地源热泵地埋管随机传热特性计算机模拟

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1、武汉理工大学硕十学位论文1．1研究背景第1章绪论能源问题是当今世界面临的重大社会问题之一。由于经济的发展和人民生活水平的提高，世界能源消耗逐年增加，而石油煤炭类能源作为能源消耗的主体却正日渐枯竭。因此，世界能源的供求矛盾将越来越突出，再次爆发能源危机的可能时刻存在，2l世纪初期世界煤炭和石油市场价格的巨幅上扬与动荡正是这一能源供求矛盾的客观写照。由于化石能源的消耗同时伴随产生环境污染问题，因此减少能源消耗不仅具有资源意义、经济意义，同时也具有环境效益。地源热泵技术作为建筑节能的重要手段，在世界各国均得到了广泛应用，但究其热源的选取上，

2、则主要以空气作热源为多。其实，在热泵出现的早期，空气作为热源并不为研究者们看好，因为其技术经济性受到怀疑【l】，但是由于其应用上的灵活性和便捷性，加之技术进步克服不足，使其今日的应用达到了最大化。相反。当初被视为首选的土壤作为热源【2】的方案却因技术原因及灵活性、便捷性的不足而败下阵来，土壤(地)源热泵至今未能得到广泛应用。不过技术的发展最终不会忽视最根本的立足点。随着技术的进步、能源价格的不断攀升、比空气源热泵具有更节能、更环保的地源热泵(包括太阳能辅助加热地源热泵)等必将迎来应用的黄金时代【31。1．2地源热泵的研究意义地源热泵(

3、GroundSoureeHeatPumps，简称GSHP)是指利用土壤或地下水的低温位热能和蓄热性能的一种热泵系统，其设计基于热力学原理。为此若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前的空气热源，无疑将有广泛的应用前景和明显的节能效果。武汉理工大学硕士学位论文大地是一个巨大的蓄热体，与空气环境相比，地面一定深度(5m)以下，全年土壤温度基本稳定，而且约等于年平均温度，在夏冬两季可以分别提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。因此土壤是一种比空气环境更好的热泵系统的冷热源。已有的研究结果【”】表明地源热泵主要优点有：(1)属可再生能

4、源利用技术储存于地表浅层的地热是一种可再生能源，地源热泵正是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换的空调系统。这种空调系统其优势在于不受地域、资源等限制。(2)属高效、经济的节能技术由于位于地表5m以下温度一年四季相对稳定，夏季比环境空气温度低，冬季比环境空气温度高，是热泵很好的冷／热源。这种温度特性使得地源热泵比传统系统运行效率要高，节能效果明显，运行更加可靠、稳定。(3)属环保型的采暖装置传统的供热方式主要为燃烧矿物燃料，在矿物燃料的开采、运输和能量转换过程中，会对环境造成很大的污染。而地源热泵通过埋管换热器在地下吸／放

5、热，因此，地热是一种几乎无污染的能源，可以建造在居民区内。(4)应用范围广，市场潜力大。地源热泵系统不仅适用于冬季，而且也适用于夏季；不仅适用于北方地区，也适用于南方各个城市；它不仅可用于学校、商场、写字楼等建筑，也适合于别墅、小型住宅的供热、制冷。(5)与空气源热泵相比，地源热泵系统不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗；可以与冷却塔、太阳能联合运行，改善其夏季、冬季的工作状况：机组结构紧凑、节省空间，运行可靠，维护费用低等。(6)与水源热泵相比，地源热泵无需开采地下水，不会影响地下水的水质。由于我国地下水源日益紧张，国内许多地区对于地下

6、水的开采利用有严格的限制，因此从长远看，地源热泵比水源热泵具有更大的发展潜力。地源热泵的主要缺点有：2武汉理工大学硕士学位论文由于不同的土壤的换热系数往往有所不同，同时土壤的换热系数较小，这使得埋管换热器面积较大，特别是水平布置的换热器。所以地源热泵系统连续运行一段时间后，热泵的冷凝温度(夏季)或蒸发温度(冬季)受土壤温度变化的影响而发生波动。尽管土壤源热源存在一些不足，但在当前全世界范围的人们比以往更加关注环境与可持续发展的前提下，国际能源大会、国际能源署、国际制冷学会等国组织及从事热泵的研究者都普遍认为，无论目前还是将来，地源热泵

7、具有广阔的使用空间和发展前景。3地源热泵形式按照低温热源的类型和应用方式将地源热泵系统分为地下水热泵系统、地表水热泵系统、水平埋管地源热泵系统、垂直埋管地源热泵系统等四类。按照地源热泵机组冷热媒介不同通常分为：水一水型、水一空气型、土一气型等。按地下换热器形式的不同可以分为三种类型：闭环路系统、开环路系统与直接膨胀系统。对于一个地区地下换热方式的选择主要取决于水文地质结构、有效的土地面积和生命周期费用。为减少初投资、改善地源热泵性能，对于冷热负荷不平衡的地区，通常采用复合式地源热泵系统。1．3．1闭环路系统闭环路系统是指通过中间介质(

8、通常为水或者是加入防冻剂的水)作为热载体，使中间介质在地下的预埋管中进行循环流动来传递热量的地下换热系统。闭路系统的具体形式有垂直环路、水平环路、螺旋盘管环路、池塘环路以及与建筑桩基结合的桩埋管换热器。1．垂直环路垂直环