地埋管地源熱泵的技術(shù)集成

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1、地埋管地源熱泵的技術(shù)集成地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），通過中間介質(zhì)作為熱載體在埋設(shè)于大地中的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行熱量交換的目的，并進(jìn)而通過熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的空調(diào)。地源熱泵可克服空氣源熱泵冬季天氣越冷供熱量越小的技術(shù)障礙，且效率大大提高。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比具有節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑的有效技術(shù)之一。近年來我國對(duì)地源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為建筑空調(diào)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，而且已相繼建設(shè)了一批地埋管地源熱泵的工程。在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的

2、基礎(chǔ)上，中國的研究人員和工程技術(shù)人員近年來在地源熱泵的研究和應(yīng)用方面都進(jìn)行了不懈的努力。其中，山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持基礎(chǔ)理論的研究創(chuàng)新和工程技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用并舉的方針，在地源熱泵領(lǐng)域不斷探索，得到了國內(nèi)外同行的認(rèn)可[1，2]。山東建筑大學(xué)完成的山東省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“地?zé)峋C合利用關(guān)鍵技術(shù)”在地源熱泵空調(diào)技術(shù)的理論基礎(chǔ)、應(yīng)用技術(shù)和工程應(yīng)用三個(gè)方面都取得重要成果；于2001年在山東建筑大學(xué)建成我國最早的地埋管地源熱泵示范工程之一，并投入實(shí)際使用，此后又進(jìn)一步承擔(dān)了多個(gè)地

3、源熱泵工程的設(shè)計(jì)施工任務(wù)，為在我國推廣應(yīng)用這一新技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。2004年該成果獲山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。近年來，山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所和山東方亞地源熱泵空調(diào)技術(shù)有限公司、山東中瑞新能源技術(shù)有限公司一起致力于推廣地源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)，在省內(nèi)外建成了一批公共建筑、住宅和工業(yè)建筑的地源熱泵示范工程，包括濟(jì)南市西區(qū)建設(shè)工程指揮部辦公樓（2005）、北京山水文園小區(qū)（2007）、瑞典SKF公司濟(jì)南廠區(qū)（2011）、山東濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院校區(qū)（2011）等，取得了突出的節(jié)能和環(huán)保效果。本文小結(jié)了山東建筑大學(xué)地源熱

4、泵研究所在地埋管地源熱泵技術(shù)研發(fā)方面的主要成果。1.地?zé)釗Q熱器傳熱理論地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。由于地下傳熱的復(fù)雜性，地?zé)釗Q熱器傳熱模型的研究一直是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)用基礎(chǔ)。地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是要保證在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，循環(huán)液的溫度保持在限定的范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于地?zé)釗Q熱器，其整個(gè)傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，所涉及的時(shí)間尺度很長，空間區(qū)域很大。因此在工程實(shí)際應(yīng)用的模型中通常都以鉆孔壁為界，把所涉及的空間區(qū)域劃分為鉆

5、孔以外的巖土部分和鉆孔內(nèi)部兩部分，采用不同的簡化假定分別進(jìn)行分析?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊(cè)和教科書中只能推薦以一維的線熱源或圓柱模型為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)公式。在我們近年來的研究中，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，在地埋管換熱器的傳熱理論方面較歐洲和美國的模型有重要的創(chuàng)新，在地埋管換熱器的傳熱分析中提出了基于系列解析解和疊加原理的方法，在國際上首次求得了多個(gè)關(guān)于地埋管換熱器傳熱問題的重要解析解：半無限大介質(zhì)中豎直和傾斜的有限長線熱源非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的解析解[3-5]；提出了鉆孔內(nèi)傳熱的準(zhǔn)三維模型[6，7]，對(duì)單U型管和雙U型管換熱器中

6、流體溫度分布和相應(yīng)的熱阻求得了解析解；有地下水均勻滲流時(shí)線熱源引起的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的解析解[8，9]。這些傳熱理論為地源熱泵空調(diào)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了條件。由于取消有關(guān)的簡化假設(shè)，提高了模型的精度；而且這些顯式的函數(shù)關(guān)系式可以直接應(yīng)用于地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算，使計(jì)算工作量大大減少。2.地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)模擬軟件“地?zé)嶂恰痹谝陨涎芯康幕A(chǔ)上開創(chuàng)性地形成了國內(nèi)首個(gè)地埋管換熱器設(shè)計(jì)軟件“地?zé)嶂荊eoStar”。地?zé)釗Q熱器傳熱分析的基礎(chǔ)是單個(gè)鉆孔的傳熱分析，對(duì)于多個(gè)鉆孔的情況可在單個(gè)鉆孔分析的基礎(chǔ)上采用疊加原理進(jìn)

7、行分析處理。由于熱泵的負(fù)荷通常是隨時(shí)間而變化的，因此地?zé)釗Q熱器的放熱（吸熱）也是隨時(shí)間變化的。這樣的隨時(shí)間變化的熱流可以用一系列連續(xù)的矩形脈沖熱流來近似。這樣，我們就可以計(jì)算在任意變化的負(fù)荷作用下，任意配置的地?zé)釗Q熱器在長達(dá)20年或更長的時(shí)間里的溫度變化以及傳熱性能[10]。最新版本的地?zé)嶂前ㄋ牟糠趾诵哪K：地埋管換熱器的傳熱模型、熱泵模型、建筑負(fù)荷計(jì)算模型與太陽能集熱器模型，可以分別對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)和太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的地埋管換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與性能模擬。“地?zé)嶂恰痹O(shè)計(jì)及模擬計(jì)算軟件的

8、一個(gè)功能是模擬計(jì)算，允許用戶對(duì)已存在的地源熱泵地?zé)釗Q熱器系統(tǒng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果有循環(huán)液進(jìn)入熱泵的月平均溫度，循環(huán)液進(jìn)出熱泵（或地?zé)釗Q熱器）的極值溫度，熱泵每月消耗的功及單位長度的鉆孔平均每月從地下吸取的熱量（或每月向地下釋放的熱量）。其另一個(gè)功能是設(shè)計(jì)計(jì)算，該軟件可以根據(jù)用戶給定的溫度（即，循環(huán)液進(jìn)入熱泵的最高溫度和最低溫度）設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器的尺寸，也就是鉆孔的總長度。該軟件以可視化圖形界面和對(duì)話框的形式面向用戶，使用戶使用起來簡單明了。20