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1、、选题的意义及依据20世纪70年代，世界能源结构已经经历了三次大转变，即从木柴转向煤炭由 煤炭转向石油和天然气，继而又从以油、气为主的能源系统转向以可再生能 源为基 础的持久能源系统。据资料，目前全世界已经探明的煤炭、石油、天然气、 油页岩 等石化燃料资源的总量，大约只够人类使用 100年。目前在我国的能源构成中煤占 70%以上，石油及天然气占25%，但能源利用率 仅在30%以下。针对我国的能源紧缺、能源利用率低、能源浪费严重的现状，建设部 于1996年下发建筑节能技术政策，明确今后我国建筑节能的任务是在保证使用 功能、建筑质量和室内环境符合小康目标的前提下， 采取各种 有效的节能技术与管理措
2、施降低新建房屋单位建筑面积能耗。 同时对既有的建筑 物进行有计划的节能改造，达到提高居住热舒适性、节约能源和改善环境的目的。 所以，地源热泵系统近年来被越来越多人们所提及。地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的 一种。热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。 地源热 泵系统是以浅层地热作为能量载体，利用地下土壤巨大的蓄热蓄冷的能力， 通过压 缩机系统，在夏季将建筑物内的热量转移到地下土壤中， 在冬季将地下土壤的 热量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环.。实现了建筑物的制冷和供暖， 有着节能减排降低能耗的功能。地源热泵技术的历史可以追溯到1912
3、年瑞士 Zoelly提出“地源热泵”这一概 念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地 源热泵系 统，运行很成功。到目前为止美国已安装了600，000台，而且计划每50万辆汽年安装40万台的目标，能降低温室气体排放一百万吨，相当于减少 车的污染排放或种植树一百万英亩，年节约能源费用 4.2 亿美元。瑞典、瑞士、 奥地利、德国等国家主要利用地源热泵，用于供暖及提供生活热水。由此可见， 地 源热泵系统作为一项节能环保的新能源技术，其推广对人类生产生活是相当有 意义 的。二、国内外研究概况及发展趋势2.1 国外研究概况国外对地源热泵的研究相对较早，20 实际 30、40 年
4、代，英、美等国已进入了 热泵的 研制开发阶段。第二次世界大战后，美国许多大公司同时发展了各种热泵， 其中以 小型热泵空调器发展最为迅速， 出现了发展热泵的高潮。与此同时，西欧 各国，如 比利时、法国、联邦德国、瑞士等也致力于热泵的研究与开发。早期的 地源热泵研 究主要集中于岩土的传热性质、 地埋管换热器形式、埋管的影响因素 等方面。20 世纪 80 年代到 90 年代初，美国开展了冷热联供地源热泵方面的研 究工 作，不少文献报道了地源热泵不同形式的地埋管换热器的传热过程计算机模 拟计算 方法。地埋管换热器的设计计算模型据不完全统计约有 30 种。对于地埋 管换热器的设计计算，各国以及一些大学和
5、公司都分别提出了各自的设计计算方 法，它们都是基于不同的模型或者计算方法得出的， 有代表性的模型主要有以下3 种2:(1) 1948年，Kelvin的线热源模型。该模型是将土壤看成无限大物体，埋 管看 成是具有恒定能量的无限长线热源， 计算的误差较大。目前大多数地源热泵 设计是 用该理论作基础，如国际地源热泵协会和俄克拉荷马州立大学提出的设计 方法都是 以 Kelvin 的线热源理论为基础的。(2) 1983年，BNL修改过的线热源模型。它是将埋管周围的岩土划分为两 个 区，即严格区和自由区，在地源热泵运行时，不同区域之间的热传导引起区域 温度 的变化。(3) 1986年，V.C. Mei提出
6、的三维瞬态边远界传热模型，该理论时建立在能量平衡的基础上，由系统能量平衡方程结合热传导方程构成。岩土热物性测试理论与方法一直是地源热泵研究的一个重点。因为岩土热物性是地埋管换热器 设 计的基础数据。在计算地埋管换热器的传热能力时 必须用到地下数十米甚至 更深地层的热物理性质数据。岩土层热物性的地域性强 不同区域、不同土层深 度、 不同的地质构造热物性也都不一样。同时与现场安装情况密切相关。目前 主要有现 场测试与实验室测试两种方法。较为准确的确定底层热物理性质一直是 地源热泵研 究的热点之一 3。二十一世纪初期，瑞典建立了现场岩土热物性参数测定和地温监测系统， 有 数学家帮助建立地温场模型，每
7、一个地源热泵系统在建设前就进行了精确的计算 和 预测模拟，现在国际地源热泵协会总部所在地美国俄克拉何马大学都在学习瑞 典的 经验。同时，我们可以看到，在美国和加拿大，更多的地源热泵在提供建筑 空调、 供暖和热水以外的服务，如桥梁的桥面防冻，农业和水产养殖，冷库等。 此外，利 用地源热泵进行道路的积雪清除是日本比较早的地热研究项目。在日本地源热泵受到重视是在 1990 年以后，主要是在以中国地区为中心的四国岛及九 州地 区的空调和道路融雪等规模的利用。在日本寒冷的地区，由于积雪而造成的交通事故很多，且往往主要出现在转向较急的地方。 因此在某些关键地方采用地 源 热泵融雪系统很有必要。为了提高冬天
8、时运行的工作效率，在夏季可以采用同 一系 统收集道路上的太阳辐射热能，蓄热到地下。这一技术的研究和应用将对我 国北方 严寒地区冬季道路融雪提供良好的借鉴2.2国内研究概况20世纪50年代，我国开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热泵的发 展 则比较缓慢。在国家自然科学基金委员会的资助下，自 20世纪90年代初期 以来国内开始了对地源热泵的探索性研究。1988年中科院广州能源研究所主办 了 “热泵在我国应用与发展问题专家研讨会” 。20世纪90年代以后，由于受国 际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势， 这项技术日益受到 人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。 1998
9、年重庆建工学院 建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置； 刘宪英，王勇 等人从1999年开始，在国家自然科学基金的资助下对浅埋竖直管换热器的采暖、 供 热特性进行了研究4 ； 1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置；张旭等人 从 1999年开始，在联合技术公司（UTC）的资助下针对长江中下游地区含水率较高的土 壤的蓄放热特性进行了土壤-太阳能复合热源的研究5。此外，清华大学、 浙江大 学、天津大学、华中科技大学、山东建筑工程学院及中科院广州能源研究 所等高校 和科研单位也对土壤源热泵进行过研究，并取得了一定的成果2。国内对地源热泵的研究主要集中在以下 5个方面：地下换热器的传
10、热计算模 型 的建立；地下换热器传热计算的模拟研究；地下换热器的筛选及埋地盘管合理 管间 距的理论分析；土壤冻结对地下换热器传热的影响； 地下换热器间歇运行工 况的分 析。目前，国内外的热泵产品主要以风冷热泵和地源热泵为主。输出温 度大于60 摄氏度，以地源或低温地热水（50摄氏度以下）为热源的高温地源热泵 在国内只有 少数几个单位在研制，如中科院广州能源研究所、天津大学、清华大 学等。 广州能 源研究所于2001年初率先推出了最高出水温度可达75 C的高温地源热泵机组，并在近两年里由其下属公司一北京中科能源高科技有限公司在 北京、广州等地成功实施了十余个工程项目，涉及空调采暖、散热器采暖、热
11、水 供 应、地热尾水热回收利用等多种形式，取得了良好的运行效果I7】o而在实际应用方面，据统计仅在北京2004年施工并投入运行的地源热泵系 统的 空调工程占全年空调工程总量的 2/3以上。2008年北京奥运会实施“绿色奥运”奥运工程中， 4个项目建设了地源热 泵，3个项目建设了水源热泵，还有两个项目直接利用了地热。北京奥运会主体 育场 “鸟巢”采用了地源热泵系统， 通过地埋换热管，在冬季吸收土壤中蕴含的 热量为 “鸟巢”供热，在夏季吸收土壤中存贮的冷量向“鸟巢”供冷。此外，奥运村微能耗建筑示范工程是奥运村配套项目， 作为低能耗示范项目， 该项目在设计中充分重视节能技术的优先应用，包括高效节能外
12、围护结构、自然 通 风和自然采光，重视可再生能源的应用。通过溶液回收机组，回收排风的能量， 提 高了整个系统的能效比。同时通过热管式的蓄冷系统，与地源热泵有机结合， 在整 个系统中又遵循着能源互补的原则。 该项目区别于常规地源热泵系统的特点 主要是 一个多种可再生能源的复合系统。冬季地源热泵和太阳能联合供暖，夏季 是地源热 泵和自然蓄冷的联合供冷，同时还有地源热泵夜间蓄冷水；生活热水由 地源热泵和 太阳能联合提供。项目中采用了温湿度独立控制的方式。制冷、供热 季节系统末端 采用辐射地板及溶液式全热回收新风机组。 溶液式全热回收新风机 组负责湿度控制。地板辐射负责室内的温度控制。 选择了两台热泵
13、机组，一台专 门 负责空调系统，夏季供冷，冬季供暖，另一台专门负责生活热水的制取。2010年世博轴及地下综合体工程位于浦东世博园核心区，工程采用地源热 泵技 术和江水源热泵技术，充分体现世博会绿色环保的理念，设有一组江水源热 泵机房 和三组地源热泵机房。系统采用江水和地埋管(地埋管散热器)作为热泵 系统的高温热源或低温热源。夏季以江水源系统为主，地源热泵为辅，同时江水 源 系统离心式冷水机组优先开启和使用。 冬季以地源热泵为主，江水源热泵系统 为 辅。当江水源侧出水温度低于4摄氏度时，加大江水吸水泵的流量。总体来看， 我 国对地源热泵技术的应用已经不局限于单一能源，而是多种高效、节能、环保 能
14、源 的优化组合8。2.3发展趋势地源热泵与中央空调相连接的供热、 制冷系统是目前的发展趋势。综合利用 低品位热能、高效率利用热能、简单化和一体化的地源热泵系统等都是目前地源 热 泵系统技术的前沿课题。根据地源热泵 20年来的发展趋势，其系统技术的发 展大致 有如下三个方向：(1) 综合利用热能的趋势。将来的地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用(冷能)和制冷的废弃能量(热能)综自动售货机等。用制冷的废弃热能将来的地源热泵系统可能将热泵户的供热和制冷，更趋向于将供热的废弃能量 合利用。比如用供热的废弃冷能运转冷藏库、 供应温室养殖、种植和生活热水等。(2) 体化趋势。随着新材料和新工乙的开发的转换
15、系统与地上散热系统一体化 使米热和传热的效率更咼。(3) 实地建造的趋势。随着人们对居住和生活环境要求的不断提高 越来越多的建筑物需要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空间 和周边的自然环境和自然能源，因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热 泵系 统也将是一个发展方向。可以预见，随着经济的发展，人们节能、环保意识的日益提高，地源热泵作 为一种节能、环保的绿色空调设备适应能源可持续发展战略要求， 在中国必将有 广阔的应用和发展前景。三、研究内容及实验方案 本课题旨在设计一种地下水源热泵系统。系统处于发展程度较高的热田中 部，利用热田所蕴藏的地热资源对住宅小区进行供暖，
16、系统应具有较好的供热效 果，实现节省能源的目的。对该系统提出的主要设计要求如下：（1）建筑位于北京市，小区总住宅面积 28000 m2 ；（2）使用水源热泵进行供暖，系统式压 0.5 MPa（3）采暖供热指标为50 W m2,采暖热负荷为1400 kW；（4）地热抽水井井深2054 m，成井后出水量1550 mid,出水温度59 C ；（5）采暖期房间内温度期望值20 C上下。根据设计的初步要求，本系统的功率为100KW，且只用于制热的单热型空 调系 统。考虑到要结合地源热泵并有效利用地表浅热,在比较活塞式、螺杆式、 离心 式、溴化锂吸收式空调系统的优缺点后,选择螺杆式空调机组作为本地源热 泵系统 的地上部分。而地下部分主要是地下热交换器。 本设计涉及负荷计算、空 调设备选 择及其空调系统设计、冷冻水管路的设计及水力计算、地下埋管设计与 计算等环 节
