桩埋管地热换热器的传热模型分析

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1、山东建筑大学硕士学位论文1．1引言第1章绪论随着经济的发展以及人们环保意识的提高，走可持续发展的道路已成了全球性的重要发展战略。具有环保、节能等特点的地源热泵空调系统也愈来愈受到人们的重视。地源热泵空调系统通过利用大地中的大量低品位热能来实现对建筑物的供热制冷。它与传统空调系统的最大区别就在于其地埋管换热器，在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25-30％。由于我国经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调也己成为普遍的需求。在我国，供暖空调的能耗约占住宅总能耗的65％，而在大型公共建筑中，空调用电一般约占50％～60％【11。由此可

2、见供热空调的能耗在总建筑能耗中占了主导地位。暖通空调行业的节能潜力很大，节能力度有待提高。现今我国关于利用可再生能源的暖通空调系统的研究明显增加，尤其是传统的地源热泵空调系统，无论在技术上还是理论上都取得了不少成果。而桩埋管是地源热泵系统新的埋管方式。它与建筑结构相结合，充分地利用了建筑物面积，通过桩基与周围大地形成换热，从而减少了钻孔费用，降低了地源热泵系统的初投资，进一步提高了节能效果，使地源热泵系统在将来必定有更加广泛的应用前景【2J。1．2热泵简介热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置【3】。顾名思义，就像水泵依靠某种动力驱动而将水由

3、低处提升至高处那样，热泵可以把不能直接利用的低位热能，如空气、土壤、水中所含的热能以及工业废热等，转化为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能，如煤、燃气、油、电能等的目的。我们所处的周围环境，包括周围的空气、水、土壤中蕴藏着十分丰富的能量，只是因其温度较低得不到直接的利用，而成为所谓的低品位热量。热泵技术的出现，使得这些丰富的低品位热量能够为我们所用。我们知道，热泵的工作运行需要一个低温热源和一个高温热源，从热力学的观点来看，热泵实际上就是工作于这两个热源之间的一个热机。蒸发器和冷凝器是热泵的两个不可缺少的部件。如果按蒸发器和冷凝器换热的介质不同分类，热泵

4、可以被分为：空气一空气热泵，空气一水热泵，水一水热山东建筑大学硕士学位论文泵，水一空气热泵等。按照国际上通行的分类方法，热泵空调根据其低温热源的不同可分为【4叫：空气源热泵(Air-SourceHeatPump，ASHP)、水源热泵(Water-SourceHeatPump，WSHP)和地源热泵(Ground·SourceHeatPump，GSHP)。目前，空气源热泵与水源热泵在我国工程实际中应用得较为广泛【_瑚。以室外空气作为热泵热源的热泵系统为空气源热泵，以池塘、湖泊或河溪中地表水以及地下水为热泵热源的热泵系统为水源热泵。它们共同的缺点是室外空气和地表水温度

5、随气候而变化，温度越低时供热量越小，·这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率就会大大降低。此外，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。对于以地下水为热源的水源热泵系统，由于其运行是以抽取消耗大量地下水资源为代价，因而其应用推广受到限制。1．3地源热泵原理概述地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低

6、温热源，由水源热泵机组、地热‘能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统又分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系j统，我国对热泵系统的术语尚未形成规范的用法。例如对地下水地源热泵有“地温空调"的商业名；而地下耦合地源热泵则在一些文献中称为“土壤源热泵"，或直接称为．：“地源热泵”。下文中的地源热泵是指以地下土壤为热源的地源热泵系统。地下耦合地源热泵系统，也称土壤源热泵系统，是利用土壤作为热源或热汇，它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。是由一组

7、埋于地下的高强度塑料管(地埋管换热器)与热泵机组构：成，我们称之为闭式环路，也称闭环地源热泵(closed—loopwoundSOurCeheatpump)系统以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵"(以下简称地源热泵)。在夏季，水或防冻剂溶液通过管路进行循环，将室内热量释放给地下岩土层；冬季循环介质将岩土层的热量提取出来释放给室内空气。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，在供暖的冬季，地下2山东建筑大学硕士学位论文土壤的温度比起周围环境的空气温度要高很多，而在制冷的夏季，地下土壤的温度比周围环境的空气温度要低很多。这对于热泵来说，恰好是缩

8、小了热源与热汇之间的温度