增加了地源热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。 进入新世纪，生产力的水平日益提高，人类已经认识到地球上资源和能源的匮乏。我 国能源短缺是一个不争的事实。除此，我国总的能源利用水平又低，仅相当于发达国家上 世纪5 0 年代的水平。我国要在能源每年增长率仅为3 5 的条件下满足国民经济持续每年 增长8 9 ，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了我国必须在空调这一 耗能大项上有所改进。 地源热泵，作为一种高效环保空调技术，为我们带来了巨大的契机，它能够减少能量 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 消耗，降低环境污染，同时能保证业主空调系统的可靠性和经济性。地源热泵比传统空调 系统运行效率要高4 0 ，因此要节能和节省运行费用4 0 左右【3 6