复合式地源热泵系统的提出

1、复合式地源热泵系统的提出朱严力的逐步提高虑动着人类杜会向讷疑展”也加大了人类炷门燃的形响*社得地球面临苕讲源枯竭、能源短缺、环境污染、粮茁不足和人ugfll/l大挑战.甘前.全世界都在关注能源、环境和可持续发展问题.能源危机是人类实规可持续发展所而临的最现实的挑战和问厲.从世界范BI的能源生产与消费情况来看.按BR中等的增长方案，据国际能源机构的珮测，到220年，世界人口将增至10lxlUK(扑:能源需要达到82x10l：MJ.几屮石油需求量为30執即2.46xl0,2MJ|lL我国能源進源可利用总量比統丰富.以煤炭为是世界上第三大能源国，年能源消费总握为12亿吨标准煤；也是世界上第二大煤炭生

2、产国.年空产煤12亿吨以1但同时也是世界上第一大煤就消费園年消费煤炭11亿吨以上°随着观国工业化进桎的发展，能源消费总量増加较快.煤炭年菇速度大约为3»*6%或更大.因而部分地区己经出现能源危机.如沿海及经济发达地区缺煤缺电.石油制品供应不足以及城乡能源分配不均等比叱我国能源储Eg、能源生产以及能源消费都以煤为主.石油及天然气所占的比例很小，不得不帖能源环境问童进厅反思.我国犬P环境严电河染的很木原因楚能源消載构诫以煤为补叫而今人类越来越关注环境问題；如亍球变暖r臭氧层嘏坏、酸啣答等.我国也越来越朿视环境问题的曲测.6:2012年2月.按照国务院新颁布的环境空气质盘标准乩新

3、増了对PM2寿的监测冈"同时2013将左113个环境保护重点城市和环境模范城市开展监测.2015年在所有地级以上城市开展监测冋.建筑业的迩猛发展便建筑相关消耗山全球礼会陡源消耗的46%.建筑陡耗磺対彘大礎耗黒洞门.建筑色傩河题己经成为全世界共同关注的简题ftF在进界上建筑规摸用大的中国.崔筑节能已成为建设资源节約环境友好型社会的一个董要摘施冈.建筑能耗主耍包括采暖、通凤空调.掘明系统以及一些大功率家用电罟等方而.其中暧通空调系统能耗占到了50%左右.并随着人们生活水平和舒适性要求的提高连存在绘续上升的趋势。解决暧通空调系统能耗人问懸上建筑*能的1R心问起Z就址械少我IH冬養采啖所造成

4、的大气污染和障低供啖空调杀统的fik+tD在能源危m和环境污染的取重e力下.可再生能源的利用足可持续发展及顺应世界节能发展的必然趋势，如太阳能、风能、地热能等。地热能作为一种可再生的清洁能源，越來越受人们关注，成为国家能源发展战略的耍求Z。本课题主耍研究地埋管地源热泉系统，具俗高效节能、使用周期长及绿色环保等优点.我国致力建设节约型国家，科技部预计：“I二五”期间，我国将完成地源热泵供暖（制冷）面枳3.5亿平方米左右.届时整个地源能开发利用在地源热泵产业的总市场规模至少在700亿元左右I®。在政府大力支持与佔导下，地源热泵应用日益广泛，为建立节约型社会和解决而临的能源危机问题提供了新

5、思路。地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能空换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。fl1912年踽上人Zoclly的一项专利中提出地源热泵系统这个概念至今，北炎、飮洲、瑞典、徳国等国都相继大规模对地源热泵系统进行研究和应用。英国、聚国等在20世纪30-40年代就甘热泉的进厅了研制开发，但发展热泵的髙潮是在二战结束后很据使用需求的不同，矣国以小型热泵空调发展晟迅速，而四欧国家发展单一供热的大型热泵。在这个时期，策国和欧洲对热泵的研究主要包括土壤物性参数、地埋管和系统运行的实验研兜，以及地埋管数学模型研究。但由于金属地埋管初投资高、土壤対金属腐蚀等原因，地源热

6、泵的使用受到了限制“一1973年“能源危机”再次推动了地源热泵的应用。许筝国际组织制定了发展热泵技术的计划，许笫学者对热泵做了大虽试躱研究，以塑料管代桥了金属管，解决了金属腐蚀问题，使地源热泉的应用扩展到了工业、商业和公共建筑,，2n,.20世纪80年代初，美国的ORNL（橡树岭）、BNL（布鲁克黑文）国家级重点实验空和俄克拉荷马州立大学（OklahomaSlateUniversity）都开展了大规模的研究，上要是建立地埋管数学模型，对地下换热过程进行研究，并利用计算机进行数值仿真I叫20世纪90年代以后，地埋管换热器的传热研究也开始便用计算机数值计算方法.由“线热源”模型转为相互耦合的传热、

7、传质模型何.同时地源热泵工程实例调研和经验的总结成为了研究的一个重耍方面，更加注重研究与实际工程的结合.如回填材料的研究、地埋管换热器与热泉机组的展佳匹配、系统的优化等UHO我国地源热泵系统的发展较晚20世纪80年代到21世纪初为起步阶段，但也取得了较大的发展.在全国各地工程中得到了应用。其中地埋管地源热泵工程已在我国南北广阔的地域有不同程度的发展.小到建筑面积数百平方米的别墅,大到数十万平方米的公共建筑，都仔工程实例10。许务髙校也都建芷了地源热泵系统实骏台，如重庆大学、消华大学、山乐青岛建筑工程学院、火津大学、同济大学等,7-2,o1989年.山东青岛建筑工程学院在国内建立了笫一台土壤源热

8、泵系统的试验台儿乎同时，尺津商学院开始了土壤源热泵系统的研究90年代开始.在国家门然科学基金的资助下，华中理工大学进行了水平单管的换热研究，后来又进行了地下浅层井水用于夏爭供冷和冬孕采暖的研允。1995年，同济大学在UTRC公司等的资助下建立了地源热泵试验台，对土壤物性条件及系统性能进行了实验.1998年，湖南大学也幵始进行了多层水平埋管恢热特性研%.1999年，重庆建筑大学的刘宪英等人衣国家口然科学呈金的空助卜进行了注埋竖直管换热器地源热泵的采暖和供冷持性研咒。一方而，能源危机持别是石油危机给地源热泵系统的发展建立了基础。不同地区对地源热泵系统的应用侧重点令所不同，如在北犬上要用于冷热联供，

9、而在欧洲主要用于供热.另一方而，国家的能源政策也促进了地源热泵系统的发展，如国家财政补贴。在美国、徳国、瑞典、中国都能看到相关能源政策。地源热泵系统12成为应用最广泛的“绿色”空调系统，在合理的运行管理下.能达到高效和节能的效果，估计全世界有超过110万个（2运行的地源热泵系统3241.对于我国，在国际石油价恪上涨和国内煤炭价恪提高的戏重压力下，地源热泵系统作为可再生能源的利用，将会得到广泛的应用，为我国建筑仃能做出重耍贡献。地源热泵系统可以很据地热能交换系统形式的不同分为地埋管地源热亲系统、地表水地源热泵系统以及地F水地源热泵系统。本课题主要研丸地埋管地源热泵系统，以卜所提地源热泵系统指地埋

10、管地源热泵系统。复合式地源热泵系统的提出竖直地埋管埋深大都处f2-180m夏李向大地放出热虽:，冬季从大地吸收热虽，能应用于商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、学校、医院等建筑物.而在丈际工程中，对于一般公共建筑，由于气候原因，不同气候区内夏爭和冬爭建筑的冷负荷和热负荷需求存在菱界，如：夏热冬冷地区，建筑夏孕冷负荷比冬乎热负荷大：寒冷地区建筑夏李冷负荷比冬李热负荷小.因而在使用地埋管地源热泵时需耍考虑以下三个问题： 热平衡问题，建筑冷热负荷的差舁会导致地下历年累枳的排热虽:与取热虽存在差异，即土壤的吸热虽和释热虽不平衡同时还会随使用时间的增加而累积,地埋管周闱土壤温度逐年上升或下降，降低系统效率，朋

11、终使地源热泵系统难以止常运行，其至瘫痪. 间歇运行问题，为地埋管换热器周圉土壤温度恢夏提供时间。特别是负荷特征为24小时需连续供冷或供热的建筑，必须保证埋管周圉土壤温度的恢复时何，避免埋管区域土壤热虽或冷虽的堆枳，提高条统运行效率。 初投资问题.相比传统的冷水机组系统形式，地埋管换热器的埋设以及热泵机组的初投资都校髙.对r冷热负荷存在显苦差斤的建筑若完全依靠地埋管换热器进行供冷或供热，需要按照所需地埋管长度大值进行设计，则会增加系统的初投资，也不能保证系统高嫂运行.并且地埋管区域需要占用一定土地而积，对于如今土地使用紧张的大城市，地埋管地源热泵系统的应用也受到了土地而积彫响.针对以卜.三个问题，采1U的措施主耍何增加辅助冷热源如：冷却塔、太阳能及锅炉，采用热回收热泵机组.扩大供热而积等等.由于地源热泵系统中増加了辅助设备.从而提岀了芟合式地源热泉系统。与常规地源热泉系统相比，能有效的