复合地源热泵系统优化设计及软件开发

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1、复合地源热泵系统优化设计及软件开发第1章绪论1.1课题研究背景在十八世纪工业革命开始之后，煤炭石油天然气等化石燃料的应用为人类社会文明的进步作出了巨大的贡献。然而，随着社会的发展，化石能源的需求量迅速增加，不仅使得能源枯竭问题日益突出，化石燃料的问题带来的环境污染问题也越来越严重[1]。在追求可持续发展的当今社会，发展清洁、高效、安全、可靠的新能源已成为发展的必然趋势。这也为太阳能、风能、地热能等新能源的发展带来契机。近年来随着政府及社会公众对建筑节能的认识不断提高，地源热泵供热空调技术的应用正在形成热潮。但是地源热泵系统的技术难点在于地埋管换热器的设计及

2、施工，现有的设计和施工技术队伍还远远不能适应推广应用地源热泵新技术的要求。由于不能掌握核心技术，对于最前端、最核心的地埋管设计部分，设计院通常回避。绝大多数工程设计由地源热泵公司设计，但目前这些专业公司由从事机电安装、从事空调设备生产和地质勘察三类企业或公司转行而来，各有自己长处，但通常对地源热泵最核心部分地埋管换热器传热分析和设计则不甚了解。设计地埋管换热器时均未考虑当地气候变化、地下岩土传热特性、以及建筑物运行负荷变化、冷热负荷均衡性等重要因素，而一概以每米钻孔换热量估算指标进行设计，据此设计的地埋管换热器往往与实际需要差距很大，使得地源热泵系统往往不

3、能达到建筑负荷要求。实际上，地源热泵空调系统的性能将受多种因素的影响，例如循环液参数、建筑负荷变化、室外气象条件、地质结构，包括各地层的构造、含水量和地下水的运动等[2]。此外，建筑冷热负荷的间歇性及全年地下吸放热负荷的不平衡等因素，也对其热泵机组的性能和地埋管换热器传热性能有重要影响。因此地源热泵空调系统的优化设计应综合考虑地域、气候以及建筑负荷等各种因素的影响，地源热泵或复合式地源热泵系统的准确设计在很大程度上依赖于地埋管换热器的优化设计。.1.2地源热泵系统的国内外研究现状1998年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地下耦合热

4、泵供热空调系统[4]。据统计，美国每年新安装的闭式循环地源热泵系统约4-5万套[5]。热泵在欧洲供热市场中也占有很大份额。联合国发展计划(UNDP)和国际能源组织(IEA)等国际机构都把推广应用地源热泵作为节约能源、减少二氧化碳排放、改善地球环境的重要手段。在20世纪50年代，以地表水（河湖水）及地下水作为冷热源的地源热泵系统已经应用在了美国建筑空调领域，但由于技术、能源价格等原因并未得到推广。到了20世纪70年代，能源危机在美国爆发，能源的紧缺与价格的走高，迫使人们重新审视新能源的利用，而地源热泵由于它节能环保的特点开始得到人们的关注。从1978年开始，

5、美国能源部投入了大量的科研基金用于地源热泵系统的研发与利用[6-8]。1979年，美国阿克拉荷马州能源部成立了地源热泵系统科技研发基金会。同一时期，荷兰、瑞典、瑞士等西方国家也对地源热泵进行了大量的示范应用，并使得该技术得以逐步成熟与完善[9-11]。1987年，国际地源热泵协会在阿克拉荷马州立大学成立。1998年美国能源部颁布了一项法规，该法规要求在美国联邦政府机构的建筑中推广应用地埋管地源热泵空调系统。截至1998年，美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总量的19%，其中有新建筑中占30%[12]。第2章地源热泵系统相关模型简介地源热泵空调系统是以大地为

6、冷、热源，通过中间介质（通常是水或防冻液）作为热载体，并使中间介质在由塑料管组成的封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行热量交换的目的，并进而通过热泵实现建筑物的空调[38]。要对传统的地源热泵系统进行分析，则需要熟悉热泵机组的数学模型、建筑负荷模型和地埋管换热器传热模型。对于燃气锅炉-地源热泵复合系统，增加了燃气锅炉模型，这些数学模型是模拟计算的理论基础，也是软件编制的基本资料。2.1地埋管换热器传热模型对于一般的地源热泵地埋管换热器系统而言，地埋管钻孔个数通常由数十个至数百个钻孔组成。研究学者们为了简化该传热问题，通常从单个钻孔在常热流负荷下的

7、传热入手，然后根据单个钻孔传热分析结果采用线性叠加原理考虑多个钻孔及变负荷工况下实际传热问题。工程上最常用的埋管形式为竖直钻孔U型埋管，对于单个钻孔的U型埋管在岩土中传热过程，可根据钻孔内介质与钻孔外岩土热物性及传热空间等传热特征，将钻孔与岩土之间的传热简化为两部分：1）钻孔内部（传热包括由管内流体至管壁，管壁与回填材料，以及至钻孔壁之间的传热）的传热，2）钻孔壁与周边岩土之间的换热，见图2.1。.2.2热泵机组模型不同的热泵机组对应着不同的系数，需要根据选用热泵机组的样本参数进行数据拟合计算出上述六个参数的值。在地源侧，循环液进入热泵机组的温度时和地埋管

8、换热器的地下温度场的状态所决定的。根据式2.10即可求得热泵机组的