（热能工程专业论文）地源热泵空调的系统优化及效果仿真.pdf

j 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：李妇 动f f 年6 月睡日 指导教师签名： 劬i 年6 月c 日 扩 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 s y s t e mo p t i m i z a t i o na n d e f f e c ts i m u l a t i o no f g r o u n dh e a tp u m pa i rc o n d i t i o n e r 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 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暖和空调己成 为普遍的需求。地源热泵空调，因其以浅层地热能为低位能源，节能减排环保效 益显著，而得到广泛关注。但是，地源热泵空调系统也存在投资高、占地多、因 热积累而使影响运行可靠性等问题，而限制了这项技术的推广应用，因而有必要 探求对于地源热泵空调系统进行优化与改进的技术途径。 为此，本文以前人关于土壤耦合换热器g c h p ( g r o u n dc o u p l e dh e a t e x c h a n g e r ) 周期性运行条件下的出水温度响应数据为基础，针对特定的地源热 泵空调机组，通过数学建模、m a t l a b 编程和数值仿真，对其在周期性运行条 件下的能耗特性进行了分析研究，从而揭示了地源热泵空调机组在不同运行方式 下的系统优化潜力。此外，本文还针对连续运行的地源热泵空调机组，提出一种 可同时利用空气和水( 可来自g c h p ) 两种热源的复合源热泵机组，并且针对这 种空气水复合源热泵机组，也通过数学建模、m a t l a b 编程和数值仿真，揭示 了这种复合源系统方案对于优化地源热泵系统的技术潜力。所得结论主要包括： 1 在周期性运行方式下，尽管土壤的传热能力有限，但在停运阶段土壤温 度分布存在自动恢复效应，使得g c h p 的换热能力具有较大的潜力，对这部分 潜力进行利用，可使地源热泵空调系统得以优化； 2 在各种周期性运行方式下，尽管地源热泵空调机组的c o p 都会随运行周 期数的增加而不断减小，但周期内运行时间比越小，地源热泵空调系统的c o p 的降低幅度越小，相对于连续运行时的c o p 优势越明显，据此对地源热泵空调 系统进行优化的潜力越大； 3 在连续运行方式下，采用空气水复合源热泵技术，可以实现地源热泵空 调系统的显著优化； 4 空气水复合源热泵技术利用了易于获得的空气作为热( 冷) 源，减少了 投资较高的g c h p 数量，从而使地源热泵空调系统得以优化； 5 空气水复合源热泵技术因其可以利用水( 来自g c h p ) 和空气热( 冷) 源的互补性，在冬季、夏季都能使其具有较高的c o p 值和运行可靠性。 关键词：复合源热泵；仿真；周期运行；连续运行；c o p 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 u w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di m p r o v e m e n to ft h ep e o p l el i v i n g s t a n d a r d ，t h eh e a t i n ga n da i r c o n d i t i o n i n g b e c o m et h ec o r n l i l o nd e m a n di n t h e c o m m e r c i a la n dr e s i d e n t i a lb u i l d i n g s t h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m sf o ri t s s o u r c eb e c o m i n gg r o u n d ，a s a n e n e r g y c o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tf r i e n d l y t e c h n o l o g y , g e tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no fp e o p l e b u tp o p u l a r i z i n ga n d a p p l y i n gt h i s t e c h n o l o g yi sl i m i t e df o r i t sh i g h e ri n v e s t ，m o r eg r o u n dn e e d e da n dt h ew o r k i n g r e l i a b i l i t yf o rh e a ta c c u m u l a t i o n s ot h ei m p r o v e m e n ta n dc o m p l e t i o nd e s i g nm e t h o d o fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m si sn e e d e d s op e r f o r m a n c eo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pu n i ti sa n a l y z e du n d e rp e r i o d i c a l o p e r a t i o nm o d eb ym a t h e m a t i c sm o d e l s ，p r o g r a m m i n gl a n g u a g e i nm a t l a ba n d s i m u l a t i o nb a s e do nt h ed a t eo fg r o u n dc o u p l e dh e a te x c h a n g e ro u t f l o wt e m p e r a t u r e u n d e rp e r i o d i c a lo p e r a t i o nm o d ea n df i n do p t i m i z i t i o np o t e n t i a lo fg r o u n ds o u r c eh e a t p u m ps y s t e mu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n si n t h i sp a p e r i na d d i t i o n ，c o m p o u n ds o u r c e s h e a tp u m pu n i tw h i c hu t i l i z e sa i ra n dw a t e r ( g c h p ) i sa d v a n c e dt og r o u n ds o u r c e h e a tp u m pu n d e rc o n t i n u e so p e r a t i o nm o d ea n dp o i n to u tt h ep o t e n t i a lo fo p t i m i z i n g g r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mb yc o m p o u n ds o u r c e s t h a ti s a l s om a d eb y m a t h e m a t i c sm o d e l s ，p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei nm a t l a ba n ds i m u l a t i o nt ot h i s a i r - w a t e rc o m p o u n ds o u r c e sh e a tp u m pu n i t t h ec o n c l u s i o ni sf o l l o w i n g ： 1 t h o u g h t h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo f g r o u n d i sl i m i t e d ，t h e g r o u n d t e m p e r a t u r ee x i s t sr e c o v e r yb yi t s e l fu n d e rp e r i o d i c a lo p e r a t i o nm o d e s ot h e r m a l p e r f o r m a n c eo fg c h ph a st h eb i g g e rp o t e n t i a la n dt h eg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p s y s t e mc o u l db eo p t i m i z e db yu t i l i z i n gt h i sp o t e n t i a l 2 u n d e ra n yp e r i o d i c a lo p e r a t i o nm o d e ，c o po fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p s y s t e mr e d u c e sw i t ht h ep e r i o dn u m b e ri n c r e a s i n g ，b u tt h es h o r t e r o f o p e r a t i o nt i m ei n ap e r i o d ，t h el e s sr e d u c eo fc o pa n dh a so b v i o u sa d v a n t a g ec o m p a r e dt oc o n t i n u e s o p e r a t i o nm o d e s ot h ep o t e n t i a lo fo p t i m i z i n gg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m i s b i g g e r i i i 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 3 u n d e rc o n t i n u e so p e r a t i o nm o d e ，c o u l dr e a l i z eo b v i o u so p t i m i z a t i o no f g r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mb yu t i l i z i n ga i r - w a t e rc o m p o u n ds o u r c e st e c h n o l o g y 4 a i r w a t e rc o m p o u n ds o u r c e st e c h n o l o g yu t i l i z e se a s i l yo b t a i n e da i ra ss o u r c e ， r e d u c e sq u a n t i t yo f e x p e n s i v eg c h p , s oo p t i m i z e dg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m 5 a i r - w a t e rc o m p o u n ds o u r c e s t e c h n o l o g ym a k et h eb e s tu s eo fc o m p l e m e n t a r y o fa i ra n dw a t e r ( g c h p ) ，s oi th a sh i g h e rc o pa n d o p e r a t i o nr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：c o m p o u n ds o u r c eh e a tp u m pu n i t ；s i m u l a t i o n ；p e r i o d i c a lo p e r a t i o nm o d e ； i v c o n t i n u e so p e r a t i o nm o d e ；c o p 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 课题背景1 1 2 热泵分类。1 1 2 1 空气源热泵1 1 2 2 地源热泵。2 1 3 热泵的发展与研究现状4 1 3 1 空气源热泵的发展与研究现状。4 1 3 2 地下水源热泵的发展与研究现状5 1 3 3 土壤源热泵的发展与研究现状6 1 4 本文的主要研究内容7 第二章空气水复合源热泵技术9 2 1 空气源热泵的特点9 2 2 地源热泵的特点。1 0 2 3 空气水复合源热泵技术1 2 2 4 本章小结1 4 第三章空气、水和制冷剂参数计算1 5 3 1 湿空气参数程序化计算1 5 3 1 1 湿空气的热力性质1 5 3 1 2 湿空气的热物理性质1 6 3 2 水的参数程序化计算1 7 3 3 制冷剂参数化计算1 7 3 3 1r 2 2 的热力性质1 8 3 3 2r 2 2 的热物理性质2 0 3 4 本章小结。2 2 第四章热泵机组模型的建立2 3 4 1 压缩机模型的建立2 3 4 1 1 制冷剂流量的计算2 3 4 1 2 功率计算2 4 4 2 冷凝器模型的建立2 5 4 2 1 翅片管式冷凝器模型的建立2 6 v 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 4 2 2 套管式冷凝器模型的建立3 1 4 2 3 冷凝器的模拟计算3 4 4 3 膨胀阀模型的建立。3 6 4 4 蒸发器模型的建立。3 6 4 4 1 套管式蒸发器模型的建立3 7 4 4 2 翅片管式蒸发器模型的建立4 1 4 4 3 蒸发器的模拟计算4 7 4 5 整个系统的仿真4 8 4 6 本章小结5 0 第五章地源热泵空调系统优化潜力分析5 1 5 1 周期运行模式的概括。5 1 5 2 给定换热量时进出口温度及土壤温度的变化。5 3 5 3 地源热泵空调机组运行性能分析。5 5 5 3 1 连续运行分析5 5 5 3 2 周期运行分析5 6 5 3 3 连续运行与周期运行对比分析5 9 5 4 本章小结5 9 第六章空气水复合源热泵机组的运行效果仿真6 l 6 1 夏季工况分析6 1 6 1 1 夏季工况下复源合热泵空调机组性能分析6 1 6 1 2 夏季工况下复源合热泵空调冷凝器性能分析6 2 6 2 冬季工况分析6 4 6 2 1 冬季工况下复合源热泵空调机组性能计算6 4 6 2 2 冬季工况下复合源热泵空调蒸发器性能分析6 5 6 3 结果分析6 6 6 4 本章小结6 7 第七章全文总结与展望6 8 7 1 总结一6 8 7 2 展望一6 8 参考文献6 9 致谢7 l 在读学位期间发表的论文7 2 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 能源是维持人类生存的重要物质基础，是经济和社会发展的基本条件。在各种能源 需求当中，建筑能耗，即建筑使用过程中所消耗的能源，占有相当大的比例。据报道， 2 0 0 0 年美国的建筑能耗约占社会总能耗的3 3 7 ，法国的建筑能耗约占社会总能耗的 4 5 ，而中国的建筑能耗占社会总能耗的比例也已从1 9 7 8 年的约1 0 上升到2 0 0 1 年的 近3 0 。并且，我国既有建筑和每年新增建筑的数量巨大，人们的生活质量不断提高， 用能范围不断扩大，建筑能耗的增长还在加快，这些都对我国的能源供应和环境保护造 成极大的压力【1 1 。因此，研究建筑的节能问题意义重大。 建筑节能是指在建筑中提高能源的利用效率，以较小的能源消费为代价，实现最大 的经济和社会效益。建筑节能主要包括图1 1 所示的几个方面f 2 1 ，其中暖通空调系统与 热水系统所占的比例接近6 0 ，而且具有较快的上升趋势【3 1 。 图1 1 建筑节能的分类 热泵技术因其可以利用低品位的热( 冷) 能资源而具有很高的用能效率，不仅可以 实现夏季供冷、冬季供暖，而且可以省去锅炉系统【4 1 ，减少工程投资。由于热泵通常以 电作为动力，还具有较高的环境相容性和运行可靠性【5 1 。 1 2 热泵分类 在建筑物中所使用的热泵空调，大多利用空气、地表水、地下水和土壤来作为冷热 源，通过热力循环向建筑物供冷、供热。对于建筑物中使用的热泵空调，常见的类型主 要包括空气源热泵和地源热泵。 1 2 1 空气源热泵 空气源热泵是利用室外空气作为热泵的低温热源，其装置简单和使用比较方便，空 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 气廉价易得、随处可用，故目前成为热泵空调的主要型式。但是空气源热泵空调也存在 以下缺点： 在夏季制冷运行工况下，环境空气温度越高，空气源热泵制冷工质的冷凝温度越高， 冷凝与蒸发温差越大，制冷效率越低。由于冷凝器需要向大气中排放废热，易形成区域 性的热岛效应，即城区温度明显高于郊区温度，反过来又使得空气源热泵空调机组的冷 凝温度进一步升高，能耗进一步增大f 6 , 7 1 。 在冬季供热运行工况下，环境空气温度越低，空气源热泵制冷工质的蒸发温度越低， 冷凝与蒸发温差越大，制热效率越低。而且，由于空气中含有水分，在一定条件下会在 蒸发器表面结霜，增大换热器的热阻，也会影响空气源热泵热泵的制热效率。为了消除 蒸发器表面结霜，通常需要用电辅助加热，从而导致其能耗的进一步增大。 环境空气温度会随气象、季节条件变化，影响热泵的供热能力，而这种影响通常与 建筑物的供热需求相矛盾，从而引起供需不平衡现象，降低其供热( 冷) 的可靠性和舒 适度。 此外，由于空气比热容较小，为获得足够的热量以满足热泵的温差条件，其室外侧 蒸发器所需的风量较大，使得热泵的体积、风机能耗和运行噪声均较大，也成为制约空 气源热泵推广应用的问题【8 】。 1 2 2 地源热泵 根据地源热泵系统工程技术规范( g b 5 0 3 6 6 2 0 0 5 ) ，地源热泵可分为地表水源热 泵、地下水源热泵和土壤耦合热泵三种类型。 1 2 2 1 地表水源热泵 地表水源热泵系统的冷、热源足池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江、河、湖、 海等大量自然水体的地方，利用这些自然水体作为热泵的低品位冷热源的一种热泵空调 形式【5 1 。根据热泵机组与地表水连接方式的不同，可将地表水源热泵分为两种：即开式 地表水源热泵系统和闭式地表水源热泵系统【9 1 。 开式地表水源热泵系统通过取水装置直接将湖水或河水送至热泵系统进行热交换， 换热后的湖水或河水直接返回湖或河内。但由于自然水体中含有悬浮物等有害物质，有 可能对热泵的相关换热表面产生结垢、腐蚀等不利影响。 闭式地表水源热泵系统采用置于水中的换热盘管，通过间接方式与地表水体进行换 热。换热盘管的形式有两种，一种是松散捆卷盘管，另一种是按某种方式排列的盘管。 2 工苏大学硕士学位论文 这种间接换热方式，可以避免自然水体中悬浮物等有害物质对系统产生不利影响，但投 资较大、用能效率稍低。 地表水源热泵系统具有造价低、能耗低、维修率低、运行费用低等优点，但受自然 条件的限制较大。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，在热 负荷与供热量之间也会存在较大的矛盾；而且也会受到水体面积的限制，长时间运行会 使水体的温度发生变化，影响机组的性能，甚至还会影响水体的生态环境质量。 1 2 2 2 地下水源热泵 地下水源热泵系统的冷、热源是从水井或废弃矿井中抽取的地下水，经过换热的地 下水可以排入地表水系统或者回灌到原来的地下水层。地下水源热泵系统一般有异井回 灌和同井回灌两种形式【9 1 。 异井回灌技术是地下水热源热泵最早的形式。取水和回水在不同的井内进行，从一 口抽取地下水，送至井口换热器中，与热泵换热后，再从其他的回灌井内回到同一地下 含水层中。若地下水水质足够好，也可直接进入热泵系统。 同井回灌技术将取水和回灌水在同一口井内进行，通常通过隔板把井分成两部分， 一部分是低压( 吸水) 区，另一部分是高压( 回水) 区。当采用潜水泵时，地下水被抽 至井口换热器中，换热后，再由同井返回到回水区。 但是我国地下水资源十分短缺，并且地下水超采现象严重，使得地下水位较深。此 外，由于地下水位下降、地下水污染、地面下沉、海水入侵等环境地质问题的存在，也 影响了地下水源热泵系统的应用【1 0 l 。 1 2 2 3 土壤耦合热泵 土壤耦合热泵系统是利用地下土壤中热( 冷) 量的地源热泵系统，主要由土壤换热 器、热泵机组和末端系统三部分组成，与其他热泵系统的主要区别在于地下土壤换热器。 土壤换热器形式有水平埋管和垂直钻孔等类型。 常见的土壤耦合热泵系统通过闭环式垂直埋管地热换热器向土壤释放建筑物的冷 负荷或从土壤中吸收热负荷，通过热泵实现对建筑物供冷供热。在土壤耦合热泵空调系 统全年运行过程中，冬季通过热泵把从地下吸收的热量升高温度后对建筑供热，同时地 下埋管周围的温度降低；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温， 同时地下埋管周围的温度升高。显然，这种温度的升高或降低，对当年采暖( 或空调) 季的地埋管换热器的传热性能有一定影响。如果在一年中冬季从地埋管换热器中抽取的 3 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 热量与夏季向地埋管换热器输入的热量平衡，则地埋管换热器在数年运行后，地下的年 平均温度没有变化，对地埋管换热器的性能没有影响。但是，在很多情况下地埋管换热 器全年的冷热负荷足不平衡的。例如在北方建筑物冬季的供暖负荷和供暖时间远大于夏 季的空调负荷和空调时间；而在南方情况则相反。即使建筑物的冷热负荷及热泵冬夏季 运行时间相等，注入地下的热量也要大于从地下抽出的热量。因为前者等于建筑冷负荷 加上热泵轴功率，而后者等于建筑热负荷减去热泵轴功率。在这种情况下，地埋管换热 器的吸热和放热不平衡，多余的热量( 或冷量) 就会在地下积累，引起地下年平均温度 的变化，进而影响地埋管换热器的出力。土壤耦合热泵的研究成果在我国有着广阔的应 用前景。与其它热泵系统比较起来，地源热泵存在的一个主要缺陷就是其初投资较高。 1 3 热泵的发展与研究现状 1 3 1 空气源热泵的发展与研究现状 1 3 1 1 国外的发展与研究现状 2 0 世纪3 0 年代，出现了热泵的示范装置。从第二次世界大战前后至7 0 年代中期， 美国、欧洲各国、前苏联、澳大利亚等在热泵的应用、研究方面都做了不少工作。理论 研究工作主要围绕热力学原理、热泵部件和系统的设计原理、低位热源与能源工业的关 系、运行费和经济性计算基本原理等方面来进行。 日本h a g i m o t ok 【1 1 。1 2 】等人提出采用带喷液旁路的涡旋压缩机系统来解决低温工程 制热时的排气温度过高的问题，并开发出样机。通过对辅助回路的启停可以实现既能在 常温工况下高效正常工作、又能够在低温工况下安全、可靠地工作的热泵系统。日本的 k a t s u j iy a m a g a m i l l 3 】提出利用燃油、燃气燃烧器辅助加热的热泵空凋器来解决低温工况 下制热不足的问题。这个系统中燃气、燃油加热的工作方式主要有两种：在供暖时停止 热泵系统运行，仅启动送风系统，依靠燃料在空调器的燃烧器中燃烧，加热流过的空气， 从而送出暖风。此时，燃烧器一般加装在室内机中；在供暖运行时，热泵系统仍然运行， 室外机组内的燃气、燃油加热器加热室外蒸发器，制冷剂将吸收到的热量以及压缩机所 做的功一并带到室内。在大规模应用方面，国外的研究注重与建筑特点及目标对象相结 合。西欧、前苏联在大型区域供热或热泵站的建设方面也做了大量的研究。 1 3 1 2 我 4 江苏大学硕士学位论文 开展的研究工作主要有：应用的可行性、小型空气空气热泵( 家用热泵空调机组) 的理 论与实验研究、产品开发和系统应用研究等。8 0 年代中期以f i 风冷热泵冷水机组大多采 用半封闭往复式多机头压缩机。由于调：节灵活和压缩机性能及转换器性能的改善，机组 的性能不断提高，但在8 0 年代中期以后，螺杆式压缩机的技术进步很快，由于比压缩 式零部件少( 为活塞式的十分之一) ，结构简单，无进排气阀，噪声低，可以无级调节， 压缩比大而对容积效率影响不大，故特别适用于气候偏寒冷地区的空气源热泵和采用冰 蓄冷的装置，因此空气源热泵冷水机组采用螺杆式压缩机越来越广泛。针对寒冷地区低 温制热时热泵性能恶化的问题，哈尔滨工业大学的马最良教授提出采用空气源热泵与水 一水热泵或者水一空气热泵组成耦合双极热泵供暖系统。冬季用放置在室外的空气源热 泵冷热水机组制备1 0 2 0 的温水，通过水环路送至室内的水一空气热泵或者水一水热 泵，系统从水中提取热量，达到供暖目的。他还在其它文献中提出利用寒冷地区的建筑 物的内区发热量以及引入太阳能等能量作为辅助热源来进一步提升该系统经济性的设 想。清华大学的马国远等人经过研究，成功利用带辅进汽口的涡旋压缩机实现带经济器 的准二级压缩空气热泵系统来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能。自9 0 年代至 今，研究热点集中在空气源热泵的变频技术、计算机仿真和优化技术、c f c s 类工质的 替代技术、除霜技术、智能控制技术等方面。 1 3 2 地下水源热泵的发展与研究现状 1 3 2 1国外发展与研究现状 1 9 4 8 年第一台地下水源热泵系统在俄勒冈州运行，掀起了上世纪4 0 、5 0 年代欧洲 和美国水源热泵研究的第一次高潮。其中，开始安装的大部分为地下水源热泵系统，由 于采用直接式系统，这些系统在建成的5 1 5 年内都由于腐蚀和生锈而失效钔，因此 地下水源热泵系统应用进入了低潮期。直到上个世纪7 0 年代末，由于世界石油危机的 出现，对能源的需求也越来越紧迫，人们的注意力开始集中到节能和高效利用能源上来。 地下水源热泵系统作为一种节能和环保的供热、空调方式重新引起了暖通人员和业主的 注意。 在欧洲的中部和北部，由于气候寒冷，地下水源热泵主要应用于采暖模式。原联 邦德国计划到1 9 9 0 年生产地下水源热泵占热泵总产量的1 4 ，基本都是单向的大型热 泵，由燃气发动机驱动。瑞典政府在地源热泵应用的初期采取了一定的补贴政策，不过 2 0 世纪9 0 年代以来，政府取消补贴，但地源热泵仍以1 0 0 0 套年的速度增长，全国累 5 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 计安装了2 3 力套地源热泵系统，其中1 8 万套为开式循环系统。 1 3 2 2 国内的发展与研究现状 我国地下水源热泵从1 9 9 7 年开始学习和引进欧洲产品，出现了大规模的地下水源 热泵采暖工程项目，到1 9 9 9 年底，全国大约有1 0 0 套地下水源热泵供热席0 冷系统，其 中较为成功的实例有：内蒙占的一幢宾馆和综合建筑，沈阳白城军分区，山东东营市中 胜集团办公楼，涉县龙山宾馆，河北承德市乾阳大酒店和司达公司办公楼，石家庄某综 合楼，河南济源政府环形大楼，空军丰台办公楼、招待所等。 为了加强中美两国在能源效率与再生能源领域的技术交流和合作，改善中国的能源 结构，促进节能、环保和资源的综合利用，美国能源部和中国科技部于1 9 9 7 年1 1 月签 署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中一项内容就是地源热泵的发展战略。 1 9 9 8 年1 0 月，中美两国确定在我国的北京( 代表北部寒冷地带) 、杭州( 代表中部夏热 冬冷地带) 和广州( 代表南部亚热带) 各选一家单位与美国能源部推荐的地源热泵生产 商合作建立三个地源热泵示范工程，以推广这种“绿色技术 ，缓解中国对煤炭和石油 的依赖程度。在这三个示范工程项目中，两个为地下水源热泵系统，一个为复合式地下 水源热泵系统。 1 3 3 土壤源热泵的发展与研究现状 1 3 3 1 国外的发展与研究现状 1 9 1 2 年，瑞士人h e i n r i c hz o e l l y 申请了第一个与土壤耦合热泵有关的专利，此后几 十年，瑞士、英国、德国、美国、奥地利等国开始研发土壤耦合热泵系统，此后二十余 年内，土壤耦合热泵基本处于实验研究状态。在二次世界大战前后，美国才有土壤耦合 热泵系统开始被安装使用。同时，美国电器公司的数十个有关项目也开始在实验室和室 外进行研究。在此期间，i n g e r s o l l 等人对土壤换热器的分析研究，对此后系统的设计提 供了理论基础【1 1 】。 此后，人们对土壤耦合热泵的研究热情明显减弱，原因足：1 由于土壤换热器附近 的土壤因加热而变得干燥，导致土壤导热性能下降；2 土壤换热器存在泄露问题：3 土 壤换热器换热面积过小，不能满足运行要划1 1 1 。 直到1 9 7 3 年欧美地区爆发“能源危机 美国从上世纪8 0 年代初开始，在能源部 家实验室和俄克拉荷马州立大学( o s u ) 6 江苏大学硕士学位论文 大部分研究都是根据1 9 4 0 年的研究路线来进行的，强调通过实验来进行测试。这些研 究主要解决了以下问题：使用更好的回填材料，解决了土壤干燥的问题；采用高密度聚 乙烯管并使用热熔连接，解决了泄露的问题；使用计算机编制的程序进行模拟计算，解 决了换热器尺寸的优化问题。在这一时期，人们主要针对土壤换热器的换热过程进行了 研究，建立了相应的数学模型，并根据这些模型进行了换热器的模拟与设计。 2 0 世纪9 0 年代以来，土壤耦合热泵进入了快速发展的阶段。目前，国外已有大量 的工程实例和成熟的设计方法，土壤耦合热泵的应用日益广泛。并且，更多的土壤耦合 热泵还被应用于建筑空调、供热和热水以外的方面，如桥梁的桥面防冻、水产养殖、冷 库等【1 7 1 。 1 3 3 2 国内的发展与研究现状 国内地源热泵技术的发展则比较晚，自2 0 世纪9 0 年代以来，国内才开始了对土壤 耦合热泵的研究与应用，研究单位主要集中在山东建筑工程学院、天津大学、哈尔滨工 业大学、同济大学、湖南大学等，研究工作主要集中于换热器传热模型、系统运行特性 及经济性等方面【9 1 。 在工程应用方面，土壤耦合热泵技术在国内的发展速度很快，尤其是在北京、天津、 河南、山东、辽宁、河北、江苏等地，呈现快速增长的趋势。根据中国建筑业协会地源 热泵工作委员会对其组成单位相关工程信息的统计，我国土壤耦合热泵、地下水源热泵、 地表水源热泵这三种系统的使用比例分别是3 5 、4 5 和2 0 【3 1 。 1 4 本文的主要研究内容 随着人们对热泵技术的不断研究发现，无论是空气源热泵、还是地源热泵系统，无 一例外的都有不足之处，使用效果往往不能令人满意。本文以前人关于土壤耦合换热器 g c h p ( g r o u n dc o u p l e dh e a te x c h a n g e r ) 周期性运行条件下的出水温度响应数据为基础， 针对特定的地源热泵空调机组，通过数学建模、m a t l a b 编程和数值仿真，对其在周 期性运行条件下的能耗特性进行了分析研究，从而揭示了地源热泵空调机组在不同运行 方式下的系统优化潜力。此外，本文还针对连续运行的地源热泵空调机组，提出一种可 同时利用空气和水( 可来自g c h p ) 两种热源的复合源热泵技术。采用复合源热泵技术 弥补单一地源热泵系统存在的问题，并且在能源的利用上充分发挥各自最大的优点。课 题的主要内容： 7 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 8 1 ) 分析指出使用空气源热泵和水源热泵的优缺点，结合空气源热泵和水源热泵的 优点研究了一种将空气源和水源结合起来的复合源热泵机组； 2 ) 建立了热泵机组及系统的数学模型，并对各个部件和系统设计了相应的算法； 3 ) 通过仿真分析了地源热泵空调机组连续运行与周期运行的性能； 4 ) 通过仿真分析空气一水复合源热泵空调机组的性能。 江苏大学硕士学位论文 第二章空气一水复合源热泵技术 2 1 空气源热泵的特点 8 0 年代中期，国产中型空气源热泵首先在上海获得应用，随后，空气源热泵作为空 调的冷热源得到了广泛的应用，从长江流域逐渐扩展到北方各地区【1 8 】。用空气作为热泵 热源具有很多优点【1 9 1 ： 1 ) 空气取之不尽、用之不竭。将室外丰富的空气资源作为冷源或热源，从中吸取 冷量或热量来满足建筑供冷供热的需求，可以应用的场合非常广泛； 2 ) 向建筑物供冷、供暖时c o p 值较高，大大节约能源，与此同时，减少了运行费 用，且供冷和供暖都可通过同一建筑冷热源设备实现，减少了系统的初投资； 3 ) 具有大、中、小各种容量大小的家用机组或商用机组，包括一般家庭使用的分 体式空调、户式中央空调机组、还有大、中型的模块式风冷热泵冷热水机组等等，选择 起来较为灵活； 4 ) 没有冷却塔等附加设备，结构较为简便，运转稳定、技术成熟； 5 ) 可暴露于屋顶不占建筑物内空间，自控设备完善，管理简单等优点。 空气源热泵的主要缺点在于： 1 ) 存在热岛效应，使得外界局部空间环境条件恶化【捌； 2 ) 当空气温度低于零度时，机组效率下降，并且当环境温度低于1 0 时，机组效 率极低，甚至无法开机，需加辅助热源； 3 ) 冬季室外机组需要频繁停机除霜，其结果足除霜损失约占热泵总能耗的1 0 2 ； 4 ) 夏天当空气温度高于3 5 时，常规空调机组效率开始下降，空气温度越高，机 组制冷效率越低，能耗增加。空气源热泵的另外一个缺点是供热能力和性能系数随着室 外温度的降低而降低，使用受到环境温度的限制。0 条件下，热泵机组的实际出力为 额定工况下的9 0 左右，5 情况下出力只有额定工况下的7 5 左右，1 0 条件下供 热量只有额定工况下的6 0 左右，而且一般当室外温度低于零下1 0 就不能正常工作。 因此，空气源热泵机组一般只适合在我国南方使用，而在北方地区冬季最冷月份难于满 足供暖负荷需求。 9 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 2 2 地源热泵的特点 地源热泵技术通过消耗部分电能，利用水为载体，采集来自湖水、河水、水电下游 河水、地下水及土壤地热的低品位热能作为空调机组的制冷制热的能源【2 1 , 2 3 】，具有以下 很多优点： 1 ) 高效节能 与电锅炉、燃料锅炉和空气源热泵的供热系统相比，地源热泵具有明显的优势。锅 炉供热只能将9 0 - - 9 8 的电能或7 0 - - 9 0 的燃料内能转化为热量，供用户使用，因 此地源热泵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【2 4 】；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1 0 - - - 2 5 c ，其制冷、制热系数 可达3 5 - 4 4 ，与传统的空气源热泵相比，要高出4 0 左右，其运行费用为普通中央空 调的5 卜6 0 。以供暖运行为例，目f j 供暖方式有集中锅炉房供热方式、热电厂供热方 式、分户燃壁挂炉供暖方式。 2 ) 环保效益显著 地源热泵足利用了地球土壤或水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换 的供暖空调系统。而地源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中，不会引起区域 性的地下以及地表水污染。实际上，循环水经过热泵机组后，只是交换了热量，水质几 乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，不会造成对于原有水源的污染。 可以说地源热泵足一种清洁能源方式。地源热泵供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉 房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪 声及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，减少了环境污染。地源热泵的污 染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少4 0 以上，与电供暖相比，相当于减少7 0 以上，如果结合其它节能措施，节能减排会更明显。虽然地源热泵也采用制冷剂，但 比常规空凋装置减少2 5 的充灌量：属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装 密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。由于地源热泵机组的运行没有任何污染，可 以建造在居民区内，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。 地源热泵可以利用的水体包括地下水或河流、地表水的河流和湖泊以及海洋【2 1 盈1 。 地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳辐射能量，比人类 每年利用能量的5 0 0 倍还多( 地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量) ，而且是 一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的 1 0 江苏大学硕士学位论文 均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地热能成为可能。所以说，地源热 泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。 3 ) 运行稳定可靠 地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定，一般为l 卜2 5 ，其波动的范围远 远小于空气温度的波动，是很好的热泵热源和空调冷源。土壤温度较恒定的特性，使得 地源热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵 的冬季除霜等难点问题。 4 ) 一机多用，应用范围广 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来 的锅炉加空调的的两套装置或系统。特别足对予同时有供热和供冷要求的建筑物，地源 热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷 的要求，减少了设备的初投资。地源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑， 小型的地源热泵更适合于别墅住宅的供暖、空调。 5 ) 自动运行 地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单 可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到1 5 年以上。 当然，地源热泵也不是完美无缺的，也有着局限性和不足之处： 1 ) 可利用的水源条件和土地限制 地源水源热泵技术所利用自然水源包括地下水和地表水两种类型，使用这一技术的 关键前提足当地是否有适合的水源供给，需要考虑水源满足一定的温度、水量和建设单 位能够承担的开采利用成本。地源水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际 工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水 源成为地源水源热泵应用的一个关键。目前的地源水源热泵利用方式中，闭式系统一般 成本较高。而开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用地源水源热泵的限制条件。 对歼式系统，水源需要满足更高的水质要求，必须满足一定的温度、水量和清洁度。对 于土壤耦合热泵需要打井敷设换热器，这就需要占用大面积的土地。 2 ) 水文地质条件、回灌工艺的限制 地源热泵系统设计中，建筑物当地的地质、水文、气象条件等基础资料决定着地源 热泵系统能否成功的关键。在地源热泵系统中取水构筑物对于邻近建筑有影响，涉及地 地源热泵空调的系统优化及效果仿真 面沉降问题，单井对建筑基础也有一定的影响。深井回灌式水源热泵的回灌能力受当地 水文地质条件、回灌工艺的限制。水源热泵系统中，深井回灌方式向地下回灌比取水要 困难，对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济 条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水 的回灌可以实现。另外，水源热泵设备系统的设计会对地下水的化学、物理因素造成不 同程度的改变，也会影响回灌能力的大小。还需要解决深井回灌式水源热泵系统的钻井、 回灌、保养、长期运行等方面的问题。 3 ) 连续运行机组效率下降 在大多数情况下，土壤换热器向土