（机械电子工程专业论文）基于热泵系统的地热交换分析.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 随着地源热泵系统在我国的运用，地源热泉的工作机理得到越来越多的关j 字。我田 高校与科研机构及生产单位对地源热泵的传热机理进行了广泛的研究，尤其是存定性研 究方面，取得了深入进展。本文从定量研究的目标出发，对传热模型进行，进一步探 讨，并对影响传热的各种因素进行了数值分析，同时验证讨沦了不考虑地f i 水迁移的传 热模型。在此基础上，对地源热泵系统相关的各因素的确定进行了详尽的探讨，并目阐 述了地源热泵设计的一般过程。 本文所在课题组，为一座6 0 0 平方米的独栋别墅开发了一套完整的地源热泵供暖系 统。针对这套系统，文中讨论了建立数学模型的一些基本假设，几种典型的解决十壤内 部温度分布的数学模型，例如线热源、圆柱形热源、u 型管模型等数学模型，对比了它 们各自的优缺点，给出了几种类型对应的结构图。介绍了有限元基本原理，有限元分析 软件的基本信息，阐述了有限元分析软件m a r c 的一些基本功能，而后通过建市物理 模型，网格划分，边界条件约束，初始化，加载载荷，过程运算和结果后处理等过程。 利用传热模型模拟了埋管内流体及周围土壤在不同深度和不同工况下的温度场，用人型 有限元软件m a r c 软件计算了等温线图，从图中可以直观的看出埋管周围土壤的温度 分布以及热作用半径的变化规律。 地源热泵在我国是一个新兴的科学研究领域，节能、环保、美化环境，有着广阔的 发展前景，存在着广阔的空间值得我们进一步的研究和试验。本文所提供理论模型与数 值计算的方浊，将为地源热泵工程和进一步研究提供理论依据和参考作用。 关键词：地源热泵地下换热器传热模型有限元分析示范工程 北方工业大学硕士学位论文 t h e r m a l a n a l y s i so fg r o u n dh e a te x c h a n g e r sf o r g r o u n d c o u p l e db e a tp u m ps y s t e m s a b s t r a c t a l o n g w i t hg r o u n d - s o u r e eh e a tp u m p s ( g s h p s ) a p p l y i n gt oc h i n a ，i t sp r i n c i p i u n m 0 f w o r kh a sb e e na t t r a c t e db ym o r ea n dm o r e m a n yc o m p a n i e sh a v eo b t a i n e ds u b s t a n t i a l p r o d u c t i o n ，i n c l u d i n gm a n yu n i v e r s i t i e s ，i n s t i t u t i o n sf o rs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dc o m p a n i e s a s s o c i a t e d , t h e yw o r kh a r do ns t u d y i n gg s h p s o nt h eb a s eo fd e p a r t e dp r o d u c t i o n ，t h e p a p e rs e tu pt h eh e a tt r a n s f e rm o d e la n ds t u d yo ni t a n dt h e n ，a n a l y s et h ef a c t o ro f a f f e c t i o nt h eh e a tt r a n s f e ru s i n gn u m e r i c a lv a l u em o d e l a c c o r d i n gt ot h er e s u l t , t h ep a p e r s t u d ya n dc o n f i r ms o m ep a r a m e t e rf o rd e s i g no fg s h p s i tm a yb es i m p l ye x p o u n do ft h e d e s i g np r o c e s so f g s h p s ，w h i c hc a nb ear e f e r e n c eo f t h et h e o r yr e s e a r c ha n dt h e p r a c t i c a ld e s i g n t h i sm t i e l ei nt h et o p i c - b a s e dg r o u p ，w a s6 0 0s q u a r em e t e ra l o n ev i l l a sh a s d e v e l o p e das e to fc o m p l e t ep l a c es o u r c eh e a tp u m ph e a t i n gs y s t e m t h i sp a p e r i n t r o d u c e ds o m eh y p o t h e s i s g om a k em o d e l sa n ds e v e r a lt y p i c a lm o d e l si nd e t a i l t h em o d e l si n e l u d el i n e - t y p ea n d c y l i n d r i c a lt y p ea n du - t y p e w ec o m p a r e dt h e s e m o d e l sa n d 【p r e s e n ts o m ec h a r t so ft h em o d e l s t h i sp a p c ri n t r o d u c e dt h et h e o r yo ff m i t ee l e m e n ta n dt h ei n f o r m a t i o no f t h e s o f t w a r e - i ti l l u s t r a t e dt h ef u n c t i o no f t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h ea n a l y s i s p r o c e s si n c l u d e sm o d e l i n g , m a k i n gg r i d d i n g , r e s t r c t i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n ，i n i t i a l i z i n g ， l o a d i n g ，c o m p u t i n ga n dr e s u l tt r e a t m e n te r e 。 t h eg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p1 sa f r e s hd o m a i ni nc h m aa n dh a sap r o m i s i n g d e v e l o p i n g t h et h e o r e t i c a l l ym o d e l a n dt h ew a yo f n u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o nw i l lo f f e r a c c o r da n dr e f e r e n c et oa p p f i c a t i o na n ds t u d yo fg s h p s k e y w o r d s ：g s h p sg r o u n d h e a t e x c h a n g e r t h e t r a n s f e r m o d e l f i n r ee l e m e n t d e m o n s t r a t i o np r o j e c t 2 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j b 友王业太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名肖霹签字日期卿年6 月工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j e 左王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：齑成争 签字日期凋年, q 7 _ f i 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期如1 年i 月i 厶日 电话： 邮编： 北方1 ：业大学硕七学位论文 l 绪论 1 1 课题研究背景 可持续发展已经成为2 1 世纪各国发展的共同方向和人类社会发展的共识，然而， 能源危机是制约可持续发展的关键性因素。我国是世界资源大国，据统计f ”，2 0 0 1 年 我国能源产量为1 0 9 亿吨标准煤，占世界总量的9 3 ，居世界第三。但是因为人f 众多，人均资源占有率低，所以我国又是相对资源贫国。在2 0 0 0 年可持续发展战略 报告中指出： “在未来的几十年中我国把降低能耗、提高能源利用效率和减少环境污 染作为新世纪能源战略依据”四。热泵技术是商效利用能源技术中的一种，热泵是以消 耗一部分高质能( 机械能、电能等) 或高温位能为代价，通过热力循环，把热能由低温物 体转移到高温物体的能量利用装置【3 】。采用空气作为热源的热泵空调在冬季气温较商 的长江以南地区已经逐步普及，但是在北方地区由于冬季气温较低f 在华北地区室外温 度最低可达- - 2 0 以下) ，空气源热泵的效率和性能大大下降。因此在北方地区，热泵 应用应当着眼于利用低品位能源或工业余热等有效途径【4 j 。浅层地热资源( 指地衷浅层的 土壤、地下水或河流中吸收的太阳能、地热能而蕴藏的低品位热能) 的温度在全年范围 内相对稳定，夏季土壤温度低于环境温度，冬季又要高于环境温度。因此，浅层地热资 源是一种良好的、可利用的低品位能源；同时，在我国不受地域范围的限制。浅层地热 资源的利用有两种方式，一种方式是抽取地下水，这种方式称为水源热泵；另一种方式 是采用地下埋管方式，称为地源热泵或土壤源热泵。地源热泵技术是有效利用浅悬地热 资源的节能技术之一，它的工作原理是：夏季，热泵的冷凝器通过中问介质f 通过软化 处理过的水或水溶液) 将热量排往低于环境温度的土壤；冬季，热泵的蒸发器通过中问 介质将高于环境温度的热量从土壤取出。对于小型建筑的室用地源热泵不仅有效的利用 了低品位能量，而且地下换热系统免维护，工作在比环境温度低( 夏季工况) 或高( 冬季工 况) 的状况下，比普通空调热泵更加节能，并且不对环境构成二次污染，因此近年来， 地源热泵技术日益引起人们的重视。 1 2 国外热泵技术的发展和现状 热泵的理论基础起源于十九世纪早期卡诺闭【6 】，在18 2 4 年发表的关于卡诺循环的 论文。1 8 3 0 年初，开尔文提出：冷冻装置可以用来加热。随后，许多科学家和工程师对 北方工业大学硕士学位论文 热泵进行了大量研究。1 8 5 2 年，威廉汤姆逊首先提出一种热泵设想，亦称热能放大 器。1 9 1 2 年瑞典专利局报道了一项首次以土壤作为热泵热源的应用技术。二十世纪2 0 3 0 年代，热泵取得较快的发展，英、美、德、瑞士等国已经进入了热泵的研制开发阶 段，英国安装了第一台热泵。最早的大容量热泵的应用是1 9 3 0 1 9 3 1 年问在美固南加利 福尼亚爱迪生公司的洛杉矶办事处，它将制冷设备用于供热，得到相当高的制热性能系 数。欧洲第一台较大的热泵装置是在苏黎世投入运行的，它以河水作热源，装有一台叫 转式压缩机，工质是r 1 2 。日本在1 9 3 0 年第一次报道了热泵试验，1 9 3 7 年在大型建筑 物内安装了热泵空调系统。热泵工业在二十世纪初到6 0 年代早期又获得迅速发展，到 1 9 4 3 年大型热泵的数量已相当可观。由于西欧国家的气候温和潮湿，适于使用热泵供 暖，而其夏季气温偏低。不需空调降温。因此，在这些国家罩，在二次大战后。主要与 集中供热相结合，发展了一些单一供热的大型热泵，对冷热两用的小型家用和中型商用 热泵未能引起生产厂商和供电企业的兴趣与重视。5 0 年代，美、英两国开始了以地热 作为热源的家用热泵的研究工作。1 9 7 3 年，能源危机的爆发使可回收低温废热，节约 能源的热泵又一次得到发展。7 0 年代以来，欧洲各国和前苏联、日、美、澳等国家对 热泵研究工作十分重视。前苏联、英、法、德国、丹麦、瑞典、挪威等国家都参加了世 界能源组织1 9 7 6 年成立的“国际热泵委员会”。 热泵技术经历7 段漫长而曲折的发展过程，在目前无疑己经得到突破眭进展，热泵 技术在许多工业发达国家获得突飞猛进的发展，热泵装置己进入了家庭、公共建筑、厂 房。欧洲、日本和北美的制造厂商都为工业、商业、建筑业和民用业提供大量热泵。在 美国，地热泵系统每年以2 0 的增长速度发展，而且未来还将以两位数的良好增长势头 继续发展。据美国能源信息管理局预测，到2 0 3 0 年地热泵将为供暖、散热和水加热提 供高达6 8 0 0 万吨油当量的能量。国际能源机构和欧洲共同体都制定了大型热泵发展计 划，预计在2 1 世纪初世界发达国家中供冷、供热用热泵不少于空调系统总量的2 0 ， 而不少新技术试验和现有热泵技术在新领域中的推广应用工作正在进行或规划之中。 1 9 9 9 年1 月在芝加哥召开的有5 万人参加的美国a s h r a e 年会上，公布了许多关于热 泵技术研究的新动态。国际能源组织每三年召开一次世界范围的热泵会议，2 0 0 0 年5 月在柏林召开第六次会议，为热泵新技术在世界范围内的交流和推广起了巨大的促进作 用。热泵的应用不断开拓，不仅仅用于采暖、空调系统上，而且在工、农、商业上也广 泛应用，如木材、食品、纸张的干燥，谷物、茶叶的烘干 7 ，牛奶浓缩，海水淡化 等。此外，还用于同时供冷、供热的场合。用土壤作为热泵的低温热源是第二次世界大 战后才被入们注意的，但仅是对地源热泵进行了一系列的试验研究工作。如关于地源热 2 北方r 业大学硕十学位论文 泵运行的试验研究、埋地盘管的试验研究、埋地盘管的数学模型，同时也对土壤的热流 理论方面作过研究。但其应用仍受一定的限制，原因是占地面积较大，盘管用量大，按 土地多维不稳定传热的过程，在计算和选择传热面积时较麻烦。但随着电子计算机技术 的发展。为解决此问题提供了条件，同时利用塑料盘管和采取垂直埋管等措施，使地源 热泵又以其特有的优势重新得到了人们的重视。上世纪七十年代至八十年代，荚嘲和欧 洲又展开了对地源热泵的理论和实验研究工作。在美国，1 9 7 8 年b n l ( b r o o k h a v e n n a l i o n a ll a b o 蹴。搿) 制定t 地源热泵的研究计划，调查其作为空调系统的应用情况，并 发表了一些研究成果。主要有对地源热泵实际运行的实验计算机模拟等。1 9 8 1 年，田 纳西大学安装了水平盘管式地源热泵，同时对地源热泵进行了大量的实验研究著取得一 定的成果【8 l 。在欧洲，瑞典、丹麦等国对该项研究也很积极，并出现了一些具体的应 用实例，这些应用主要是用于小型住宅或别墅中的。九十年代，在加幸大，美国，瑞典 等国地源热泵又得到突飞猛进的发展，许多别墅建筑都已安装或正在改装用热泵供热和 制冷 9 j 。 目前，热泵主要用来解决1 0 0 以下低温用能。据估计，欧洲在1 0 0 以下低温用 能方面的耗能量约占总耗能量的5 0 左右【l o l ，因此说，用热泵为暖通空凋提供1 0 0 。c 以下的低温用能具有重大的现实意义，是有更大的节能潜力的项新技术。同时，热泵 的应用又不像燃煤( 油) 锅炉那样会对环境产生污染，满足了当前的国际性的能源与环境 问题的要求，因此，热泵技术值得大力研究和推广【l l 】 1 2 1 1 3 国内热泵技术的发展和现状 我国自五十年代天津大学等单位开始了热泵研究工作，但其发展缓慢。1 9 6 5 年， 天津大学与天津市冷气机厂共同研制成国内第台水冷式热泵空调机。1 9 6 6 年又与铁 道部四方车辆研究所进行了铁路干线客车的空气空气热泵的试验。哈尔滨建筑大学徐 邦裕教授与哈尔滨空调机厂合作研制出热泵式恒温叵湿机组。直到八十年代初，国民经 济有了较大的发展，制冷空调事业发展很快，随着城市开放政策和消费水平的提高，空 调机及电加热产品不同程度地进入了工业和家庭。另外，由于能源供应紧张，节能及有 效利用能源的工作己刻不容缓，为了利用低品位能源和回收大量工业余热，热泉在各个 领域的研究逐步形成热潮，热泵技术得到较快的发展，并有了初步的成效。如冷暖宅凋 机、木材干燥、蒸馏水机的应用等。但总的来说，我固热泵发展水平与世界水平仍相差 甚远。特别是对研究成果的推广方面差距更大。至八十年代，热泵研究的种类多限于压 3 。 北方1 ：业大学硕七学位论文 限于压缩式热泵，仅有干燥去湿热泵，蒸发蒸馏热泵，热水型热泵等几种应用型式。但 在国际节能和环保组织的影响下，我国逐渐开始重视对热泵的研究和应用。1 9 8 3 年， 在北京召开了中国制冷学会低位热泵与热泵技术会议，发表了我国在这方面的研究成 果，并指出必须进一步探讨通过热泵提高能源利用率。1 9 8 6 年又召开了全国第二次热 泵学术讨论会，共发表了1 8 篇论文。在此基础上，热泵产品，特别是空调用热泵机组 有了较大的发展，其中小型热泵空调机( 器) 发展较快，而大、中型热泵机组还未形成批 量生产的能力，截止1 9 8 8 年，全国国产热泵式空调机约有5 5 万多台。九十年代，以热 能为动力的吸收式热泵有了一定的发展。在此期间，先后召开了三次热泵国际学术研讨 会及数次全国性热泵学术会议，发表了大盘关于热泵的理论与实验研究的文章，热泵产 品以小型空气源热泵空调器的形式迅速发展，但仍存在一些问题：相对价格偏高。规格 不多，产量不高；可靠性不强，大部分产品为仿造国外样机，未进行优化设计：一般仪能 供单独房白j 使用：除霜控制设计不成熟等。我国对大型热泵的研究与生产较少。1 9 9 0 年，天津大学热研究所研制了变电站中利用调相机冷却水为低位热源的热泵供热和空调 系统，供热性能系数达3 0 2 。这是一个比较成功的大型热泵应用实例。同时，我固积 极开展对新型热泵的研究与试制，如：双良集团研制的吸收式热泵。国内对热泵技术的 研究工作主要集中在对空气源热泵、水源热泵的研制与开发利用上，而对其它热源热泵 的研究工作较少从事地源热泵研究的主要有青岛建筑工程学院于1 9 8 9 年与瑞典皇家工 学院合作建立的热泵实验室，由于立强教授进行的对功率为2 2 k w 平铺地下埋管地源热 泵在冬、夏季工况的性能测试及研究i l ”。清华大学曾对其在海阳县设计安装的五台仅用 于办公楼供热的1 0 k w , 2 0 k w 平铺地下埋管土壤热泵性能进行过测试【1 4 1 。对垂直埋管式 地源热泵的研究为数不多。 1 9 9 8 年以来，北方工业大学在北京市教委社科发展基金、北京市可持续发展基会 和来自北京、山东、哈尔滨等地区横向联合研究单位的资助下，开发了单机输出功率从 5 千瓦至1 0 0 千瓦的紧凑型热泵、1 2 0 千瓦至1 0 0 0 千瓦的多种型号热泵，并广泛应用于 工程实际，2 0 0 6 年完成了一个地源热泵项目上苑公寓别墅热泵改造工程，这是一 个私人别墅小区，别墅建筑面积6 0 0 多平方米，其供暖全部采用我校设计的热泵系统， 另外在高寒地区的哈尔滨和乌鲁木齐、高湿度地区的湖南湘潭以及华北地区也完成了多 处示范工程。 对于热泵机组本身，北方工业大学在理论分析和对国外先进技术跟踪研究的基础 上，研究开发了新型热泵。这种新型热泵采用的是法国产的d a n f o s s 系列最新型号的 涡旋式压缩机，并采用了多台涡旋机并联技术，成功地解决了单台涡旋机功率偏小无法 4 北方一1 _ 2 业大学硕十学位论文 满足大功率热泵需求的矛盾；在并联技术中，开发了回油装置，成功地解决了并联技术 中回油不均衡等制约并联技术应用的问题；并在个别型号的热泵中，设计了回热装置， 使该热泵能适用于高寒地区。热泵的主要技术指标经中国计量科学院检测，能效比达到 l ：4 2 ，热泵的效率达到了国际先进水平1 1 5 】。 对于热泵的控制系统，提出了基于现场总线技术的地温空调控制方案。这种控制系 统的最大特点是可以根据建筑物供暖、制冷的热量要求。调整水源的出水量，稳定空调 机组出水温度，设计这种控制思想和方法时，没有规定其它的使用条件，因此不仅适用 于地温空调系统也适用于往建筑物供暖、制冷的其他循环水系统，即根据建筑物中热 ( 冷) 量的需求，随时调节循环水的流量、流速，达到节省能源、延长设备使用寿命和 降低运行费用的目的。此外还将先进的l o n w 0 r k s 技术应用于地温热泵空调系统对 原来的控制器进行了改进，使整体控制系统更加智能化，并有利于控制器向网络化的方 向发展【1 8 1 。 己经利用m a r c 的传热计算平台，建立地下单一热源的传热分析模型，对两种地 质条件下的并区温度变化、温度分布、热扩散影响深并，以及冷、热量交换传热规律进 行了初步的预测分析和理论探讨。并对土壤中不同含水率的热湿传热现象进行了实验研 究。 目前国家对地源热泵运用相当重视，在北京申奥活动中得到了重要体现。北京的奥 林匹克公园内将打多口热井，主要用于满足采暖、温泉洗浴、热泵制冷和体育场馆的需 要。其中4 0 万平方米的运动员公寓全部采用地能供暖。这些地能设施将在2 0 0 7 年 讨全 部就位。 目前国家对地源热泵运用相当重视，在北京申奥活动中得到了重要体现。北京的奥 林匹克公园内将打多口热井，主要用于满足采暖、温泉洗浴、热泵制冷和体育场馆的需 要。其中4 0 万平方米的运动员公寓全部采用地能供暖。这些地能设施将在2 0 0 6 年前全 部就位。 地能产业化将更具规模，国家已经制订2 0 0 1 2 0 1 0 年新能源和可再生能源产业规 划，“十五”清洁能源科技发展计划地能开发规模和科学技术将以崭新面貌迎开创2 1 世纪。 总之，热泵技术在我国虽然起步较晚，但有着广阔的d 口景。随着热泵及其各种驱动 装置的研制和热泵系统的试验研究工作的深入开展，热泵技术将在我固得到越来越广泛 的应用，在节能工作中将发挥日益重大的作用。 5 一 北方_ 业大学硕士学位论文 1 4 地源热泵系统原理与分类 1 4 1 地源热泵的基本结构及其原理 地源热泵系统主要由地上部分和地下部分组成，图1 一l 为竖直埋管式地源热泵示 意图。地上部分与常规的水源热泵系统相类似；地下部分主要是在地表以下设置高密度 聚乙烯管( 或铝塑管等) 构成地下换热器，通过管道与地上热泵换热器连接成闭式系 统。在系统内充注水或防冻液作为热载体，在地下换热器与地上热泵换热器( 蒸发器或 冷凝器) 间循环流动，通过热泵提取地下的热量( 或冷量) 输送到有热( 冷) 负荷的区 域。 图1 - 1 竖直埋管式地源热泵示意图 器 图l 一2 表示出了冬季热泵供热工况的工作原理。地下换热器与蒸发器相接，室内 供热水管与冷凝器相接。在工作流程中，工质l 表示水源水，工质3 表示循环水，工质 2 表示热泵中的介质，种类根据压缩机和环保要求来定。工质l 流经热泵时，与蒸发器 中的工质2 进行热交换，工质2 吸收热量后，蒸发成低压蒸汽，经压缩机提高压力和温 度后，进入冷凝器凝结成液体并向工质3 放出热量，这部分热量实际上包括来自低位热 源的热量和压缩机的功耗，工质3 的热量即可供建筑物取暖所需，工质2 从冷凝器的高 压下膨胀而进入蒸发器，再开始新的工作循环。 6 北方t 业大学硕士学位论文 图l - 2 土壤热泵供热过程工作原理图 夏季制冷工况时，地下换热器与冷凝器相接，室内冷冻水管与蒸发器相接，通过制 冷剂循环，不断将室内热量释放到地下地温土壤中。通过一系列阀门的启闭完成冬、夏 工况的转换。 地下土壤的温度全年相对保持稳定，夏季地温要比地面空气温度低，冬季却比地面 空气温度高。地源热泵利用大地这一特性，在地下土壤中埋设换热器，通过中问介质 ( 水或抗冻液) 作为热载体在封闭的环路中循环，从而实现与大地的热交换。夏季通过 热泵将建筑物内的热量转移到地下，对建筑物降温，同时储存热量以备冬用；冬季通过 热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖，同时储存冷量以备夏用。 1 4 2 地源热泵的分类 按地下换热器型式不同可分为：水平蛇型管式，水平螺旋管式，竖直埋地套管式， u 型竖直埋管式等。图1 3 至图l 一6 列出了几种地下换热器的示意图。 水平埋管型施工简单，在整个地源热泵应用中所占的份额也不小，但是相对而占， 受外界气候的影响较大，换热能力较低，施工所占用的场地也比较大，适合场地比较充 分且无坚硬岩石易于挖掘的的地方建造，应用范围比较有限；当埋管深度较浅( 2r r l 以 内) ，热泵运行后，地温可在下一个运行季节到来时通过与地面的传热而恢复，但若埋 深较深时，地温却只能部分恢复。我国夏热冬冷地区制冷和供热天数大致相当，冷暖负 荷基本相同，冬夏两季使用有利于地温恢复。 一7 北方工业大学硕士学位论文 图1 3 水平蛇行管式地下换热器图l - 4 螺旋管式地下换热器 竖直埋管式占地面积小，受外界的影响很小，恒温效果好；施工完毕后，需要的维 护费用远远低于常规的供热空调系统【4 5 1 ；用电量也很低，运行成本得到了大幅度降低， 但其初期的钻井费用较高，同时也要考虑地温恢复的问题。它比较适合我国这样人多地 少的国家建造，同时，它也是国际地热组织( i g s h p a ) 的推荐形式。管桩式贝0 可利用 在建筑物基础桩基的砼孔内埋设换热管1 4 6 1 ，省去钻孔费用，初投资低，经济性好：但应 用范围受限，灵活性较差，而且施工时须与结构工种密切配合。 图1 5 竖直u 型管式地下换热器图l - 6 竖直套管式地下换热器 1 4 3 地源热泵的特点 ( i ) 属于可再生能源利用技术 地表浅层好像一个巨大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳能，比人类每年利用能 量的5 0 0 倍还多。这种近乎无限、不受地域、资源限制的低含热能，是人类可以利用的 清洁可再生能源。并且地能不像太阳能受气候的影响，也不像深层地热受资源和地质结 构的限制。另外地源热泵冬季供暖时，同时对地能蓄存冷量，以备夏用，夏季空调时， 又给地能蓄存热量，以备冬用。因此说地源热泵是可再生能源利用技术。 8 一 北方t 业大学硕七学位论文 ( 2 ) 高效节能和较低的运行费用 由于土壤温度全年相对稳定。冬季比环境空气温度高。夏季比环境空气温度低，足 很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得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 h ：右。 ( 3 ) 环境效益显著 既不破坏地下水资源，又无任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排 烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。 ( 4 ) 一机两用 地源热泵可供暖供冷，全年冷热供应，节省投资和占地。地源热泵这种可再生能源 利用技术。高效节能且无任何污染，顺应了国际能源发展大趋势，也顺应了我国的能源 与环保政策，是值得研究与大力发展的可再生能源利用方式。 9 北方： 业大学硕士学位论文 1 5 本课题所做的工作 本课题组开发了一个完整的地源热泵供暖工程项目。该工程是位于北京市朝阳区的 一个6 0 0 平方米的独栋别墅，该别墅一直采用罐装液化气供暖，在安全性、方便性，经 济性等方面存在问题。本课题组为该建筑设计了一套完整的地源热泵系统，并于2 0 0 6 年1 0 月完成施工，2 0 0 6 年1 1 月l o 日投入使用。研发的地源热泵供暖系统真正实现了 节能、环保、清洁、安全等诸多目标。 在理论计算上针对u 型埋管换热器，以非稳态传热理论为基础，结合本课题所承 担的上苑公寓别墅小区地源热泵科研项目，对地埋换热器进行理论和实验研究，研究内 容如下： ( 1 ) 在考虑u 型埋管的传热特性基础上，利用能量平衡方法建立u 型埋管换热器 的三维非稳态传热模型，经过简化处理，采用有限元分析软件m a r c 进行计算，得到 u 型埋管对周围土壤温度场的影响； ( 2 ) 通过理论计算，对影响地埋换热器的系列参数，如土壤导热系数、网填材料 导热系数、管间距等进行分析、讨论； ( 3 ) 在上苑别墅项目中，设计，安装可地下测温系统，并进行实时监测； ( 4 ) 结合上苑公寓别墅小区，对地源热泵系统进行冬季实验研究，结合实验数据， 着重分析地埋换热器的换热性能和地源热泵系统的供暖特性。 本文的主要工作重点是使研究工作由定性化研究向数值分析和定量化方向发展。 1 0 北方工业大学硕十学位论文 2 地下传热过程数学分析模型 土壤的热物性参数包括：土壤密度、土壤比热容、土壤导热系数、和土壤初始温 度。土壤的热物性参数是地源热泵系统设计中的重要参数，地源热泵系统中的埋管深 度，埋管间距，u 型管的进出口温差，地下换热量都由土壤物性参数来决定，因此，对 土壤热物性的研究对u 型埋管的换热有着重要的意义。 2 1 1 土壤温度变化的一般状况 总体上看浅层土壤温度有冬暖夏凉的周期性规律。根据文献土壤的日变化特点 是地表的温度，在f 1 出时升高，在午后1 , 2 小时达到峰值而后下降。通过计算土壤辰层 的温度日变化深度小于l 米；以年为周期看土壤温度变化，我国大部分地区地表气温从 三月份开始上升，七、八月份以后达到最高。土壤温度则相对有一个延迟周期，通过传 热学计算，地表下1 5 米以下的土壤到达最高温度在1 1 月份以后，而最低温度则出现在 4 月份以后。土壤中的水分可视为稀薄溶液；同时土壤中存在一定量的盐份，从常规看， 盐溶液的冰点均低于o ，因此土壤冻结应略低于0 2 1 2 土壤物理参数 影响土壤温度的地理参数有：纬度，海拔，坡面。纬度高则吸收太阳辐射小，温度 偏低；纬度低吸收太阳辐射高，地表温度高。一股地，高山的土壤温度低于平地的温 度，而向阳面的温度一般也高于阴面的温度。土壤热物性影响参数有密度p ，含水率 国，空隙比e ，饱和度，比热c p ，导热系数k 含水率：竺生二! 丝1 0 0 ( 2 1 ) 式中，魏，一千土，天然土质量，k g 当水充满土壤空隙时，为饱和土，该参数与空隙比有关 t ， 水的体积含量c o = 善1 0 0 ( 2 2 ) y j 式中，圪，e 一水和土壤的体积，m 3 ；。 北方f ：业大学硕士学位论文 土壤物性参数对土壤换热能力、蓄热能力具有决定性作用。 2 2 数学模型建立 地源热泵应用过程中，分析地下传热过程通常包括地下管内传热和土壤内传热两大 部份，土壤内部传热是一个复杂过程它是一个有源传热过程，有时伴随着热湿迁移等 现象叫。在进行模型建立和计算时有很多不同形式。 2 2 1 模型建立的假设条件 由于地下传热是一个复杂过程，本文假设： 1 实验地区土壤睦质均匀： 2 管内流体在同载面处流速相同： 3 岩土热物性在实验温度范围内变化可忽略： 4 ，不考虑由于温度变化导致的湿迁移： 5 传热过程属于中心对称分布 下列模型计算中用到的符号及表示意义： k ，一内管与环腔内的流体流速， ( 内管与环腔内的流量相等) ； z 一管长坐标，m ； 乃。，0 ：一内管和环腔内流体温度，； 一。距离管中心的距离，m ； 卜轻向坐标，m ； 五，五，五一内、外管壁和土壤的导热系数，w m c ： p ，一流体密度，姆m 3 ； c 一流体比热，阳l ( g ； 五，瓦，瓦一内、外管壁和土壤温度，； ，哟，口，一内管流体和内管内壁，环腔流体和内管外壁，环腔流体和外管内壁的对 流换热系数。w m 2 ； a l ，a 2 ，a - t ：t j ：9 - 管，土壤导温系数，m r s ； 卜时间，s ； 1 2 北方工业大学硕士学位论文 2 2 2 线热源型换热计算模型 最早由k e l v i n 于1 8 8 2 年提出，后来i n g e r s o l l 在1 9 5 4 年对该理论进行了发展，形 成了派生的线热源理论。国外较早的许多地下换热器设计方法都是采用该理论建立的。 线热源模型的原理是将地下埋管换热器近似视为一根处于半无限大固体中的无限长线热 源，用分析解来确定流体与无限远处大地土壤之间瞬态变化的热阻值。对应于某一时刻 t ，通过设定的热流密度q 和总热阻，求解流体平均温度及埋管出水温度。再由求得 的出水温度计算出新一轮的热流密度q i ，经反复迭代，可获得收敛解。同理，可求解地 下各点处的温度场。 在进行土壤内部温度场分布计算的模型建立中，线热源模型最为简便，如图2 1 所 示。它将热井看作一个线热源进行模拟计算 2 2 1 线热源 黝黝 图2 1 线热源模型 埋管周围土壤温度分布： 卜瓦2 兹焉出 通过近似计算推导得出： 丁小斟h l f _ 4 a , t ) 中喜譬 1 i 距离管中心半径为r 处t 时刻的土壤温度，： 瓦一初始状态土壤温度( 远边界温度) ，； y - e u l e r 常数，y = o 5 7 7 2 1 5 6 0 5 ； 1 3 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 一! ! 塑! ：些盔兰堕堂堡笙苎 计算中设定远边界半径为： k = 4 石 从而进一步得出线热源模型土壤温度分布： r 一瓦2 矗 t 哮一。9 s t s + 瓦4 r 2 一忐( 等) 2 + + 铸( 等) ” ， 2 2 3 圆柱形模型 由c a r s l a w j a e g e r 在1 9 4 7 年提出，后来i n g e r s o l l ( 1 9 5 4 ) 、d e e n l l a n 等 ( 1 9 9 1 ) 相继对该理论作了一些改进和完善。柱热源模型将埋管换热器近似为无限长柱 热源，柱热源与半无限大固体问以纯导热方式进行热交换；求解方法与线热源模型类 似，但在准确性上要优于线热源模型。( e i n2 - 2 ) 图2 2 圆柱型热源模型 在进行土壤温度场分布计算时，有时将井热源看成一个圆柱形热源。设钻孔的半径 ，2 ，0 ，孑l 壁处有一恒定的热流q 。设土壤热物性为：导热系数z ，导温系数a ，初始温 度为t o ，则此问题的数学描述阱1 为： a 2 010 0 矿+ 石5 9 采用积分变换法求解此方程组，得到如下近似计算公式： - 1 4 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 北方工业大学硕七学位论文 制= 南予裂岛 上式中k g ) 为贝塞尔函数 铲j 蒯( 2 a o ) 驴。嵩：，两肛( - i 瓣y k 葡( 2 k ) 两 亿1 1 ) 从传热的本质来看，常热流量作用下无限大区域中的圆柱与常热流量作用下半无限 物体的传热过程有相似之处，都是一维非稳态导热，边界条件都是无穷大。而对半无限 大平壁的形式比较简单，便于工程计算。 z 2 4 套管式换热计算模型 套管换热器的工作原理是：从外管和内管之间注入循环介质，在供暖场合，利用地 下土壤的热传导将循环介质加温，从内管抽出；在制冷场合，利用土壤的热传导将循环 介质冷却，再从内管中抽出。 在地下垂直井的布置方式上，套管式分布形式是非常普遍，套管分布的模型如图2 3 所示。该模型包括井内换热和土壤内的导热【1 0 】1 1 9 1 1 2 0 1 2 1 】 图2 - 3 套管模型 内管流体于内管壁的传热： 咯+ 蔫一乳= 鲁 嘞 内管管壁的导热： 1 5 - ( 2 1 2 ) 北方【：业大学硕士学位论文 i 1 百o r , = 窘+ 三r 誓 竹( 吃 n a t a 一钟 ”“ ( 2 1 3 ) 环腔内流体与套管管壁的传热： 一i a t 一耥瓢+ 揣乳= 警 r 2 r r 3 ( 2 - 1 4 ) 外管管壁的导热： 土孕：鲁+ ! 要 吩 r r 4 “、a f d r z r 融 j 初始条件( 卢o ) ： 五扣，力= 疋( o ，z ) = 巧。( d ，z ) = 弓：( o ，z ) = t 【o ，z ) 初始温度由初始土壤温度确定。 管道进口液体初始条件： 弓。，f ) = 弓：( f ，z ) 换热管底末端边界条件( z - 1 ) 乃；o ，) = 弓：，) 内管中流体与内管管壁的边界条 牛： 一- 趴g - 。= q 何。一五) 环腔中流体于内管外壁的边界条件： 一& 一o r = = a 2 ( t i ：一五) 套管外壁与土壤边界条件： 一疋等i ，：i = 一等沪鲁睫一五) 假设远边界条件： t = r ( z )， 1 6 ( 2 1 5 ) ( 2 一t 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 【2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 北方工业大学硕七学位论文 2 2 5u 型管换热模型 竖直u 型管地热换热器就是把管子埋在地表以下的竖直钻孔中并用封井材料填 实，流体在u 型管内流动并与土壤进行换热。封井材料的作用，一是增强该部分的传 热，二是起密封作用，防止地下水受地表水的渗入而污染。现在工程上常见的地热换热 器的钻孔直径为1 5 0 m m ，钻孔深度3 4 - 1 5 0 m 。与所埋管子的深度相比较，钻孔直径是很 小的。竖直单u 型管地热换热器的结构见图2 - 4 。 图2 4 u 型管土壤换热模型 这种类型布置方式下一般假设井下换热器u 型管对称分布，同时忽略轴向的导热 因素。则u 型管的流入管和流出管的能量平衡方程1 为： 卅c ，b 。一五) = r 丢忽+ 耵者鲁丽毖 口z 4 ， 肌眈：一五) = r 燕握+ f 瓦干i 弩赫彪+ r 燕以 ( 2 2 5 ) 式中，r 。，r o ：，r l ：一分别表示井管与进水管，井管与出水管，进水管和出水管之间 的单位管长导热热阻； 足。足：一进水管和出水管单位管长的管壁导热热阻； 疋。，也：一进水管和出水管单位管长的对流热阻； 乃。( z 1 0 ：( z ) 进出水管在井深z 处的流体温度； 瓦( z ) 一井壁在井深z 处的流体温度。 由于并下换热器的输入温度一致，当假设一个出口温都后，对上述方程式求解得出 的微分方程： 1 7 一 ! ! 查兰些盔堂堡堂堡笙塞 鲁+ ( c l + c 2 琢一c 2 弓2 = c 五 西d r f 2 一( c t + c ：奶：+ c 2 弓i = - - c 矗 式中，c 1 ，e ：由方程2 - 2 4 ，2 - 2 5 推导得出的常数 一 1 1 l i = 1 = 一 1 m ( r o l + r 1 十足1 ) 肌c ，( e 0 2 + r 1 2 + r 。2 ) l ，= ：t m c p 2 + 足2 + r c 2 + 冠l + 疋1 ) 方程( 2 2 6 ) ，( 2 - 2 7 ) 的解为： 弓。：d l p 一席+ d 2 p 厢+ 口一生+ 6 z r f ：d 1 e 圻+ d 2 e 厅+ a 一鱼+ b z ( 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 1 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ，：c i ( c l + 2 c 2 ) ，d l ，d 2 ，骂，岛，口，b 为待定系数，它们有初始条件和方程( 2 2 4 ) ， ( 2 - 2 5 ) 求解确定。 井壁温度分布瓦( z ) 可通过下列方程求得： 窘+ 要+ 窑：o o 丛 r一roov-h 西2 + 7 石+ 万。o o 丛 一 0 2 t o 2 亡r = o 0zho r 2 碱 ”一。 t = c瑚 o r 笔朋川 z n r 。 r 位于边界上，节点i 则与边界 相对。对于内部单元，i ，i ，m 可任意按逆时针方向编排，通常把i 编在序号最小的那个 节点上，这将在查找的时候变得比较方便。具体如图3 1 所示。 图3 1 有限元网格划分原理 图3 - 2 给出了区域d 中取出的任意一个单元。此处，三个顶点的坐标都足己知的， 所以单元划分时确定的三条边s 、8 j 、& 以及三角形面积也都己知。三角形中任一点 ( ) 叫) 的温度t ，在有限单元法中把它离散到单元的三个节点上去，即用一、t 、l 。 三个温度值来表示单元中的温度场t ： t * ，亿，乙j ( 3 1 ) 这种处理方法称为温度场的离散。这样便可以只对离散温度z 、一、瓦。迸行计 算，而不作连续湿度场t 的计算，从而简化了求解过程。 温度插值函数：对三角形单元，通常假设单元e 上的温度t 是x , y 的线性函数， 即： 2 1 北方：业大学硕十学位论文 t = q + a 2 x + a 3 y 式中，a i , a ：，q 是待定常数，可由节点上的温度值来确定将节点的坐标和 温度代入式侣- 2 ) 得： 霉2 a i4 - 口2 t + a s y , = a t + a 2