（环境工程专业论文）地埋管地源热泵技术应用于武汉地区空调工程的若干实例分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 地埋管地源热泵空调系统利用热泵机组夏季向浅层土壤排放热量，冬季再从中提取热 量以实现制冷供热，因其有较高的能效比，目前正作为一项节能技术在全国许多地区大力 推行，这项技术的应用与工程所在地的气候条件、土壤条件等密切相关。本文针对武汉地 区的三个地埋管地源热泵空调工程，在实测基础上进行计算和分析，主要内容和结论如下： ( 1 ) 对湖北出入境检验检疫局地埋管地源热泵空调工程的实测与分析表明，夏季土壤 温度呈上升趋势，冬季呈下降趋势。2 0 1 0 年土壤温度升高0 7 9 ，系统运行一个夏季和两 个冬季后升高0 2 3 ，说明土壤热平衡较好。用户侧供回水温差为冬季1 8 2 2 、夏季 1 2 2 ，地源侧供回水温差为冬季1 0 5 、夏季1 1 ，说明供回水温度波动范围较小。 系统c o p 为冬季3 6 ，夏季2 5 5 。 ( 2 ) 对清江花园地埋管地源热泵空调工程的实测与分析表明，土壤温度的变化趋势、 幅度和室外气温关系不是很密切。土壤温度的变化幅度为夏季1 0 6 7 、冬季4 2 ，说 明埋管数量不足。用户侧供回水温差为冬季2 1 、夏季2 6 ，地源侧供回水温差为冬季 1 7 、夏季2 6 ，说明供回水温度波动范围较小。系统c o p 为冬季3 1 5 ，夏季3 6 。 ( 3 ) 对武昌火车站地埋管地源热泵空调工程的实测与分析表明，2 0 0 8 2 0 0 9 年土壤温 度升高2 1 ，2 0 0 9 2 0 1 0 年升高1 6 ，2 0 1 0 2 0 1 1 年降低1 ，2 0 0 8 2 0 1 1 年升高2 7 ， 土壤温度在逐渐升高，说明存在严重热堆积问题。用户侧供回水温差为冬季3 7 9 5 4 3 、 夏季2 5 7 3 2 8 ，地源侧供回水温差为冬季2 1 5 2 3 9 、夏季2 7 9 3 3 5 ，说明系统 设计余量大，埋管数量不足。系统c o p 为冬季1 8 3 2 0 2 ，夏季1 5 3 1 7 4 。除了室外环 境温度、末端设备使用效率对c o p 有影响外，本工程的卫生热水循环管路阻力损失较大， 系统运行过程中关闭了该管路，也导致c o p 偏小。因此，应综合考虑各种因素，合理设计 系统形式，确定埋管数量，才能提高系统的能源利用效率。 ( 4 ) 以湖北出入境检验检疫局地埋管地源热泵空调工程为例，利用d e s 卜c 软件进行 能耗模拟计算，结果表明方案1 ( 水冷螺杆机组和燃气锅炉) 系统c o p 为冬季1 1 2 、夏季 2 0 6 ，方案2 ( 直燃式溴化锂机组) 为冬季1 2 2 、夏季2 3 7 ，方案3 ( 风冷热泵系统) 为冬季 o 5 8 、夏季1 3 l 。都明显低于方案4 ( 地埋管地源热泵系统) 的实测系统c o p ( 冬季3 6 、 夏季2 5 5 ) ，说明地埋管地源热泵系统的能源利用效率高于其他方案。 ( 5 ) 对上述四种方案进行经济性和环境效益分析，结果表明方案4 的初投资费用比方 案1 增加3 8 7 万元、比方案2 增加3 7 4 万元、比方案3 增加3 9 l 万元，年运行维护费用比 方案1 减少5 6 0 7 万元、比方案2 减少7 8 1 4 万元、比方案3 减少3 7 2 5 万元。和方案1 相 比，方案4 的静态投资回收期为6 9 年；和方案2 相比，为4 7 9 年：和方案3 相比，为1 0 4 年。方案4 各种污染物量的排放均少于其他方案。 关键词：地埋管地源热泵实测能耗经济性环境效益 第页武汉科技大学硕士学文论文 a b s t r a c t c 1 0 s e d l o o p 舯u n d s o l l r c eh e a t p 眦叩a 水c o i 】d i t i o n i n gs y s t e mu t i l i z i l l g h e a tp u i n p s d i s c l 】a r g e sh e a tt 0t h es l 】a 0 wl a y e rs o i l ms 啪e r ，a n de 对r a c t sh e a t 舶mt h es 1 1 a u o wi a y e rs o i l i 1 1w i i l t e rt 0r e a l i z er e e i g e m t i o na n dh e a t i f l g b e c a u s eo f i t s1 1 i g he 1 1 e r g ye 伍c i e n c yf a t i o ，i ti s b e i l l gw i d e l yu s e da sa ne l 】e r g ys a v i l l gt e c l l l 的l o g y i no c o l l l 姆t h ea p p l i c a t i o no ft l l i s t e c h m b g ) ，i sc o n n e c t e dw i t hc h m a t ec o n d “i o n ，s o i lc o i 】d i t i o no f t h ep r o j e c ta i 】do t h e r 蠡c t o r s i n m ep 叩e r ，a c c o r d i n gt ot 鹏ec 1 0 s e d 1 0 0 pg r o u n ds o w c eh e a tp l l l = 叩a n c o n d i t i o n i n gp r o j e c t si i l w 曲a n ，t h e s ed a t ao nt h eb a l s i so fm e a s u r e m e n ta r ec a 】c u l a t e da n da m l y z e d m a i l lc o n t e n t sa n d c o i 】c l u s i o n sa r ee ) 中r e s s e da s 南o w s ： ( 1 ) t h e 躲a s 眦m e n ta i 】da m l y s 砖o fe x i t - e n t r y i n s p e c t i o na n dq u a r a n t 诚b 眦a u c 1 0 s e d - b o pg f o u n ds o l eh e a tp l l m pa “c o f m i t i o n i t l gp r o j e c ti i lh d b e ip r o v i n c ei 1 1 d i c a t e st h a t s o i lt e n p e r a t l l r es h o w sa ni 1 1 c r e a s i i l gt e n d e i yi i ls 唧埘e ra 1 1 dad o w n t r e n di 1 1w i l l t e r tt l s oi l t e n 驴e r a t l 忧i i l c r e a s e db y0 7 9 i i l2 010 a n di t _ i l l c r e a s e d b y0 2 3 w h e nt h es y s t e m o p e m l e do n es u r 【1 i n e rs e a s o na i 】d 铆ow i i l t e rs e a s o i 】s t h e s er e s u bi n d i c a t et h a tt h eb a l a i l c eo f s o i lt e m p e r a t ei sv e r y9 0 0 d t h et e i 印e r a t u r ed i f 电r e l l c eb e t w e e ns 呷p l y _ w a i e ra 1 1 db a c k w a t e r o nt b el l s e ds i d em n g e s 丘o m1 8t o2 2 i nw m t e ra i 】d 丘o m1 2 t o2 i i ls u 瑚m e r t h e t e n 叩e r a t ed i f 诧r e n c eb e t w e e ns 呷p 1 弘w a 钯ra i 】db a c l ( 、7 忸t e ro nt h eg r o u i l ds o u r c es _ i d ei s1 0 5 协w 协t e ra 1 1 d1 1 i 1 1s u m m e r t h e s ec a l | c u l a t i o nr e s u bs h o wt h a tt h et e m p e r a t u r eo f s 印p l y - w l t e ra n db a c k w a t e ri si 1 1t h es i n a r a n g e t h es y s t e mh a sac o po f2 5 5ms u 蛐e ra n d 3 6 证w m t e r ( 2 ) t h em e a l s u r e m e ma n da m l y s i so fq i n 囟i a n gg a r d e nc 1 0 s e d 山o p 舯u i l ds o u r c eh e a t p u l l 平a 计c o i l d i t i o n i i l gp r o j e c ts l 】o w st 1 1 a tt h ec l l a n g i i l gt e 】1 d e i 】c ya n dr a n g eo fs o i lt e n 驴e m t u r ei s m tr e l a t e dt oo u t d o o rt e n 驴e r a t w e t h ec b a n g i n gr a n 萨o fs o i lt e n p e m _ 缸ei sl0 6 7 i ns 雠瑚e r a l 】d4 2 i nw i l l t er t b e s er e s u l t si i l d i c a t et 1 1 a tb i e dp 币eq u a n t i t yi s i e s st 1 1 a nt l l ea c t u a l n e e d t h e 缸印e r a t ed i & r e n c eb e 铆e e ns 叩p l y - w a 缸a n db a c h 阻缸o nt h eu s e ds i c l ei s2 1 i i lw i i 】t e ra n d2 6 证s 眦埘e r - t h et e m p e m t i 既d i f f - e r e l l c eb e t w e e n s 坤p l y _ w a t c 才a n db a c k w a t e f o nt h e g r o u n ds o u r c es i d ei s1 7 i i lw i l 吐e ra 耐2 6 i i ls 1 】m m er t h e s ec a l c u h t i o nr e s u l t s i i 】d i c a t et h a tt h et e 呷e m t u r eo f s u p p 妒w a t e ra n db a c k w a t e ri si nt h e s i m m n 萨t h es y s t e ml l a s a c o po f 3 6i 1 1s l l m m e ra l 】d3 1 5i i lw i i l t e r ( 3 ) t h em e a s 眦m e n ta 1 1 da i 】a l y s i so f w u c l l a n gr a d w a ys 诅t i o nc b s e d _ b o p 舯u i 】ds o 眦e h e a tp u l 】叩a 讧c o n d i t i o n i n gp r o j e c ts h o w st h a ts o i lt e m p e r a t 切- ei i ：虻r e a s e d b y2 1 i i l2 0 0 8 2 0 0 9a n d1 6 i f l2 0 0 9 2 0 1 0 ，d e e r e a s e db y1 i i l 2 0 1 0 2 0 1 1a n di n c r e a s e db v2 7 抽 2 0 0 8 2 0 1 1 t h e s er e s u l t si i l d j c a t et l l a tt h ei i l c r e a s e ds o dt e m p e i a t u r em a y1 e a dt o s e r i o l 】s p r o b l e mo fh e a tp a c k i n g mt e l n p e r a t 眦d i 航r e n c eb e t w e e ns 坤p l y - 她ra i 】db a c k w ，眈ro nt h e u s e ds i d er a n g e s 缸o m3 7 9t o5 4 3 i i lw 妯钯ra 1 1 d 五i o m2 5 7t o3 2 8 i i l s u m m e r t h c 武汉科技大学硕士学位论文 第i 页 t e i i 驴e r a t ed i f 凳r e n c eb e t v 旧e ns 呷p l y w a t e ra n db a c k 、) 旧t e ro nt 王1 e 即u i l ds o l es i d er a n g p s 蠡o m2 1 5t 02 3 9 i i lw m _ t e ra n d 矗_ o m2 7 9t 03 3 5 i i ls l 】m m er t l 】e s ec a l c u h t i o nr e s u b s l 】o wt i mb i e dp 的eq u a n t i t yi sl e s st i l a nt h ea c t l 】a ln e e d t b es y s t e mh a sac o po f1 5 3t o1 7 4 洫s 咖e ra l 】d1 8 3t o2 0 2mw i n t er b o t ho u t d o o rt e m p e m t u r ea 1 1 d e n e r g ) re 伍c i e n c yo f 储m i i l a ld e v i c e sh a v e 硼u e n c eo nc o p t h ef e s i s t a n c el o s so fh y g i e mh o tw a t e rc 砬u l a t i o n 呻e h i l e 衙t h ep r o j e c ti sv e r yb i g ，a n dt m sc 沁u h t 幻nc 哥c u i cj sc l i to 伍i ta l s on l a l 【e sc o p s n l a u 1 1 1o r d e rt oi i n p r 0 v ee 1 1 e r g ) ，e 伍c j e n c y ，a uf k t o r ss 王1 0 u j db ec o i 】s i d e r e dt or e a s o n a b l yd e s i g nt h e s y s t e ma i l dc a k u l a _ t eb u r i e dpi p eq u a l 】t i 吼 ( 4 ) 呲堍e x i t _ e n t r yi 璐p e c t i o na n dq u a m i 吐硫b e a uc 1 0 s e d 山o pg r o u n ds 0 眦eh e a t p u i 印a 讧c o i 】d i t i o n i n gp 叫e c ta sa ne x a m p | e ，e n e r 斟c o l l s u 驴t 幻ns i m u i a t 蛔nc a l c u l a t j o n sb y d e s t cs o 缸w a r ea r em a d e t 1 1 e s er e s u l t ss l l o wt b a tt h e 五豳ts y s t e m ( c o o i i l l gw a t e rs y s t e mo f s c r e wc h i l l e dw a t e ru i l i t sa n dg a s 一舭db o i l e r ) h a u sac o po f1 1 2i i lw i i l t e ra i l d2 0 6i ns 啪e r ， m es e c o n ds y s t e m ( d i r e c t 觚dm a c h i r l e su s i n gl i t l l i m nb r o m i d e ) i l a sac o po f l 2 2i i lw i i l t e ra n d 2 3 7ms u r 衄r ，a 1 1 dt i 】et l l i r ds y s t e m ( a n c o o l i l l gh e a tp u i n ps y s t e m ) h a sac o po f 0 5 8i i lw 缸e r a i 】d11 3li n er t l 】ec o po f a b o v et h r e es y s t e 匹i ss i m e rt 1 1 a nt h em e a s 珊e m e i 缱c o po f t h e 蠡u r t hs y s t e m ( c l o s e d l o o pg r 0 山1 ds o l eh e a tp u i i 驴s ) 慨m ) ，w i l i c hb a sac o po f 2 5 5i i lw i n t e r a i l d3 6i ns u m 【i 】【e r 0 b v i o u s l y ，t h ee 1 1 e r g ) ，e 衔c i e n c yo f t l l i sc i o s e d b o p 印u i l ds o u r c eh e a tp u i n p s y s t e mi sl l i g h e rt h a no t h e rs y s t e n 】s ( 5 ) t b ee c o l l o i n va n de n v i r o r m 置n t a lb e l l e 盘f - 0 rt h ea b o v e 白l hs y s t e i l l si sc a l c u l a t e da i l d a m i y z e d 1 1 l e s er e s u l t ss h o wt l 】a tt h ei 1 1 i t i a li n v e s t m e i 吐o ft l l e 南u n hs y s t e mi n c r e a s e sb y3 8 7 珈叫i o ny u a nt l l a n t h e 丘r s ts y s t e m ，3 7 4i 词l i o ny l 】a nt 1 1 a n t h es e c o i 】ds y s t e ma i l d3 9 11 1 1 i u i o ny u a n l l l a nt 1 1 et h 矾s y s t em t h ea 1 1 i l _ i 玢lo p e r a t i o nc o s to ft h e 白谢hs y s t e md e c r e a s e sb y5 6 0 7i i l i l l i o n y u a nt h a nt 量】e 丘r s ts y 啦m ，7 8 1 4m 曲o ny l l a nt h a nt h es e c o n ds y s t e ma i l d3 8 。2 5n l i l h o ny u a n l l l a nt h et h 耐s y s t e m c o i 印a r e dw i t ht b ef i r s ts y s t e m ，t h es t a t i cp a y b a c kp e r i o do ft h e 南t h s y s t e mi s6 9y e a r s c o m p a r e dw i t ht l 】es e c o n ds y s t e m ，“i s4 7 9y e a r s c o 呷a r e dw i t h t l l et h 矾 s y s t e m ，i ti s1 0 4y e a r s t h ep o n 砌施d j s c l l a r g e db yt h ef o t hs y s 伦ma r e l e s st l 】a no t h e r s v s t e i n s k e ”蚰r d s ：c l o s e d l o o pg r o u i 】d s o c e 王l e a tp 眦 叩，r m a l s u r e i i l e m ， e n e r 影c o l l s l l i 印t 幻n ， e c o l y ， e n v 的n 船n ：t a lb e i l e m 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 能源与可持续发展问题 在过去的2 0 世纪，人类在经济、科技、教育、社会等领域取得较大进展，但是对于 环境和发展问题始终面临严峻挑战，2 l 世纪人类也将必须面对这个亟待解决的问题。 能源虽然能够改善人类生活，促进经济发展，但是同样也能造成空气污染、全球变暖、 臭氧层破坏等。目前世界各国使用的能源主要是石油、煤炭和天然气，核能和水电所占的 比例相对较小，现有的能源消费结构方式仍然不能称为可持续发展。 能源是人类社会发展和进步的重要资源，几乎与各个领域均有联系，然而各种能源的 储量是有限的，我们应当充分认识到世界能源的有限性和稀缺性，并将节约能源的意识贯 彻到人类生产和生活当中。2 0 世纪8 0 年代人类提出了可持续发展观，其主张协调环境、 资源和人口三者之间的矛盾，力争实现经济、社会和环境的共同发展。 近年来世界能源的消耗量在不断增加，据预测未来2 0 年内能源消耗的增长率平均为 2 年n 1 。因此，除了采用先进技术提高矿物燃料的利用效率和推广洁净煤技术外，增加清 洁的、可再生的能源使用量已经迫在眉睫。 可再生能源通常是指对环境无污染、能够持续利用的一次能源，如风能、水能、太阳 能、生物质能、氢能、波浪能及海洋表面与深层之间的热循环等。热泵技术的不断发展和 完善，为利用水能和地热能等资源提供了强有力的手段。 1 1 2 建筑能耗现状 随着经济发展和人民生活水平的不断提高，公共建筑和住宅的空调系统能耗在逐年增 加，目前发达国家的建筑能耗约占总能耗的3 0 5 0 左右，其中用于建筑采暖、空调的 能耗约占一半以上。我国建筑能耗约占总能耗的1 9 8 ，其中建筑围护结构散失的能量和 空调系统能耗在整个建筑能耗中占主导地位捌。我国仍然以煤炭( 约占6 0 ) 为主要能源， 石油所占比例约为2 5 ，天然气所占比例较小。世界能源消费结构中石油占主导地位，天 然气和煤炭所占比例相同。显然，煤炭在我国的能源消费结构中占有举足轻重的地位口1 。 煤炭在燃烧过程中会产生大量污染物，主要包括烟尘、s 0 2 、n o x 和c 0 2 等。2 0 世纪 8 0 年代以前，北方地区冬季主要采用燃煤锅炉供暖，夏季主要采用水冷机组制冷。2 0 世 纪8 0 年代以后，制冷机组的形式开始多样化，出现了溴化锂机组、风冷机组等，其装机 容量也发生很大变化，小型制冷机组开始在实际工程中得到广泛应用。2 0 世纪9 0 年代以 后，供暖方式发生很大改变，从原有的依靠燃煤和燃油锅炉供暖逐渐过渡到采用燃气锅炉 和电锅炉等供暖。而煤炭、石油、天然气等资源属于不可再生能源，为了实现可持续发展， 必须提高这些传统能源的利用效率和采用可再生能源，减小建筑能耗。 第2 页武汉科技大学 硕士学文论文 1 1 3 地埋管地源热泵系统的现实意义 随着我国建筑行业的稳定发展，对建筑节能的要求也愈来愈高。而如何降低我国冬季 采暖造成的大气污染和空调系统的能源消耗量，实现节约能源的目的，一直是建筑节能和 暖通空调工作者追求的目标。特别是近几年来大中型城市为提高空气质量，迫切需要减少 燃煤量，提高矿物燃料等能源的利用效率，推广使用洁净煤技术、可再生能源等。 地球可以说是一个巨大的蓄热体，其热容量大、蓄热放热性能好。而地埋管地源热泵 系统的实质就是利用水与地下土壤进行冷量和热量交换，夏季通过热泵机组将建筑物内的 热量释放到土壤中以备冬用，冬季再利用热泵技术把储存在土壤中的热量取出来对室内进 行供暖，实现夏季制冷和冬季制热的目的，解决系统所需的冷源和热源问题，具有显著的 节能环保特点。 美国特别看好新能源在中国的市场前景，1 9 9 7 年1 1 月中国科技部和美国能源部签署 了中美能源效率及可再生能源合作议定书。2 0 0 8 年6 月1 8 日，在美国财政部中国国务 院副总理王岐山和美国财长鲍尔森分别代表两国政府共同签署了中美能源和环境十年合 作框架文件，旨在帮助中国引进并推广“地源热泵”技术，使之在中国产业化、市场化 发展。通过运用这种“绿色技术”，实现缓解中国对煤炭和石油依赖程度的目的，使中国 对地源热泵技术的研究和开发尽快跟上国际潮流h 。 目前我国从事地源热泵技术研究的企业愈来愈多，企业规模分布如图1 1 所示pj 。由 图1 1 可以看出，以中小型企业居多，说明目前我国地源热泵行业刚刚处于起步阶段，技 术提升空间很大。 3 0 0 0 万元以下 3 0 0 0 5 0 万元 2 5 5 。o 万1 亿元 1 2 5 图1 1不同地源热泵企业的规模对比图 近年来随着我国对地埋管地源热泵技术的重视，这方面的理论和实验研究相当活跃， 在实际工程中的应用数量也在逐年增加，采用这项技术有利于实现节约能源的目标。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪初期，瑞士专家h - _ z o e y 【6 1 第一次提出热泵系统可以利用蕴藏在浅层土壤中的 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 能量当作冷热源的观点，当时由于一次能源比较充足，社会对采用热泵供暖的需求较小， 热泵技术也就没有引起人们的足够重视。美国和欧洲到1 9 4 8 年才真正对这项技术重视起 来，开始对地源热泵系统进行研究，由于这个时期的能源非常低廉，采用这种系统并不能 取得很好的经济效益，因而也没有得到大面积的广泛应用。自2 0 世纪7 0 年代初期开始出 现石油危机，同时环境也不断恶化，人们逐渐认识到开发新能源的重要性和必要性，因此 对该技术逐渐重视起来。大量有关土壤源热泵系统的实验平台开始在欧洲各国出现，荷兰、 瑞典等国由政府出资建立的工程也愈来愈多，美国在1 9 7 0 年末1 9 9 0 年初这段时间也做 了很多有关利用地源热泵系统制冷供热的实验，可以说这项技术得到空前发展。 据统计美国1 9 8 5 年共安装了1 。4 万台地源热泵，1 9 9 8 年共安装了4 5 万台，截止到 1 9 9 8 年美国商业建筑中地源热泵系统的总装机容量已经占空调总装机容量的1 9 。到2 0 0 0 年安装的机组总数是4 0 万台，2 0 0 4 年共安装了6 7 万台，2 0 0 5 年共安装了1 0 0 万台，并 且以平均每年1 0 的速度在增长口1 。 据2 0 0 5 年地源热泵空调系统工程应用数量调查结果显示，采用这项技术的工程加拿 大新增5 0 ，挪威、瑞士增加9 6 ，奥地利增加4 5 ，丹麦增加3 5 ，日本的地源热泵技术 在亚洲是最先进的，而且工程应用比例最高嫡。 国外对地源热泵技术的研究目前主要集中在地下换热器上阳1 ，其设计计算模型初步统 计约有3 0 多种，常见的有线热源和圆柱热源模型，岩土温度场的动态变化情况是影响这 些模型建立的主要因素。 h a 沁v 等n 们分析了地埋管换热器周围土壤的热传导率变化情况，其主要影响因素是土 壤湿度的变化。系统制冷时，换热速度愈大，土壤的热传导率愈小，其换热量减少。 d r o w n 等分析了土壤热传导率对地源热泵系统运行性能的影响，土壤热传导率每增 加1 w mk ，蓄热运行时间将减少7 8 。 d e n g 等n 2 1 采用一个二维非稳态传热模型( 忽略土壤湿度变化的影响) 模拟分析了垂直 地埋管热交换器在多层土质土壤中其热传导率变化情况，结果表明多层土质中其热传导率 是不连续的，粗沙层和细沙层的热传导率分别比粘土高6 2 和2 7 。 w hl e o n g 等n 3 1 模拟分析了地源热泵系统在不同土质、不同相对湿度( ( p = 0 j 6 、平 = 1 2 5 、( p = 2 5 、( p = 5 0 和( p = 1 0 0 ) 条件下的性能变化情况。研究结果表明，土质和湿 度变化对系统的性能影响很大。当( p 5 0 时，c o p 变化 较小。 1 2 2 国内研究现状 近几年来，随着我国经济的稳定增长和科研水平的不断提高，地源热泵技术得到飞速 发展，应用范围越来越广。在工程应用方面，地埋管地源热泵技术的发展速度最快，且应 用潜力较大。1 9 9 8 年，同济大学、湖南大学、青岛建工学院、重庆建筑大学等建立了地源 热泵实验台，开始对地源热泵技术进行研究。清华大学等高校与有关地源热泵企业联合建 立了很多实验室来研究该系统的性能特征，也发表了很多具有参考意义的论文，目前己建 第4 页武汉科技大学硕士学文论文 成很多示范工程。2 0 0 6 年1 月，国家建设部颁布了地源热泵系统工程技术规范国家标准。 同年1 2 月，建设部发布了“十一五”重点推广技术领域文件，具有高效节能、可再生 等优点的地源热泵技术被列入目录。 国内对地埋管地源热泵技术的研究目前主要集中在以下五个方面：地埋管换热器的传 热模型建立、地埋管换热器的传热效果模拟和分析研究、地埋管换热器类型的选择和盘管 间距的理论分析、土壤冻结对地埋管换热器的传热效果影响、间歇运行时对地埋管换热器 的性能分析n 们口5 | 。 张旭等n 6 1 在含水率和密度不同时，利用探针分别测试了土壤及按一定比例混合的土和 沙的导热系数入的变化情况，研究结果表明随着含水率和密度的增加，土壤和混合的土沙 导热系数入也逐渐增加。 王勇、李芄等7 儿1 8 1 通过大量实验研究分析了回填介质、水流速度、连接方式和季节对 u 型地埋管换热器传热系数的影响，为优化其传热效果提供了可靠依据。 刘宪英等n 鲫利用系统能量平衡方程和热传导方程，建立了地下竖直地埋套管群换热器 的传热模型和过度季节土壤温度场的模型，由实测结果和模拟结果可知二者吻合较好。 吕灿仁等1 介绍了地源热泵系统的相关模型试验，并论证了热泵系统能够有效提高低 温地热的能源利用效率，是城市供暖的有效方式之一。 李敏瞳u 利用d e s t 和m a i l a b 软件分别模拟分析了某办公建筑在五个典型地区运行 2 0 年期间地下土壤温度和埋管侧的进出口温度变化情况，分析了土壤热失衡问题及长期运 行过程中系统性能的变化情况。 姚远、符永正瞳到以具体工程为例，分析了采用热回收技术有助于缓解地下土壤热失衡 的问题。 王斌乜础选取了武汉某采用地埋管地源热泵冷却塔系统的办公建筑，利用d e s t 和 e n e r g y p l u s 软件对各种方案进行了能耗模拟分析，并提出了新的机组选型方法和冷却塔运 行控制策略。 目前我国对地埋管地源热泵技术的研究仍然主要局限在对所建立的实验模型进行模 拟计算，而对系统在实际运行过程中的性能变化、土壤温度变化等内容研究较少，这项技 术的应用与工程所在地的气候条件、土壤条件等密切相关。武汉地区采用地埋管地源热泵 空调系统的工程出现时间不早，设计经验和运行实践都还不多，因此对现有工程进行运行 实测，在此基础上进行冬夏季土壤热平衡分析、能效比分析以及经济性和环境效益分析， 其结果对于此类工程的决策和设计将有一定的借鉴和参考作用，以推动这项技术在武汉地 区的健康发展。 1 3 主要研究内容 本文针对武汉地区的三个地埋管地源热泵空调工程，在实测的基础上进行计算和分 析，主要研究以下内容： ( 1 ) 根据实测数据分析冬夏季土壤热平衡问题、用户侧和地源侧的供回水温度变化 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 情况以及性能系数c o p 的变化情况，总结工程设计经验，旨在为其他拟采用该技术的工程 提供借鉴和参考作用。 ( 2 ) 利用d e s t c 软件对各种冷热源配置方案进行能耗模拟分析以及经济性和环境效 益分析，说明地埋管地源热泵空调系统的具体节能情况。 第6 页武汉科技大学 硕士学文论文 第二章地源热泵系统概述 2 1 工作原理 水在自身重力的作用下从高处流向低处这种现象对我们而言已经司空见惯，在自然状 态下热量也永远只能从高温处传到低温处，但是人类可以借助外界设备( 如热泵机组) 把 热量从低温处转移到高温处，实质上热泵就是一种能量提升装置。热泵和制冷机一样都是 按照逆卡诺循环原理进行工作的，设备组成和功能也均相同，其作用是不断吸收周围环境 介质中的热量，并把它传递给高温物体。热泵在工作过程中，本身会消耗一部分能量来挖 掘周围环境介质中贮存的能量，提高介质温度后并加以利用，而整个热泵系统装置在循环 过程中所消耗的功仅占输出热量的三分之一甚至更低 2 4 】【2 5 1 。因此采用热泵技术具有显著的 节能特点。 地埋管地源热泵系统使浅层地能向高位热能转移需要消耗少量高品位能源( 如电能) ， 利用循环水与地下土壤进行冷、热交换，夏季通过热泵机组把建筑物内的热量取出来排放 到地下土壤中以备冬用，冬季再利用热泵技术把储存在地下土壤中的热量取出来送到室内 供暖【2 6 】【2 7 1 ，其原理如图2 1 所示。地下土壤就像一个免费的巨大热量储存源泉，利用热泵 技术可以很容易地实现能量的季节转换。 避下环魏 2 2 分类 图2 1 地埋管地源热泵系统的工作原理示意图 糖窿辫 地表浅层就像一个巨大的太阳能集热器，能够收集的能量占太阳辐射总能量的4 7 ， 是人类每年利用能量的5 0 0 多倍【2 8 】 2 9 1 。它无处不在，具有不受资源、地域限制等优点。地 表浅层的地热能资源温度一年四季比较稳定，夏季地表浅层温度比环境空气温度低，冬季 地表浅层温度比环境空气温度高，是热泵很好的供冷冷源和供热热源。 参照1 9 9 5 年出版的a s h r a eh a n d b o o k ( 玳厂a c a p p l i c a t i d i l s ) 标准【30 1 ，按照室外换热 方式的不同，地源热泵系统可以分为地下水源热泵系统、地表水源热泵系统、埋管式土壤 源热泵系统和单井换热热井，如图2 - 2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 北欧和中欧部分国家更加注重地下季节性蓄能的应用，提倡利用浅层地热和地下蓄能 体为建筑物提供所需的冬季热源和夏季冷源，因此又可以把地源热泵系统归类于地下季节 性蓄能的应用领域，其中最重要的一个应用分支是热泵机组与地下埋管式蓄能相结合的地 下耦合热泵系统或埋管式土壤源热泵系统【3 1 【32 1 ，如图2 3 所示。 图2 2 地源热泵系统分类( a s h r a eh a n d b o o k ) 图2 3 地源热泵系统分类 2 3 组成 地埋管地源热泵系统主要由以下四个环路构成【33 1 ，即 1 ) 室外地能换热系统环路 地下循环封闭环路由高强度的塑料管组成，管内流动的循环介质为水或水占主要成分 的防冻液。冬季供暖时从土壤中吸收热量，夏季制冷时向土壤中释放热量，系统运行过程 中所需的动力由低功率的循环泵提供。 2 ) 制冷剂环路 与空气源热泵系统相比，地源热泵机组内部只是将空气制冷剂换热器替换为水制 冷剂换热器，其它结构基本相同。 3 ) 室内采暖空调末端系统环路 室内环路在热泵机组和建筑物内部之间传递热量，常见的热量传递介质有水、空气、 制冷剂等，相应的热泵机组分别称为水水式热泵机组、水空气式热泵机组、水制冷 剂式热泵机组等，其中应用最广泛的是水水式热泵机组和水空气式热泵机组。 4 ) 生活热水环路 该封闭环路是可供选择的，主要利用冷凝器放出的热量生产生活热水，加热同样容积 的水，其能耗也远远低于电热水器。 通过热泵机组的四通换向阀调节制冷剂的流动方向或者互换热泵机组冷却水与冷冻 水的进出口位置，实现制冷和供热模式的转换。 2 4 主要发展形式 地埋管地源热泵系统按照换热器的埋管方式不刚34 1 ，分为以下两种： 1 ) 水平埋管系统 第8 页武汉科技大学 硕士学文论文 通过埋深2 4 m 左右的闭合换热系统与土壤进行热量交换，系统初投资费用低、施工 难度小，但占地面积较大。主要用于小型建筑，如小型单体楼等，如图2 4 所示。 2 ) 垂直埋管系统 通过垂直钻孔技术将闭合换热系统埋置在深5 0 4 0 0 m 处，利用埋管式热交换器与土 壤进行热量交换。系统初投资费用高、施工难度相对较大，但占地面积较小。主要用于大 型建筑，如别墅群、写字楼等，如图2 5 所示。 图2 4 水平埋管系统图2 5 垂直埋管系统 地源热泵系统按照循环形式的不刚35 1 ，分为以下三种： 1 ) 开式循环系统 可以用竖井、湖泊或者河流中的水作换热介质，其热交换方式和闭式循环系统相同， 热交换以后的水排放到选定地点。 2 ) 闭式循环系统 地下换热器主要采用高密度的聚乙烯管作为管道。管道若采用垂直安装方式，埋深可 达1 5 0 2 0 0 英尺；若采用水平安装方式，埋深可达4 6 英尺，也可以将管道置于池塘底部。 3 ) 混合循环系统 将地源热泵系统和冷却塔、太阳能集热器等联合使用，共同作为系统的冷源和热源。 一般按照混合循环系统的热负荷进行计算，选择所需的地下换热器，多余的热量经冷却塔 排放到大气环境中。 2 5 特点 利用地埋管地源热泵技术不仅可以为建筑物提供冷量和热量，还可以利用机组冷凝余 热生产生活热水，实现制冷、采暖和供热水一体化 3 6 】【37 1 ，主要优点如下： 1 ) 可再生能源利用技术 地源热泵系统利用地表浅层地热资源作为冷源和热源进行热量交换。地表浅层就像一 个巨大的蓄能体，能够将热泵机组和地能交换的热量贮存和提取出来，交替作为系统的冷 源和热源使用。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 ) 环境效益显著 相比其他常规空调系统，地源热泵机组运行过程中，既不消耗水、污染水，也不需要 锅炉和堆放燃料废物的场地，制冷剂泄漏量也大大减小。 3 ) 高效节能 地源热泵机组的耗电量较小，与空气源热泵机组相比，耗电量可减少4 0 以上；与电 供暖方式相比，耗电量可减少7 0 以上。地源热泵机组的运行效率比燃气锅炉的供热效率 高7 5 ，其c o p 也很高。 4 ) 制冷、采暖和供热水一体化 一套系统即可实现原来两套系统( 锅炉供暖和空调制冷系统) 才能实现的目标，可以 节省大量能源。 5 ) 自动运行，维护费用低 机组运行工况较稳定，运动部件较少，运行可靠，自动化可控制程度高，不易出故 障，其维护费用较低。 6 ) 系统使用寿命长 地下埋管管材一般选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，其寿命可达5 0 年，比常规空调系统 高3 5 年左右。 任何事物都具有两面性，地埋管地源热泵系统在应用过程中也受到诸多条件限制，主 要缺点如下： 1 ) 初投资费用高 这种系统依靠地埋管换热器与岩土体进行热交换，但是岩土体的传热效果不是很好， 为了维持建筑物内部冷热负荷平衡，需要增大地埋管换热器的传热面积，导致系统的初投 资费用增加。地质条件对埋管的费用影响也很大，在砾石层和硬岩层等复杂地层中钻孔， 其费用是普通土质层的5 1 0 倍左右。地埋管换热器的费用占总投资费用的l 3 l 2 左右。 与传统的锅炉+ 冷水机组或空气源热泵系统相比，地埋管地源热泵系统的初投资费用增加 1 0 4 0 左右；与集中供热系统相比，系统初投资费用增加1 2 倍。 2 ) 占地面积大 在我国华北地区，埋设地埋管换热器所需的埋地面积占建筑室内空调面积的2 0 3 0 左右，通常地埋管换热器的埋深在地面1 5 m 以下。对于建筑容积率较大的城镇地区和既 有建筑改造项目而言，往往缺乏足够的土地面积来埋设地埋管换热器，因此占地面积大仍 然是限制地埋管地源热泵系统在我国推广应用的主要条件之一。 3 ) 受气候条件影响大 地埋管地源热泵系统要求系统全年运行的冷、热负荷基本处于平衡状态，地下土壤就 像一个蓄热器，夏季储存热量，冬季供应热量。但是在北方严寒地区，冬季供暖时间大于 夏季供冷时间，冬季所需的热负荷高于夏季冷负荷，系统运行多年以后会导致地下土壤温 度逐年下降，运行效率降低；相反在南方地区，夏季供冷时间大于冬季供热时间，夏季所 需的冷负荷高于冬季热负荷，系统运行多年以后会导致地下土壤温度逐年升高，运行效率 第l o 页武汉科技大学硕士学文论文 降低。因此，推广该技术时仍需考虑冬夏季土壤热平衡问题。 2 6 应用范围与适用性 我国地域面积广阔，采用地源热泵技术的项目很多。调查结果显示，全国范围内采用 这项技术的工程有2 5 3 7 个，工程应用分布情况如表