开 题 报 告 书.doc

安徽建筑工业学院硕士学位论文开题报告书学院、系（所）土木工程学院姓 名唐伟伟学 位 级 别硕 士学 科、专 业工程力学研 究 方 向结构动力学及其应用论 文 题 目合肥地源热泵系统埋管方式及埋管间距的研究导 师 姓 名张伟林入 学 年 月2008.9安徽建筑工业学院研究生处制2010年3月17日填姓 名唐伟伟学号20080100025导师姓名张伟林学科专业工程力学研究方向结构动力学及其应用入学类型硕士研究生 以同等学力申请硕士学位 专业学位 高校教师在职攻读硕士学位论文题目合肥地源热泵系统埋管方式及埋管间距研究论文（设计）选题来源：为在合肥地区进一步推广浅层地能应用-地源热泵空调技术及应用提理论基础，采用科学实验与社会调研相结合的方法,确定合肥地源热泵系统埋管方式及埋管间距，以便设计人员进行更合理的设计。论文（设计）的研究目的、意义及国内外发展趋势,论文（设计）的主要内容、研究方法和研究思路 (5000左右)：1. 论文研究目的及意义地源热泵系统又称大地耦合热泵系统,按其最终热源形式,可以分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、土壤源地源热泵系统。其中地下水地源热泵系统换热效果最好,但受地下水资源使用条件的限制,以及近年来地下水开采带来的一系列问题的影响,国内外学术界对此种方式均持保留态度; 地表水地源热泵系统换热效果较好,但受地域限制很大,应用不广泛; 目前国内外所谈及的一般均指土壤源地源热泵系统。国内自上世纪90 年代开展地源热泵技术研究以来,已经过了约10 年的研究发展历程,取得了一定的研究成果,加之应用该技术的系统具有能耗少、COP 值高、环保等优点,因此,在最近的几年时间里,地源热泵系统在工程中的应用渐渐多了起来。但是,由于地源热泵技术的应用具有很强的地域特点,其所需地下换热器数量又较多,因此,地源热泵系统在一定层面上不具有普遍性,也就是说,不同的地源热泵系统,应根据不同的气候、地理、工程条件进行设计。地下埋管换热器是地源热泵系统的关键设备,讨论了设计地下埋管换热器时应注意的一些问题。土壤源热泵空调系统是利用土壤作为冷热源,通过中间循环介质在埋于地下的封闭环路中循环流动,与土壤进行热交换,进而由热泵实现对建筑物的制冷或供热。与传统空调相比,土壤源热泵空调系统利用可再生能源,具有节能和环保的特点。它在欧美已经有数十年的历史,近年来在中国受到广泛关注,并已开始得到应用。由于垂直U型管式土壤源热泵具有占地面积小、可用范围广、灵活性较高、恒温效果好、换热效率高、维护费用低等众多优势,已经为目前应用最为广泛的埋管方式。但目前对土壤源热泵空调系统的核心部件埋地换热器的研究还不够完善,这在很大程度上制约了它的应用与发展。如:各地土壤的导热系数、扩散率、传热率与初始温度等传热性能参数不清楚,设计出的埋地换热器可能富余量过大,造价过高;也可能系统达不到实际负荷的要求,空调效果较差。本文利用热响应的原理,以实验的方式,研究U型管埋地换热器周围土壤传热性能。土壤的导热系数和热阻是土壤热交换器设计中的两个重要因素。地埋管内的传热介质通过回填材料和井壁与非均匀土壤的传热过程,不但与土壤热交换器的构造和选用材料的热工性能有关,更在一定程度上受到项目现场土壤热工性能的影响。地下土壤的温度分布可以由不同类型土壤的热力分级表查得,也可用针形探测器探得不同深度土壤的热力特性并经过实验室分析后获得,但这两种方法都不能提供钻孔与地下环路的构造以及地下水的流动对系统换热造成的影响。有关土壤热交换器的研究目前主要集中在传热模型,土壤热物性,回填材料性能和土壤热交换器优化与节能设计等几个方面。从工程应用的角度来看,地源热泵系统的设计与施工主要还是借助国外经验,打井数量按照简单的40-60W/延米井深(单U),80-100W/延米井深(双U)进行估算,系统、准确的针对每个项目所在地的地质状况、岩土热物性进行分析的很少。我国不同地区地质调查与土壤类型分布数据库还不完整,简单的依赖图表或者单一的实验室数据不能宏观的概括影响土壤热交换器传热性能的所有因素。而通过现场的热响应测试可以实地测量能量传递的响应曲线,提供不同结构土壤换热器的主要信息如导热系数、无干扰地温和钻孔热阻,测试结果还可以间接分析地下水流动对换热的影响,逐步在实际工程应用中显示其简单可靠、经济实用的优势。2. 研究现状、发展动态和应用前景中国目前仍然是以燃煤为主的发展中国家，在经济高速发展的同时我们应该看到这种不合理的能源结构己造成了极为严重的环境污染。寻找既能环保，又可持续发展的能源，是我国广大科技工作者井同的任务。热泵是提供清洁环保能量的一种最有效技术，其能量来源是低温热源，对环境没有污染，效率高，能够很好地适应制冷和供热的节能环保要求，因此近年来热泵在我国的应用日趋广泛，特别是在南方地区家用空调上已经较为广泛她应用。但目前国内最常用的热泵是以室外空气为热源的空气源热泵。能源按来源和利用方式可分为不可再生能源和可再生能源（过程性能源)。不可再生能源主要指煤炭、油页岩、石油、天然气，在世界范围内，在使用的总能源中不可再生能源占主要份额。在使用不可再生能源过程中，总要排放烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等污染物;污染环境空气，威胁人体健康。大量二氧化硫和氮氧化物的排放，造成地区性酸雨的发生，威胁生态系统。大量二氧化碳等温室性气体的排放，造成了全球气候变化，使全球变暖。在能源日益短缺、环境问题越来越严重的情况下，寻找一些新的能源来代替石油、煤炭以及其它的一次性非再生能源显的尤为重要。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。因此，我们应控制能源使用，减少使用不可再生能源，扩大使用可再生能源，以减少环境污染。此外，不可再生能源作为有限的自然资源，在短期内无法恢复和重复使用，如不加以控制，必将耗尽。作为不可再生能源的替代品，可再生能源将成为人类生存和发展所必须的新能源形式。可再生能源在建筑中的运用，对解决降低建筑能耗的问题有着巨大的作用，能够为发展生态建筑和可持续建筑起到强大的推动作用。相对于不可再生能源它有以下几点优势。1.可以代替能耗高、污染大、不可再生的石化能源。石油和煤炭等不可再生的一次性能源因为储藏量有限，同时也不能够循环利用，终有一天会消耗殆尽。因此我们就应该未雨绸缪，在大力提倡节约能源、提高能源利用率的同时积极的寻找和利用新型的可再生能源来代替旧的能源。所以，在建筑中积极的推广和使用可再生能源来代替原有的旧的能源对减少我国石化能源的消耗和优化我国的能源结构具有重要的意义。2.减少了传统能源所产生的污染物的排放，保护了生态环境。据有关资料显示，世界各国房屋能源使用中排放的CO2约占全球COZ排放总量的1/3，其中：住宅大体占2/3，公共建筑占1/3。因此，如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球环境和生态，就成为一个关乎人类社会发展的重要问题。可再生能源没有或很少有污染大气和生态环境的污染物的排放，是与人类生存环境相协调的清洁能源，在建筑中积极加以推广应用，可以减少有害气体和颗粒物等污染物的排放量，对减轻我国的大气污染和保护生态环境发挥很大的作用。3.为边远偏僻无电、缺能农村解决了基本生活用电、用能需求问题我国边远的广大农村地区，特别是西部地区的农村，仍有很多乡村为用电和用能问题而感到烦恼。严重的影响了当地经济社的发展、文化科教水平的提高和人民生活水平的提高。生活用能是建筑能耗的重要组成部分，属农村建筑能耗的首位，推广应用可再生能源的潜力十分巨大。现阶段光能发电、风力发电、沼气、秸秆气化和太阳灶等已经在边远农村地区得到了很好的发展，有效的防止了滥砍乱伐林木和破坏草原植被等情况，是农村生态环境得以保护。4.提高城乡居民的生活质量和住宅的舒适度，并可使建筑物造型新颖别致，增强“卖点”，体现“以人为本”的建筑理念。在现阶段各种新建的建筑物中都运用了新型的可再生能源。例如，在我国众多地区都应用了太阳能技术，太阳能热水器已经成为生活中不可或缺的用具。在城市中，与建筑相结合的太阳能热水系统也是深受欢迎。在西部的地区广大农村地区，推广被动式太阳房解决冬季采暖问题，不但节省能耗，而且清洁干净、省工省时。3 论文的主要内容在我国大多数的建筑中使用的空调系统都是用石化能源和电力来提供供暖或者制冷的能源。这样的能源结构并不合理，燃烧煤炭、石油能等能源物质产生的大量废气、烟尘和有毒物质严重的污染了环境，损害人类健康，与我国的可持续发展战略不符。地源热泵系统作为一种新型的、无污染的空调系统在我国的发展前景极为广阔。本文首先介绍了地源热泵系统的工作原理，希望通过对原理的论述使建筑师了解该系统的运行方式。同时详细介绍了地源热泵系统的埋管方式分类，比较说明了垂直埋管和水平埋管各自的技术特点，为埋管方式的选用提供了一定的帮助。通过对埋管方式进一步分析，研究了埋管间距的问题。论述了土壤热物特性、运行方式及埋管布置对埋管间距的影响。同时根据模型研究和简单的经济分析，提出一个初步确定埋管间距的方法，供读者研究借鉴。地源热泵系统除了有良好的环境效应，还具备了很好的经济效应。通过对成都市的地源热泵工程某两个实例的分析，与家用分体式空调进行对比。从初投资、运行费用以及费用年值三个方面进行对比，体现了该系统在经济方面良好的可持续性。同时也对两种不同买管方式的运行费用进行了对比分析。希望通过本文的论述，使建筑师更加了解地源热泵系统的原理以及优势。从而有利于地源热泵系统在合肥地区的发展推广。3.1实验模型以土壤源热泵水平埋管换热器为研究对象，建立水平埋管的二维数学模型，该模型属于圆柱理论模型。在圆柱孔传热模型中，将钻孔以外的土壤看成是无限大的实体，设钻孔孔壁处有一恒定热流，将钻孔看作一均匀无限长柱热源，与大地进行换热，此传热过程为一维不稳态导热问题。在分层地质结构条件下，钻孔时挖出的土壤，在回填时，不可能与原来土壤沿深度方向的分层相同，因此钻孔内外土壤的热物性有较大差异。圆柱孔模型以钻孔壁为界，考虑了钻孔回填部分和大地土壤存在的差异。虽然忽略了钻孔内温度梯度对传热的影响，但也不会产生较大的误差，因此该模型具有较好的实用性。3.2影响埋管间距的部分因素土壤热物性质对埋管间距的主要影响是导热系数和热容量比。因为土壤成分的不同导致了各种土壤热物性的不同，所以在选择埋管间距的时候，针对导热系数和热容量比较高的土壤埋管间距可以适当增大;反之则应该减小。运行状态对埋管间距的影响则表现在系统运行的间歇比上。连续运行的系统会因为土壤的温度变化加大，导致运行工况逐步恶劣，从而导致系统效率变低。对于不同系统的间歇比不同来设置合理的埋管间距，当系统间歇比比较长时，埋管间距可以设置的比较近;反之就要设置的远一些。埋管布置的影响则主要是热干扰影响，埋管布置的疏密和方式的不同决定了埋管间距的大小，所以一个合理的埋管布置有着十分重要的意义。3.3误差分析(l)地下埋管与周围土壤的换热实际上是一个很复杂的过程，影响地下埋管换热量的因素也很多，但在建立模型时却作了许多假设，使输入的定解条件不完全与实际条件吻合，这导致了模型本身与实际情况存在一定的误差。(2)本模型的模拟思路是通过先假设埋管的流体初始出口温度，然后根据地源热泵热量的拟合公式求出热量值，将此热量值代入相应的公式来求得不同时刻的埋管内流体的平均温度、平均进口温度和平均出口温度，如此反复迭代。由于该地源热泵换热量的拟合公式所计算出来的换热量与实测值存在有误差，因而导致在模拟过程中产生误差传递，引起模拟结果的偏差。(3)地下土壤热工参数的确定，影响着模拟的结果。实际上，土壤的热工特性会随着深度和离埋管距离的不同而不同，因此对其取值应该根据整个埋管深度来取土壤热工特性的有效平均值，这和模型原始数据的取值有一定的出入，产生了模拟结果的误差。4.研究方法与研究思路4.1 研究方法线热源模型理论将地下埋管作为恒定热流的无限长线热源，由于其假设的局限性，只能近似模拟土壤实际传热过程，难以解决地埋管换热器设计中的关键性第三章土壤源热泵系统的简介及其研究理论问题，如埋管换热器管长设计、长期和短期运行系统对周围土壤结构的影响、换热器进出、口温度的影响等。圆柱热源模型与线热源模型相比，无限大区域中的圆柱热源模型更符合实际，可以求解地埋管内流体平均温度以及进出口温度，因此，可以应用于地埋管换热器的设计。但是，圆柱热源模型用单一当量直管代替U型埋管的处理过于简单近似，相应的产生了一些误差。4.2 研究思路通过介绍水平埋管和竖直埋管自的特点，从中我们可以知道，水平埋管优点是:投资少，成本低，钻机要求不高，可使用普通承压的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平衡性较好。其缺点是:占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中深埋者低。就土壤源热泵的供冷、供热稳定性方面，水平埋管不及竖直埋管。竖直埋管由于埋的较深，几乎不受地表以上自然界气温变化的影响，热泵运行较稳定。同时，由于在地层深处，土壤出现极端温度的情形比气温滞后的较多，故竖直埋管换热器的换热能力比水平埋管好的多，但水平埋管地热源热泵系统又比空气源热泵系统要好。竖直埋管优点是:占用场地面积小，地下岩土温度稳定，换热效率高，单位管长换热量大，管路接头少。其缺点是:投资大，成本高，需采用高承压塑料管，钻机性能要求高;由于深层岩土温度场受地面温度影响很小，因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使用效果。竖直埋管换热器不管是U型管还是套管均有热短路问题。在套管式换热器中，进入换热器的水经过换热后出换热器时与刚进入换热器的水发生热短路现象。在U型管中，进出水管相隔较近，且两管的温度相差较大，就容易发生热短路现象。在国外，有的采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措施，帮助地下岩土实现热平衡。在实际工程中采用水平式还是竖直式埋管、竖直式埋管深度多大，还要取袂于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济，如果采用布管机进行多管布置还可减少场地占用面积。当场地面积有限时则应采用竖直式埋管，很多情况下这是唯一选择，如果场地中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可成功钻孔。通过对传热模型的分析判断合适的间距进行埋管设计，虽然在众多文献中都提出了埋管间距的取值，但是一般都是经验性质的，并没有一个较为合理的取值。而因为各地的地理、气候情况又不相同，因此确定一个合理的地区性埋管间距取值相当重要。主要参考文献：l黄奕坛,陈光明,张玲.地源热泵研究与应用现状.制冷空调与电力机械.2003,24(l):6一102于立强,张开黎,李梵.垂直埋管地源热泵系统试验研究.全国暖通空调制冷学术年会学术文集.20003魏唐棣,胡鸣明,丁勇等.地源热泵冬季供暖测试及传热模型.暖通空调.2000,30(l):12一144李元旦,魏先勋.水平埋地管埋地换热器夏季瞬态工况的实验及数值模拟.湖南大学学报(研究生专刊).1999,26(2):220一2255张旭.太阳能一土壤热源热泵及其相关基础理论研究博士后研究报告.上海:同济大学,19996余延顺.土壤蓄冷与藕合热泵集成系统的蓄冷与释冷特性研究.哈尔滨工业大学博士论文,2004:19一467徐伟,郎四维.地源热泵工程技术指南.北京:中国建筑工业出版社,2001:39一778涂锋华,赵军等.地源热泵的工程应用及环保特性分析.节能技2001.59黄奕坛,陈光明,张玲.地源热泵研究与应用现状.制冷空调与电力机械2003,89(24):6一1010马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用.机械工业出版社,2006:511丁勇,李百战,卢军等.地源热泵系统地下埋管换热器设计讨论.工程建设与设计,2005,1212雷志栋等.土壤水动力学.清华大学出版社,1988,1013徐伟等译.地源热泵工程技术指南.北京:中国建筑工业出版社,2001:14314514地下建筑暖通空调设计手册编写组.地下建筑暖通空调设计手册M.北京:中国建筑工业出版社，1983,615刘文学,唐志伟,魏加项,张宏宇,马重芳.地源热泵制冷工况间歇运行的实验研究.节能,2005,216魏唐棣,胡鸣明,刘宪英.地源热泵地下埋管换热器的研究介绍.中国冷冻空调杂志,1999(47):919817 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