（热能工程专业论文）基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 土壤源热泵是一种节能、环保、高效利用可再生资源的“绿色 空调新技术，在我 国建筑空调系统中发挥着越来越重要的作用。垂直u 型管换热器由于其占地面积少、可 用范围广、恒温效果好、换热效率高、维护费用低等优势，目前已成为应用最广泛的一 种埋管方式。垂直u 型管换热器主要分为两种：单u 型管换热器和双u 型管换热器。 目前，对于单u 型管换热器的研究较多，大多数的土壤源热泵采用的都是单u 型管换 热器。近年来，双u 型管换热器以其钻井利用率高和换热性能好等优点开始被广泛应用。 本文首先针对热渗耦合作用下的单u 型管换热器，建立了换热器周围热渗耦合土壤 及管内流体的物理数学模型。将土壤考虑为均匀的、各向同性的多孔介质，地下水为三 维渗流，土壤沿深度方向分层，考虑其热物性沿深度方向变化。采用f l u e n t 软件对埋深 5 0 m 埋管换热器夏季连续运行2 0 天后的土壤温度场进行数值模拟。本文的创新之处在 于：考虑了土壤沿深度方向的热物性变化，使模型更接近实际情况；将地下水的渗 流视为三维渗流，考虑土壤沿深度方向的传热。这与以前的研究者将土壤视为单一的土 壤类型，以及只考虑土壤的二维渗流，忽略土壤沿深度方向传热的数学模型相比都有了 改进。本文研究了不同回填材料、入口温度及入口流速对土壤温度场及埋地换热器换热 性能的影响。针对不同运行参数下的换热进行模拟。研究结果对土壤源热泵运行参数的 经济性选择具有一定的参考价值。 本文采用同样的方法建立了双u 型管换热器的三维非稳态传热模型，研究不同回填 材料、入口温度及入口流速对土壤温度场及埋地换热器换热性能的影响。并从换热器出 口水温，换热器换热率等方面比较了双u 型管换热器与单u 型管换热器运行特性的不 同。结果表明，双管换热器的性能要优于单管换热器，可以提高钻井的利用率。 关键词：热渗耦合；土壤源热泵；单u 型管换热器；双u 型管换热器； 基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究 i n v e s t i g a t i o no nu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e ru n d e rc o u p l e d t h e r m a l c o n d u c t i o na n dg r o u n d w a t e rs e e p a g ec o n d i t i o n s a b s t r a c t g l - 0 u n ds o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) s y s t e mi n c r e a s i n g l ya p p l i e di na r c h i t e c t u r a l a i r - c o n d i t i o na s 也e s es y s t e m sc a nm a k es i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n st or e d u c t i o ni ne l e c t r i c a l e n e r g yu s a g e ，u s i n gr e n e w a b l er e s o u r c ee f f i c i e n c y , a n dh a v eb e e nr e c o g n i z e d必 a l l e n v i r o n m e n t a l f i i e n d l ya l t e r n a t i v et o c o n v e n t i o n a lu n i t a r ys y s t e m v e r t i c a lu - t u b eh e a t e x c h a n g e rh a v eb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fm a n y n o t a b l ea d v a n t a g e si th a s ，s u c ha sf e w e r a r e ar e q u i r e m e n t ，e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n ，r u n n i n gs t e a d i l y , h i 曲p e r f o r m a n c e ，l o w e rc o s to n s y s t e mm a i n t e n a n c ee t c v e r t i c a lh e a te x c h a n g e ri sm a i n l yd i v i d e di n t os i n g l eu - t u b eh e a t e x c h a n g e ra n dd o u b l eu - t u b eh e a te x c h a n g e r a tp r e s e n t , s i n g l eu t u b eh e a te x c h a n g e ri s w i d e l yu s e da n dr e s e a r c ho n h e a te x c h a n g e ri sm a i n l ya b o u ts i n g l eu - t u b e r e c e n t l y ， a p p l i c a t i o no f d o u b l eu t u b eh e a te x c h a n g e r r i s e sf o ri t sb e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n d h i g h e ru t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo f b o r e h o l e i nt h i sp a p e l ，t h em o d e lo ff l u i di nt h eu - t u b ea n du n d e r g r o u n ds o i la r o u n ds i n g l eu - t u b e h e a te x c h a n g e ru n d e rc o u p l e dt h e r m a lc o n d u c t i o na n dg r o u n d w a t e rs e e p a g ew e r es e tu p s o i l w a sc o n s i d e r e d 勰t h ee v e n , i s o t r o p ya n ds a t u r a t e dp o r o u sm e d i u m ，a n dt h es e e p a g eo f g r o u n d w a t e rh a dt h r e e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s o i lw a sl a y e r e da l o n gt h ed e p t hd i r e c t i o n , a n dt h et h e r m a lp r o p e r t yc h a n g ew a st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n n l ef 1 u e n ts o f t w a r ew a su s e d t oc a r r yo u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs o i lt e m p e r a t u r ef i e l do fg r o u n dh e a te x c h a n g e r 、j l ，i m b u r i a ld e p t h5 0 ma f t e r2 0d a y sc o n t i n u o u so p e r a t i o no ns t l m m e rc o n d i t i o n s t h ec r e a t i v e p o i n t so ft h i sp a p e ra r e ：o ) t h et h e r m a lp r o p e r t yc h a n g ea l o n gt h ed e p t hd i r e c t i o nw a st a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o n ，w h i c hm a k et h em o d e lm o r ec l o s et ot h er e a l i t y ；t h es e 印a g eo f g r o u n d w a t e rh a dt h r e e - d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n dh e a tt r a n s f e ri ns o f ta l o n gt h ed e p t h d i r e c t i o nw a sc o n s i d e r e d c o m p a r e dw i t ht h em o d e lu s e db ye a r l yr e s e a r c h e r s ，i nw h i c ht h e s o i lw a sc o n s i d e r e da ss i n g l et y p eo rt h es e e p a g eh a dt w o d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c ，i t sa 1 1 e s s e n t i a lp r o g r e s s i nt h i sp a p e r , t h es o f tt e m p e r a t u r ef i e l da n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew i 也 d i f f e r e n ti n l e tf l u i dt e m p e r a t u r e s ，b a c k s o i la n di n l e tv e l o c i t i e sw e r es t u d i e d t h eo p e r a t i o n 晰t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r sw a ss t u d i e d , t h a th a sr e f e r e n c ev a l u ef o rc h o s e no fo p e r t t i n g p a r a m e t e r so fg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p t h em o d e lo ff l u i di nt h eu - t u b ea n du n d e r g r o u n ds o i la r o u n dd o u b l eu - t u b eh e a t e x c h a n g e rw a sc o n s t r u c t e di nt h es a m ew a y ，a n dt h es o i lt e m p e r a t u r ef i e l da n dh e a tt r a n s f e r i i 一一 奎垄堡三奎堂堡主兰垡! 垡 _ l - l _ _ _ _ _ - - _ _ - _ i _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ 一 p e r f o r m a n c ew i t hd i f f e r e n ti n l e tf l u i dt e m p e r a t u r e s ，b a c k s o i la n d i n l e tv e l o c i t i e sw e r es t u d i e d t h ep e r f o r m a n c eo fs i n g l eu t u b eh e a te x c h a n g e ra n dd o u b l eu - t u b eh e a te x c h a n g e rw a s c o m p a r e db a s e do i lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e 伽e e n i n l e ta n do u t l e ta n dh e a tt r a n s f e rr a t e i t c 趾b ec o n d u d e dt h a tt h ed o u b l eu - t u b eh e a te x c h a n g e ro f f , t e aab e t t e rp e r f o r m a n c et h a n s i n g l eu - t u b eh e a te x c h a n g e r k e yw o r d s ：c o u p l e dt h e r m a lc o n d u c t i o na n dg r o u n d w a t e rs e e p a g e ；g r o u n ds o u r c e h e a tp u m p ；s i n g l eu t u b eh e a te x c h a n g e r ；d o u b l e u - t u b eh e a te x c h a n g e r i i i - 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目：基查茎堕燃2 因歪生! 塑茎吆纽叠 ： 作者签名： 导师签名： 一 日期：塑里年上月二日 日期：坦里年上月丝二日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堑垒选越仨匣i 兰塑盈坳礁趱盏 作者签名： 盐e t 期：4 年l 月上，- 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 土壤源热泵研究的背景及意义 能源问题、环境问题、可持续发展问题等一直困扰着世界各国，是世界各国在发展 经济的同时急需共同来解决的全球性问题。世界进入2 1 世纪，节约能源、开发新能源、 提高能源的利用率、减小环境污染、走可持续发展的道路更是受到越来越多的关注，也 成为了世界各国普遍面临的主要问题之一。 随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍 的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的2 5 0 0 - , 3 0 。我国的能 源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量 s 0 2 ，n o x 等有害气体以及c 0 2 等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题 已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国目前城镇民用建筑( 非工业建筑) 运行耗 电占我国总发电的2 2 0 0 , , 2 4 ，北方地区城镇供暖消耗的燃煤占我国非发电用煤的 1 5 0 o , 1 8 ( 建筑消耗的能源占全国商品能源的2 l 艺4 ) 【l 】。由于暖通空调业在为企 业人类创造良好、舒适的生活与工作环境的同时也因消耗大量的矿物燃料而破坏生态环 境，引发全球气候变暖。为了走可持续发展的道路，有必要对暖通空调在采用新能源、 新技术方面进行改造与创新。 地源热泵作为高效节能绿色的空调技术【2 ，3 】，是目前效率最高的供暖制冷系统之一。 它的供暖效率比其他供暖系统高5 0 7 0 ，而制冷效率比其他空调系统高 2 0 4 0 【4 】。地源热泵还具有耐久可靠，噪音低，能提高房间舒适度的优点。是一种利 用可再生能源的高效节能、无污染的即可供暖又可制冷的新型空调系统，可广泛应用于 商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、学校、医院等建筑物【5 】。 地源热泵按照室外换热介质的不同可分为3 类：( 1 ) 地表水水源热泵；( 2 ) 地下 水水源热泵；( 3 ) 土壤源热泵。土壤源热泵是地源热泵应用技术的一种，它是以大地 为热源和热汇，通过在地下埋入塑料管，通入循环工质，作为循环工质与土壤间的换热 器，实现建筑空调和热水供应的目的。通常输入少量的高品位能源( 煤、石油、天然气 及电能等) ，就可把土壤中所储存的低品位能源转化成有用热能。由于地下土壤温度全 年相对稳定，因此，土壤源热泵的性能系数高于空气源热泵，具有明显的节能效果，而 且埋管换热器无需除霜，可减少冬季除霜的能耗。埋地换热器在地下静态的吸( 放) 热， 减小了传统空调系统对地面环境的噪音污染和冷、热污染；土壤对地面空气温度波动具 有延迟与衰减性，即使在最不利的气候条件下仍能提供较高的蒸发温度( 制热) 与较低的 基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究 冷凝温度( 制冷) 。利用土壤热能作为热泵系统的低位热源的土壤源热泵系统，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【6 1 。 但是，土壤源热泵的埋地换热器与土壤之间的传热是非稳态的、无限大区域内的 传热；埋地换热器受土壤物性影响较大，且不同地区土壤的热物理性质也各不相同，整 个传热过程十分复杂，影响因素繁多；并且还存在着初投资大、施工困难等问题。又由 于我国开展土壤源热泵研究起步较晚，在技术上还很不完善，而国外在这方面的研究已 基本成熟。因此，要研究与开发土壤源热泵，充分发挥其节能、环保、资源可再生、舒 适安全、性能稳定等优点，就必须努力克服这些缺点。这也必将为缓解世界各国所面临 的全球性问题做出很大贡献。 1 2 土壤源热泵的工作原理及特点 1 2 1 土壤源热泵的工作原理 地表浅层( 通常小于4 0 0 米深) 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。这种地表浅层地热资源可以称之为地i 扼( e a r t h e n e r g y ) ，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温热 能。其是近乎无限、不受地域、资源限制的低焓热能，是人类可以利用的清洁可再生能 源。并且地能不受气候的影响，也不受资源和地质结构的限制。土壤源热泵是利用这种 低温热能，作为热泵的供暖热源和空调的冷源，既可供热又可空调的系统。通常地源热 泵消耗l k w 的能量，用户可以得到3 k w 以上的热量或冷量【_ 7 1 。它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。开发这种可再生、节能、环保的新能源将 对我国实现经济可持续性发展起重要作用。 已有的研究表明，地表约5 m 以下的土壤温度基本不受地表温度波动的影响，而是 保持一个定值。土壤的温度场变化有如下两个主要特性：一是达到一定深度后温度基本 上常年保持一个定值，这个定值接近该地区的年平均气温；二是在地表以下一定范围内 温度呈周期性变化，但波动幅度小于气温的波幅，而且存在时间上的延迟。由于岩土温 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，是很好的热泵热源 和空调冷源。图1 1 为土壤源热泵的工作原理图。夏季运行时。热泵机组的蒸发器吸收 建筑物内的热量，同时冷凝器通过埋管换热器与地下土壤进行热交换，将热量排到地下； 冬季运行时，热泵机组的蒸发器利用埋管换热器吸取地下土壤的热量，通过热泵循环， 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 由冷凝器提供热水向建筑室内供暖。土壤的温度特性使得夏季制冷运行时机组的冷凝温 度比其他类型热泵低，冬季制热运行时机组的蒸发温度比其他类型热泵的蒸发温度高， 且不受环境温度的影响，因此系统性能得到很大提高。 图1 i 土壤源热泵原理图( 制冷工况) f i g 1 1p r i n c i p a ld i a g r a mo fg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ( r e f r i g e r a t i o nc o n d i t i o n ) 1 2 2 土壤源热泵的分类及特点 1 2 2 1土壤源热泵的分类 根据不同的分类方式，土壤源热泵可以分为以下几类【8 】： ( 1 ) 根据有无中间流体分类 按有无中间流体分类，土壤源热泵分为二次流体土壤源热泵，即在制冷剂和大地之 间存在一种中间流体，多为水、盐水或乙二醇溶液，目前应用的绝大部分土壤源热泵都 属于该类；另一种是直接膨胀式土壤源热泵系统，即利用大量制冷剂直接在地下盘管内 与环境进行热交换，这种系统在工程实际中应用得较少。 ( 2 ) 根据埋管形式分类 土壤源热泵系统按埋管形式可分为水平埋管热泵、垂直埋管热泵和螺旋埋管热泵。 水平埋管热泵 如图1 2 所示，当有足够土地表面可利用时，可用此系统。塑料管水平埋设在沟壕中， 一般埋设深度1 2 - - - 3 米，每个沟槽中有1 6 根管子。虽然一个沟槽中埋设多根管道需 更大的沟槽空间，但沟槽数量较少，因此成本也降低了。沟槽长度取决于土壤状况和沟 壕里管子的数量。常用于住宅建筑。 刃间莰豫嚣 基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究 水平埋管热泵的优点在于成本低，安装灵活。该热泵系统也有很多缺点，比如需大 量土地面积，由于埋设深度浅，土壤温度易受季节影响；土壤热物性随季节、降雨量、 埋设深度而波动。 图1 2 水平埋管换热器示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f h o r i z o n t a lg r o u n dh e a te x c h a n g e r 垂直埋管热泵 如图1 3 所示，垂直热泵系统将封闭管路插入垂直的井中。地下用于热交换的管路 主要分为两种：u 型管和套管。垂直埋管热泵系统较水平系统有许多优点。首先它不需 像水平埋管系统那样需要大的场地面积；其次在许多地区，地面以下的一段距离，土 壤处于湿度饱和状态，而这段距离又正是热交换器所在的位置，因此对热交换有利；另 外地表5 m 以下的土壤温度不易受季节变化的影响，使热泵系统的性能更加稳定。 图1 3 垂直埋管换热器示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fv e r t i c a l g r o u n dh e a te x c h a n g e r 图1 4 螺旋埋管换热器示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fh e l i c a l g r o u n dh e a te x c h a n g e r 大连理工大学硕士学位论文 螺旋埋管热泵 如图1 4 所示，它是水平环路的一个变体，将螺旋状管放入狭窄垂直的沟壕。螺旋 环路系统通常需很长的管子，但沟壕的数量少于上述水平环路系统。它同样适用于土地 面积较大的场所。螺旋埋管热泵所需管子更长，土壤温度易受季节影响，比水平系统需 更大的泵，耗能大，并且在填埋过程中易损坏管路。 1 2 2 2 土壤源热泵的特点 由于土壤源热泵采用地下土壤作为热泵热源和空调冷源，与广泛的空气源热泵相 比，土壤源热泵都具备以下优点【9 】： 节能效果显著、机组性能系数高、辅助动力少。 土壤的温度特性使得土壤源热泵比传统空调系统运行效率高出约4 0 6 0 ，因此， 可节省运行费用4 0 6 0 。评价土壤源热泵系统性能的参数之一是辅助动力的容量， 它是系统经济性分析的重要因素。地下埋管系统的热泵及室内水环路系统同水一空气、 水一水等热泵系统相似，但其室外设备不再需要其它能量，诸如冷却塔，仅设置管道泵 作为水在盘管中的循环动力。 运行管理方便，运行状况好、维修费用低。 土壤源热泵对设备的维护要求不高。首先这种系统减少了室外的许多运转设备，不 需冷却塔、锅炉等要经常维护的设备。土壤源热泵系统室外换热器埋在地下，不存在冬 季除霜问题。系统运转部件少则系统噪音小，这很适用于对噪音有要求的住宅、医院等 地区。同时，土壤温度较恒定的特性也使得热泵机组运行更稳定、可靠，整个系统的维 护费用也较锅炉一制冷机系统大大减小，从而保证了系统的高效性和经济性。据美国环 保署e p a 估计，设计并安装良好的土壤源热泵，平均可节约用户3 0 5 0 的采暖空 调运行费用【。 土壤的蓄能特性实现了冬、夏能量的互补。 土壤本身就是一个巨大的储能体，具有较好的蓄能特性；通过埋地换热器，夏季利 用冬季蓄存的冷量进行空调，同时将部分热量蓄存于土壤中以备冬季采暖用，冬季利用 夏季蓄存的热量来供暖，同时蓄存部分冷量以备夏季空调用。而且，在室外空气温度处 于极端状态时，用户对能源需求量处于高峰期。而由于土壤对地面空气温度波动有衰减 和延迟，和空气热源相比，在相同的条件下，它可以分别提高夏季的供冷量或冬季的供 热量。通过对实测数据分析得到蓄冷前后夏季连续制冷运行时土壤源热泵杌组的制冷系 数分别1 5 9 和1 6 3 4 ，从而算得土壤蓄冷的节能效果的相对值约为2 7 t 1 1 】。 一机多用、用途广泛、使用寿命长。 基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究 该热泵机组既可供暖，亦可空调，同时还能提供生活用热水，一机多用。一套系统 可以替代原有的供热锅炉、制冷空调机组以及生活热水加热装置三套系统，省去了燃气、 煤及锅炉的使用。机组紧凑，节省空间。可应用于商店、宾馆、办公大楼、学校等建筑， 而且特别适用于小型别墅。此外，机组寿命长，平均可运行2 0 年以上。 环保无污染，符合可持续发展的要求。 土壤源热泵利用地下土壤作为冷热源，既没有燃烧、排烟，也没有空气源热泵的噪 音和热污染，也不需要堆放燃料和废弃物的场所。且不受地域、资源等限制，真正是资 源广阔、取之不尽、用之不竭，是人类可利用的可再生能源。同时，土壤源热泵的“冬 取夏灌 的能量利用方式也在一定程度上实现了土壤能源资源的内部平衡。因此，土壤 源热泵符合可持续发展的趋势。 土壤源热泵系统在运行费用方面有明显优势，但同时也有一些不利因素，这些因素 制约了土壤源热泵的快速普及。其中最主要的制约因素是初投资较大，土壤源热泵的初 投资不仅包括传统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋地盘管投资、埋 地盘管敷设投资以及购买敷设盘管所需土地的使用权或所有权的投资。初投资成为影响 地源热泵在发展中国家推广的重要因素之一【1 2 】。另一个制约地源热泵普及的重要因素是 技术不是十分完善。比如，由于各地的地质结构相差很大，造成埋地盘管与土壤间的换 热系数也相差很大。埋地换热器受土壤物性影响较大，连续运行时热泵的冷凝温度或蒸 发温度受土壤温度的影响而发生波动；土壤导热系数小而导致埋地换热器的面积较大 等。除此之外，还有管路防冻液的选取，变工况运行、施工困难等问题需解决；但是， 随着进一步的研究和发展，这些缺点会逐渐被克服，并被广大用户所接受。如混合型地 源热泵系统即较好地解决了初投资高和埋地盘管长度设计困难等问题【1 3 1 。 尽管土壤源热泵还存在不足之处，但w o r l de n e r g yc o n f e r e n c e ( 世界能源协会) 、 i n t e r n a t i o n a le n e r g ya g e n c y ( 国际能源机构) 、i n t e r n a t i o n a li n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o n ( 国 际制冷学会) 等国际著名组织及从事热泵的研究者都普遍认为：由于土壤资料广泛，在 目前和将来，土壤源热泵是最有前途的节能装置和空调系统，是国际空调和制冷行业的 前沿课题之一，也是地热能利用的重要形式。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 土壤源热泵的概念最早于1 9 1 2 年由瑞士人佐伊利( z o d l y ) 提出。早期的土壤源热泵 研究包括：土壤源热泵运行的实验研究，埋地盘管的实验研究，埋地盘管的数学模型的 建立，同时也对土壤的热流理论方面作过研究，如开尔文线源理论。2 0 世纪7 0 年代， 世纪年代爆发的石油危机促进了土壤源热泵的研究与应用。在此期间，美国和欧洲展开 了对土壤源热泵大规模的实验与理论研究。地下埋管也由早期的金属埋管改为更经济有 效的塑料埋管。进入2 0 世纪9 0 年代，土壤源热泵的应用与发展进入了一个全新快速发 展的时期。欧洲和美国在这个时期开展了大量的研究工作 1 4 - 1 7 】。其研究的内容主要集中 在：土壤的导热性能；地下埋管换热器的热工性能；不同地下埋管换热器形式对换热过 程的影响；地下埋管换热器的换热机理、强化传热技术、模拟计算等方面。具体的研究 内容如下： 1 3 1 1 理论研究 土壤源热泵的理论研究主要集中在埋管换热器的传热模型方面，它的发展经历了几 个不同的阶段。总的来说，其模型的主要目的都是为了求得热泵运行期间大地的温度场 分布，土壤源热泵的许多基础性理论，都基于“开尔文线源理论( k e l v i n ) 数学理论 模型【1 8 】。 线热源理论模型是讨论钻孔与地层间换热的最简单而又实用的模型，此理论假定： 埋管换热器和钻孔井视为一个钻孔直径足够小的无限长的线源，在零时刻接通一无限 长的具有恒定的热流速率的热源，热流呈放射状在土壤内传递；土壤的初始温度均匀且 恒定土壤热物性是均匀的，即各向同性，且不随土壤温度的变化而变化；土壤为半无 限大的均匀传热介质，线源和周围土壤紧密接触；忽略水分迁移对传热的影响；土 壤沿深度方向和角向的传热近似为零，将土壤中的传热过程简化为柱坐标下的一维传热 过程。2 0 世纪5 0 年代，i n g e r s o l l 1 9 】等人把的线热源解运用于埋管换热器的计算。i n g e r s l l 模型虽是对实际传热过程粗略的模拟，其应用性受到定限制，但为后来地下换热系统 的模拟打下了基础。h a r t 和c o u v i l l i o n 模型 冽也基于k e l v i n 线源理论，提出了远场半径么 的概念，并定义为乙= 4 盈。他们认为在半径名以内的土壤与线源之间有热量交换，而 距线源名以外的土壤认为是未受干扰的远场温度。远场半径值依赖于线源工作的时间和 土壤的热扩散性。在多个钻孔时，孔与孔之间是否有热干扰取决于么的值，当名小于钻 孔间距，可认为钻孔之间无热干扰；当，：0 超过钻孔之间的距离，钻孔之间有热干扰，此 基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究 时传热计算中就要用到叠加技术。该模型的远场半径乙的概念，为实际应用中钻孔间距 的确定提供了接近实际的计算结果。1 9 8 3 年，b n l ( b r o o l d a a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 修 改线源理论，将埋管周围的岩土划为两个区，即严格区和自由区，当土壤源热泵运行时， 不同区之间的热传导引起区域温度变化。现在美国供热制冷空调工程师协会( a s h r a e ) 和国际地源热泵协会( i g s h p a ) ，都采用线热源理论作为埋管换热器计算的基础。 2 1 - 2 2 1 柱源理论【2 3 - 2 4 】是将线热源推广为具有一个恒定半径的圆柱热源，将型管与钻孔视为 一个同轴管，采用“当量直径”加以近似，同时假定在圆柱的径向热流恒定。该理论得 到的分析解具有清晰的物理意义，应用于地下埋管换热器具有比线热源更高的模拟精 度，是目前大多数数值分析模型的理论基础。但柱源模型仍过于简化，与实际状况相差 较大。因而柱源模型在实际应用中仍然有一定局限性。 1 9 8 6 年，v c m c i 2 孓2 6 】提出了三维瞬态传热模型。模型假设土壤是均匀的，且常物 性；埋管内同一截面流体温度、速度相同；土壤与埋管紧密接触，忽略接触热阻；忽略 土壤中湿迁移对传热影响。与线源理论不同，该理论是建立在能量平衡的基础上，由系 统能量平衡结合热传导方程构成。 温度响应模型是通过有限差分模拟计算得到温度响应，然后转化为一系列无因次温 度响应因子( g 函数) 。g 函数将孔壁的温度变化计算响应于对单位时间步长的热量输 入。温度响应模型主要有两类：e s k i l s o n 模型【2 7 】( 长时间步长温度响应因子模型) 和短 时间步长温度响应因子模型【2 8 3 0 】 以上模型为了简化计算，均认为土壤与换热器之间传热只有导热，而忽略了水分迁 移对土壤传热的影响。近几年的研究表明，地下水的渗流左右对土壤传热有着很大的影 响。日本的f u i i i 建立了二维有限差分数值模拟模型，并对井群埋地换热器在考虑井间干 扰和渗流情况下的传热特性进行了研究【3 1 】：瑞典的g e h l i n 和h e l l s t o m 建立了三维有限 差分模型研究渗流对地下换热的影响【3 2 1 ；美国：c h i a s s o n 和s p l i t c r 利用二维有限元模型 对4 六4 钻孔埋地换热器进行了地下渗流的研究 3 3 】；e s k i l s o n 2 7 利用了。c a r s l a w 3 4 】等给出 的移动线热源问题的稳态解析解，讨论了在达到稳定状态以后渗流对地热换热器的影响。 由此可以看出地下水的渗透和流动会影响到整个地下环路热交换器的换热系数，进而影 响到钻井深度和管长的确定，最终关系到整个系统的初投资费用。因此，在对土壤源热 泵进行研究时有必要将渗流作用作为考虑的因素。 1 3 1 2 实验研究 对以上提出的模型，研究工作者分别做了实验以验证模型的正确性【1 8 3 0 】。近年来 大连理工大学硕士学位论文 国外学者对埋管换热器设计、不同土壤的热特性、回填土性能等也做了大量实验研究， 具体有：h a i l e y t 3 5 】对埋管换热器周围土壤热导率进行了分析，研究表明土壤湿度对其热 导率有着重要影响；在制冷模式下，排热速率高对土壤热导率不利，从而导致传热减少。 d r o w n 和d e nb r a v e n 3 6 】对土壤条件以及土壤的热导率对土壤蓄热热泵系统的影响进行 了几个季节的监视，结果发现土壤热导率增加1 矿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 3 7 】对多层土质土壤中采用的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。他们发现不同的土质层热导率是不连续的。粗沙层 和细沙层的传热效率比粘土分别高出6 2 和2 7 。l e o n g t 3 8 】对三种土质( 沙土，淤泥亚 粘土，淤泥粘土) 在五种不同的相对湿度下( o ，1 2 5 ，2 5 ，5 0 ，1 0 0 ) ，土壤源 热泵系统的c o p 值进行了计算机模拟表明，土壤类型和湿度对土壤源热泵性能影响很 大，当土壤的相对湿度降至1 2 5 以下时，系统值急刷下降，在相对湿度o 一1 2 5 范 围内减小相对湿度，将对系统的c o p 产生很大的不利，当土壤的相对湿度达到5 0 之 后，土壤源热泵性能随土壤相对湿度变化明显减小。 1 。3 ，2 国内研究现状 ，我国的土壤源热泵事业起步较晚，主要集中在以下几个方面：( 1 ) 地下埋管换热器的 传热模型和传热研究；( 2 ) 夏季瞬态工况数值模拟的研究；( 3 ) 热泵装置与部件的仿真模 型的理论和实践研究；( 4 ) 土壤源热泵空调系统制冷工质替代研究；( 5 ) 其他能源如太阳 能、水电等与地热源联合应用的研究；( 6 ) 土壤源热泵系统的设计和施工；( 7 ) 土壤源热 泵系统的经济性能和运行特性的研究；( 8 ) 地源热泵系统与埋地换热器的技术经济性能匹 配方面机组整体性能的研究；( 9 ) 4 - 壤热物性及土壤导热系数的试验研究等等。具体的研 究内容如下： 1 3 2 1 理论研究 2 0 世纪5 0 年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授开展了我国热泵最早的研究，并 于1 9 6 5 年研制了我国第一台水冷式热泵空调机【3 9 1 ，他在1 9 8 2 年发表了“运用热泵提高 低温地热采暖系统能源利用率的分析 ，论证了热泵系统是提高低温地热利用率和城市 采暖的有效方式，还介绍了地源热泵模拟试验。 重庆建筑大学丁勇，刘宪英等从1 9 9 9 年开始在国家自然科学基金的资助下进行了 1 5 k w 浅埋竖直管换热器和水平埋管换热器的研究，建立了地下浅埋管换热器的传热模 型 4 0 】。他们还介绍了根据浅埋竖管换热器地热源热泵冬季测试结果，在夏季试验中对试 验装置及实验方法的改进，测试了夏季定水量运行效果和变水量运行时各性能指标的变 基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究 化。采用系统能量平衡结合热传导方程建立地下竖埋套管管群换热器传热模型和过度季 节大地温度场模拟，数值与实测值吻合较好【4 1 1 。付样钊、王勇等人通过建立地源热泵岩 土换热器的简易数理模型，计算分析了竖直埋管的换热器性能，并在重庆和上海两地进 行了岩土换热器试验，发现短期运行参数与实验数据一致，长期连续运行性能参数小于 实际值。结果表明，岩土性能及由年平均温度决定的岩土原始温度对岩土换热器对岩土 换热器性能有显著影响，在砂岩中设置的换热器比沉积土中的性能好【4 2 】。 山东建筑工程学院的曾和义，方肇洪建立了u 型管地热换热器中介质轴向温度的数 学模型，基于能量平衡原理，经过分析与推导，得出了流体在u 型埋管换热器流动过程 中无量纲温度沿无量纲深度变化的关系式【4 3 】；建立了双u 型埋管换热器的传热模型， 确定了双u 型埋管地热换热器钻孔内的热阻m 】。刁乃仁，方肇洪，讨论了地源热泵地 热换热器垂直埋管钻孔内的二维稳态传热模型。基于钻孔内的温度场的二维解析解，得 出钻孔热阻表达式【4 引。 同济大学热能工程系张旭、高晓兵等人从1 9 9 9 年开始利用探针，对土壤及不同比 例的土砂混合物，在不同的含水率，不同密度条件下的导热系数进行了实验研究，分析 了影响土壤热交换能力的因素，发现土壤及土沙混合物的导热系数随密度和含水率的增 加而增加，得出土壤及其与不同比例黄砂混合物的导热系数随含水率和密度的变化规 律，及土砂混合比为1 ：2 时的混合物的导热系数最大，为寻找最佳的回填材料提供了基 础数据 4 6 1 。李元旦等结合对土壤源热泵冬季制热工况的实测，研究了土壤源热泵的启动 工况。结果表明，土壤源热泵的冬季启动时间比夏季端。实测获得了单位钻孔长的换热 率为4 0 6 0 w l m 可作为设计参考数据。分析了土壤源热泵冬季制热工况的系统c o p 值 和压缩机的c o p 值，指出要获得好的节能效果，必须优化系统，介绍循环泵和风机等 的能耗【4 7 1 。 哈尔滨工业大学马最良在p h i l i p 和d ev r i e s 多孔介质热湿耦合理论模型的基础上， 从土壤中热湿迁移的机制出发，以修正达西定律和费克定律为理论基础，建立了非饱和 土壤中土壤耦合热泵系统地下埋管换热器夏季运行工况的传热传湿相互耦合的数学模 型。 4 8 】马最良，余延顺针对建筑物空调系统电力负荷日益增加，特别是电力高峰时段的 负荷较大，提出了一种利用土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的设想，并建立了夏季空调 工况时土壤蓄冷、释冷过程的数学模型，采用固相增量法模型对系统的蓄冷! 释冷运行特 性进行了模拟计算 4 9 】。 天津大学赵军、袁伟峰等【5 0 】在2 0 0 2 年依据能量平衡，建立了地下浅埋套管式换热 器传热模型，求解并分析了影响传热的主要因素，提出了强化换热的措施，给出了相应 大连理工大学硕士学位论文 的函数关系图；2 0 0 4 年李新国，赵军等【5 】提出内热源型埋管换热器理论模型，利用计 算软件a u t o u g h 2 模拟埋管换热器周围土壤温度分布及随时间变化，指出土壤热导率和 比热均较大为埋管换热器的理想环境，同时比较间歇运行与连续运行时土壤温度的变 化，得出间歇运行( 运停比为1 ：1 ) _ - 1 - 壤增温速率仅为连续运行的2 5 ( 粘土层) 、2 8 ( 砂土层) 、3 0 ( 沙岩层) 。对竖埋螺旋埋管换热器建立了传热模型，分析了流量、 土壤传热系数对热输出的影响，并计算了等效传熟系数、竖埋螺旋埋管换热器对土壤温 度场的影响情况【5 2 1 。 大连理工大学能动学院李素芬、史新慧建立了地下岩土湿度分布动态模型对于竖直 套管式地下换热器换热及其温度场的扩散建立了相应的数学模型并编制了计算程序进 行了数值模拟，确定不同水流量、不同深度，不同岩土导热系数对地下换热器出水温度 的影响；对于u 型管建立了数学模型，使用有限差分法给出了数值解法【5 3 】。吕丽霞建 立了垂直u 型埋管式地源热泵地下换热埋管周围土壤温度场二维瞬态传热模型，模拟了 冬季工况埋管出口水温及周围土壤温度场的分布情况，接着在此基础上建立了三维瞬态 传热模型，模拟了夏季热泵系统在不同运行方式下换热埋管周围土壤温度场的变化情况 1