土壤源热泵多换热井特性实验与系统模拟研究

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1、土壤源热泵多换热井特性实验与系统模拟研究第1章绪论1.1课题研究背景及意义自2013年以来，中国四分之一的国土出现了雾霾天气，满城皆戴口罩爆表等等现象使我们为之震惊，同时PM2.5也严重影响着人类生命健康和生存环境。一直以来，我国的主要能源结构主要依靠矿物燃烧，然而，燃烧矿物质产生的二氧化碳，二氧化硫等等严重污染了环境，这已经成为人们关注的焦点，我国在经济快速发展的同时，忽略了能源的合理利用以及环境的保护。为了满足可持续发展的需要，可再生能源的开发利用已经越来越受欢迎。如今，国内外许多学者开始注意和研究土壤源热泵这一高效节能的技术。热泵技术是利用热泵，经过电力做

2、功，提取低品位能源，如地下水，地表水，土壤，大气或者废热等等，用于建筑夏季供冷和冬季供热，其可以使用很少的电能，达到从低品位能源中提取4-7倍电能的热量的目的。地源热泵技术与直接燃烧矿物质的供热方式相比较，热泵系统的供热方式可以节约40%以上的燃料[1]，还可以减少二氧化碳的排放量,印度的T.Sivasakthivel[2]统计过，地源热泵每年可以减排24%-54%的CO2排放量。热泵作为高效、节能、环保的可持续发展技术，已经广泛应用于空调行业和工业领域中，如图1-1为我国地源热泵自1998年到2013年的增长曲线图[3]，可见我国地源热泵技术的应用正在逐年增长

3、，同时也将不断壮大，应用前景很广阔。相对于国外来说，中国的热泵系统研究起步较晚，无论是在理论基础研究，还是相关工程设计，施工，运行管理等方面都还不完善，并且现有的热泵技术规范还很少，我国热泵技术的发展还有广阔的领域，继续推广热泵技术将给我国带来很大的经济效益。因此，在国家自然科学基金土壤源热湿特性及对太阳能-土壤源热泵供热性能影响研究（项目编号：51178023）的资助下，在北京地区建立了土壤源热泵实验台，同时在此基础上进行实验研究，研究了地下埋管换热多井的热性能以及多井之间的热影响对系统性能的影响，同时，针对北京地区的气候特点，分析了土壤源热泵季节性蓄热问题，

4、为土壤源热泵技术提供有利的数据支持和建议性意见，促进了土壤源热泵技术的快速发展。1.2热泵系统的分类热泵是将低品位能源从低温环境提升到高温环境中，跟据低温热源的种类不同，一般可以将地源热泵分为空气源热泵(Air–SourceHeatPump)、水源热泵（p）和土壤源热泵（Ground–SourceHeatPump）。空气源热泵的核心原理是逆卡诺循环原理，其以空气为热源，通过热泵系统提取空气中的低品位热量。其主要特点是热源的获取比较容易，系统比较简单，造价低。但是，空气温度的波动对会对热泵机组的效率产生影响，当冬季室外温度降低，热泵效率将会

5、随之降低，进而不足以提供所需的热量，这时需要改进系统，必要时需要添加附加热源。除此之外，阻碍空气源热泵快速发展的最大的障碍是蒸发器表面会出现结霜现象。因此，在我国北方寒冷地区空气源热泵是不适用的，但是在我国南方地区，空气源热泵已经得到广泛的应用。地表水源热泵的热量来自于地表水如江海、池塘，水源热泵机组的工作原理是通过消耗少量的电能，在冬季，将地表水中所存储的热量提取出来，用于建筑采暖，在夏季，将室内热量提取出来，排放于室外地表水中。地表水源热泵相对于空气源热泵来说，地表水的温度随室外气候波动比较小，是很好的热源。但是，地表水源热泵本身也有一些弊端，首先，开式水源

6、热泵对水的洁净要求比较高，需要对水体进行净化处理，否则会产生结垢，堵塞或者微生物的生长等等现象，对水体的净化处理增加了投资费用，除此之外，经过水源热泵升温或者降温的水又排到湖泊或者河川中，将会对水体生物产生一定的危害。..第2章土壤源热泵埋管换热理论分析2.1竖直地埋管换热器的换热过程竖直埋管换热器是土壤源热泵系统的热源部分，其中竖直埋管换热器包括竖直U型埋管、管内流体介质、钻孔回填材料及周围土壤。因此，竖直埋管换热器的换热过程是一个复杂的过程，不仅包括对流过程还包括导热过程。如图2-1可知，垂直埋管换热器的换热过程在制冷/制热工况下的换热是不同的。在夏季制冷工

7、况下，由冷凝器流出的热水经过对流换热将热量传递到地埋管内壁，地埋管管壁经过导热过程将热量传递到地埋管外壁，然后经过导热、对流方式将热量传递到周围土壤中，完成建筑物的制冷工况；在冬季制热工况下，由蒸发器流出的热水经过对流换热将热量传递到地埋管内壁，地埋管管壁经过导热过程将热量传递到地埋管外壁，然后经过导热、对流方式使得热量传递到周围土壤中，完成建筑物的制冷工况。2.2土壤源热泵多井换热影响因素土壤属于非均质的多孔介质，其成分包含气体、液体（水）和固体（矿物质及有机物），土壤的成分不同，热物性参数差别也会很大。影响土壤换热能力的热物性参数包括：密度、导热系数、热容、

8、孔隙度及含水率。下面重点