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1、华中科技大学硕士学位论文竖直U型埋管换热性能的研究姓名：张虹申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：沈国民20061101华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 I摘摘 要要 本文针对武汉一办公建筑地源热泵系统， 利用全年逐时负荷计算软件 DeST 进行了全年逐时冷热负荷计算，通过对计算结果进行处理得到了后续模拟过程所需的重要参数：逐月总冷热负荷和逐月冷热负荷峰值。对土壤热物性的三个主要评价指标热容量c、导热系数sK 和热扩散率a及其相应的影响因素进行了详细的分析，并根据非稳态导热理论建立了地下浅层土壤温度波动状况的数学模型，进一步分析得出了确定土壤初始温度的
2、计算公式，利用该公式可对地下浅层土壤温度进行全年逐时计算。文中分别引入了 2 组曲线拟合方程来描述热泵机组在制冷工况和制热工况下的性能，结合机组样本中给定的机组性能数据，计算出了制冷和制热工况下对应的曲线拟合方程的系数，得到了 4 组反映热泵机组性能的拟合曲线。此外还详细阐述了确定地下换热器负荷、尺寸及布局方式的理论依据和回填材料的相关特性。 课题选用 ASHRAE 推荐使用的地源热泵设计模拟软件 GLHEPRO 3.0 来进行模拟计算，在全年逐月总冷热负荷及逐月冷热负荷峰值计算结果的基础上，综合考虑各设计参数，设计了几种不同工况，利用 GLHEPRO 3.0 中的 GLHESIZE 模块和G
3、LHESIM 模块分别对地下换热器尺寸及运行性能的主要影响因素进行了系统性的综合分析，以期为地源热泵在我国的推广应用提供建议和参考。 分析结果表明，影响地下换热器尺寸的主要因素有土壤特性、回填料导热系数、原始地温、钻孔间距、U 型管两支管间距及管内循环流体流速等，影响换热器运行性能的主要因素有：U 型管两支管间距、钻孔间距、原始地温、土壤导热系数、回填料导热系数及钻孔布局方式等。换热器尺寸和运行性能关系到整个地源热泵系统的运行效果、节能效果及初投资，是评价地源热泵系统在技术方面和经济方面是否具有优势的关键指标，在设计过程中对这些影响地下换热器尺寸和运行性能的相关因素均需加以充分考虑。 关键词：
4、关键词：地源热泵 U 型埋管 地下换热器 土壤热物性 回填材料 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 IIAbstract The ground-coupled heat pump (GCHP) system of an office building is studied in this thesis. DeST is used to calculate the hourly cooling and heating loads of the building for a whole years time. All the results are dealt with to ge
5、t two series of important parameters, which are monthly total cooling and heating loads and monthly peak cooling and heating loads. These parameters are exactly necessary to the following simulation. Three key evaluating indexes of soil thermal characteristics, which are thermal capacity, heat condu
6、ctivity and thermal diffusion rate, and their affect factors are analyzed in detail respectively. A mathematical model is established to describe the fluctuation of the underground soil temperature basing on the unsteady heat transfer theory. After further study of this model, a calculate formula of
7、 soil initial temperature is formed. It can be used to calculate the soil temperature hourly throughout a whole year. Two sets of curve fit equations are introduced to describe the performance of heat pumps. By using the performance data of the heat pump from the product brochure, all the coefficien
8、ts of the equations are decided and four curve fits are produced in graphs. Moreover, the theoretical basis of underground heat exchanger design and the backfill material characteristics are described concretely. GLHEPRO 3.0, which is recommended by ASHRAE as a good designing and simulating software
9、 for GCHPs, is chosen to carry on the task of simulation. On the basis of monthly total cooling and heating loads and monthly peak cooling and heating loads, several different work conditions are designed by considering all the parameters referred upon. Under these work conditions, the main impact f
10、actors of vertical U-tube heat exchanger size and performance are simulated and analyzed respectively through the GLHESIZE module and GLHESIM module of GLHEPRO 3.0. The purpose of doing this is to give some concrete suggestion and reference for the promotion of GCHPs in our country. Results show tha
11、t the main influential factors of heat exchanger size are soil characteristic, backfill material conductivity, initial ground temperature, separation distance of the boreholes, separation distance of two legs of the U-tube, and the flow rate 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 IIIof the circular fluid. And th
12、e main affect factors of heat exchanger performance are separation distance of two legs of the U-tube, separation distance of the boreholes, initial ground temperature, soil conductivity, backfill material conductivity and borehole configuration. The size and performance of underground heat exchange
13、rs have a lot to do with the running performance, energy-saving effect and initial investment of the whole GCHP system. They are two key indexes to evaluate whether GCHPs have advantages in the aspect of technology and economy compared with traditional air conditioning methods. All the designers and
14、 researchers should give enough consideration to these factors when designing and studying GCHPs. Keywords：ground-coupled heat pump U-tube underground heat exchanger soil thermal characteristic backfill material 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 11 绪绪 论论 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 据预测，到 2040 年我国一次能源的总消费量将达 38.6 亿吨标
15、准煤，是现在能源消费量的 3 倍。 而到本世纪末， 国内每年可提供的一次能源生产量为 32 亿吨标准煤。因此，我国今后较长时期内的能源消费年均增长率应控制在 2.5左右，直到 2040年能源消费实现零增长目标。 我国已探明的能源总体储量中，煤炭储量约占世界储量的 11，原油占 2.4，天然气占 1.2，而我国人口占世界人口的 20，人均能源占有量不到世界平均水平的一半1。 我国是煤炭大国，但世界七大煤炭大国中其余六国的储量比都在 200 年以上，而我国不足百年2。我国石油储量比仅为 40 年，并且石油和天然气的平均丰度值也仅为世界平均水平的 57和 453。 面对如此严峻的能源形势，国家总的能
16、源政策是节能、新能源开发和再生能源利用并重。 地球浅表层是一个巨大的恒温体系，温度几乎不受环境气候变化的影响，同时也是一个巨大的太阳能集热器， 收集了 47的太阳能量， 比人类每年利用能量的 500倍还多。它具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定（流量、温度） 、使用方便、不受地域、资源限制等优点，真正是量大面广、无处不在。 地热（源）能作为一种清洁可再生能源，在利用时，不像化石燃料在获取能源和产生电力的同时，向环境排放大量的燃烧产物，如 CO2、SO2、NOx、粉尘等，对环境造成严重的污染，引起温室效应、酸雨、土地沙漠化等灾害，也严重影响了人们的身心健康。因此，开发利用清洁无污染的地热（源）能已是社会发展的必然趋势。地源热泵空调系统是将地热能利用于空调领域的一种新技术。 地源热泵被称为是“一项以节能和环保为特征的 21 世纪的技术”4,上世纪 50年代初，国外就开始了地源热泵技术的应用，到 90 年代已成为一项成熟的应用技术56。我国地源热泵的研究尚处于起步阶段，上个世纪 90 年
