土壤源热泵空调系统特性分析

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1、土壤源热泵空调系统特性研究12研究的目的和意义传统的空调系统一般需要分别设置冷源f制冷机)和热源(锅炉)来实现制冷和供暖。锅炉又分为燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉，燃煤锅炉以前利用比较多，近期有被淘汰的趋势，主要是因为其污染太严重；燃油和天然气的锅炉虽然减轻了对大气的污染，但排放的温室效应气体(CO!)仍会造成环境问题，而且运行费用很高。地源热泵系统采用的是可再生的地热能，因此被称之为一项以节能和环保为特征的2l世纪的技术”1。因此，地源热泵的研究在我国有着广阔的应用前景，也必将产生巨大的经济效益和社会效益。它的效益表现在以下几个方面：(1)地源热

2、泵利用清洁的电能来推动热泵机组的运行，减少了大气污染源。电能可来自水力等可再生资源，而火力发电站的效率也在不断提高。(2)地源热泵利用的能量是地表浅层蓄存的热量，是一种可再生能源。夏季热泵将室内多余的热量释放给地下岩层蓄存起来，冬季再将其从地下抽取出来送到室内。因此，热泵充分利用了地下土壤作为蓄热体，能量循环利用，是一种利用可持续发展能源的新装置。(3)机组效率高，节省运行费用。地下土壤的温度全年比较恒定，在夏季土壤温度比室外环境空气温度低，因此是热泵很好的冷源。与空气热源热泵及其它传统空调方式比较，地源热泵的效率要高大约2()％～40％。在冬季

3、，地下土壤的温度远高于室外大气温度，地源热泵的COP可高达30，采用地源热泵供暖的费用约比采用电锅炉供暖可节约60％左右。(4)地源热泵既可供冷，又可供暖，实现了一机多用功能，节约设备用房。采用地源热泵供热和供冷，一套系统代替了原来的锅炉和空调两套系统，夏季也省去冷却塔，尤其在冷负荷较大或冬季不需供热的地方，热泵机组同时还可提供家用热水，节省了建筑空间及设备的初投资，由此而产生的经济效益相当可观。12地源热泵技术在国内外的研究及应用121国外发展及研究现状“地热源热泵”的概念最早出现在1912年瑞士人Zoelly的一份专利文献中”1，20世纪30

4、40年代，英国、美国、德国、瑞士等国已进入了热泵的研制开发阶段。50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低．这种系统并不经济，因而未得到推广。直到1973年，世界能源危机的出现，石油价格开始猛涨，世界对能源的需求越来越紧迫，节约能源的要求也越来越高。于是热泵以其节能的优势，再一次引起了全世界的重视，地源热泵的研究又一次进入高潮。在政府的资助下．许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。这一时期．虽然西欧国家的气温和潮湿适合采用热泵供暖，但其夏季气温偏低不需空硕士学位论又调降温，因此在这些国家里，自二次世界大战后，主要与集

5、中供热相结合，发展了一些单一供热的大型热泵，对冷热两用的小型家用和中型商用热泵却未能引起生产商和供电企业的兴趣与重视，主要建立了很多水平埋管式土壤源热泵，王要用于冬季供暖。美国的地源热泵主要是在水源热泵的基础上发展起来的。自从20世纪50年代以来．水源热泵在美国就已经作为一种商品开始生产，但那时的市场主要是南佛罗里达的居民住宅。这些早期的系统都是运用地下水或河湖作为水源，利用水泵把水抽到地表再通过热泵来实现供暖的功能。60年代初，为了满足建筑物不同区域的不同空间用途．出现了能用于建筑物不同区域的开式热泵系统，它们通过水环路与中央水泵站和地热源连接

6、起来。这种系统一开始主要出现在美国的西海岸但是由于它能与冷却器和锅炉合用从而保证进水温度在水源热泵的范围内，这种系统迅速地在美国东海岸和北美的其他地区传开。到今天为止．它仍然在被1吏用并被称为“水环路热泵”(WaterIoopHeatPump)。这种系统主要应用于商业办公大楼和公共大楼等。早期的地源热泵研究主要集中于土壤的传热性质、地热换热器形式、埋管的因素等方面。上个世纪8()年代到9()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下埋管换热器的传热过程计算机模拟计算方法。。。。⋯。地热换热器的设计计算模

7、型，据不完全统计约有30种。这些模型有稳态的、动态的；有采用集总参数法，也有用一维、二维、三维有限差分法或二维有限元法等建立的。有代表性的理论主要有以下三种；(1)1948年，Kelvin的线热源理论171⋯，即将地下埋管看作无限大介质中的线热源。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。(21L983年，BNL修改过的线热源理论，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。f311986年

8、，vCMei提出的三维瞬态边远界传热模型，该理论是建立在能量平衡的基础上，由系统能量平衡结合热传导方程构成，有别干线热源理论。122国外