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文獻(xiàn)綜述
題 目 采用U型地埋管換熱器的
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱）
完成時(shí)間
地源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
1 引言
目前由于能源消耗的急劇增加, 熱泵作為一種通過(guò)消耗少量高品位能源, 把熱量由低溫級(jí)上升到高溫級(jí)的特殊裝置而受到了人們的青睞。
地源熱泵( Ground source heat pump )也稱為地?zé)釤岜? Geothermal heat pump),它是以地源能(土壤、地下水、地表水、低溫地?zé)崴臀菜?作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫?zé)嵩?同時(shí)是實(shí)現(xiàn)采暖、制冷和生活用水的一種系統(tǒng)它用來(lái)替代傳統(tǒng)的用制冷機(jī)和鍋爐進(jìn)行空調(diào)、采暖和供熱的模式,是改善城市大氣環(huán)境和節(jié)約能源的一種有效途徑,也是國(guó)內(nèi)地源能利用的一個(gè)新發(fā)展方向。
地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)不同的構(gòu)成型式有不同的名稱: 地耦合式熱泵、土壤熱源熱泵、水源熱泵、地?zé)釤岜?、閉環(huán)熱泵、太陽(yáng)能熱泵、地源熱泵等。這些系統(tǒng)的工作原理基本相同。
2 地源熱泵工作原理
典型的地源熱泵是通過(guò)埋地?zé)峤粨Q器從土壤吸熱或向土壤放熱。夏季空調(diào)時(shí),室內(nèi)的余熱經(jīng)過(guò)熱泵轉(zhuǎn)移,并通過(guò)地埋換熱器釋放到土壤中,同時(shí)為冬季蓄存熱量;冬季供暖時(shí),通過(guò)地埋換熱器從土壤中取熱,經(jīng)過(guò)熱泵將熱量供給用戶,同時(shí), 在土壤中蓄存冷量,以備夏季空調(diào)用。此類熱泵主要包括三套系統(tǒng): 室外管網(wǎng)系統(tǒng)、熱泵工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)及室內(nèi)空調(diào)管網(wǎng)系統(tǒng)。
3 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀
1912年, 瑞士的H.Zoelly首次提出利用淺層地?zé)崮? 地源能)作為熱泵系統(tǒng)低溫?zé)嵩吹母拍?但由于當(dāng)時(shí)一次能源充足,用熱泵供暖的社會(huì)需求不足,導(dǎo)致熱泵技術(shù)沒有得到重視和發(fā)展。直到 1948年,H.Zoelly的專利技術(shù)才真正引起普遍的關(guān)注,尤其是歐洲和美國(guó)。20 世紀(jì)50年代,美國(guó)和歐洲國(guó)家開始研究和利用地源熱泵, 但當(dāng)時(shí)能源價(jià)格較低,使用熱泵系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì),因而沒有得到推廣。1974 年以來(lái),由于石油危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)境的惡化, 引發(fā)了人們對(duì)新能源的開發(fā)和利用, 因此開始了地源熱泵的研究和利用。這一時(shí)期歐洲建立了許多采用水平盤管地下?lián)Q熱器的土壤源熱泵系統(tǒng)的研究平臺(tái)。自1974年起,瑞典、瑞士、荷蘭等國(guó)政府資助的示范工程逐步建立起來(lái),地源熱泵技術(shù)也日趨完善。從熱泵技術(shù)來(lái)說(shuō),此時(shí)的地源熱泵系統(tǒng)大多直接利用地下水作為冷熱源,因此對(duì)地下水溫度有一定要求, 而且當(dāng)時(shí)的技術(shù)相對(duì)粗糙,甚至不設(shè)置回灌井。
20世紀(jì)70年代末到90年代初,美國(guó)開展了冷熱聯(lián)供地源熱泵的研究工作。這一時(shí)期,地源熱泵技術(shù)飛速發(fā)展并趨于成熟。美國(guó)的地源熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠家也十分活躍,成立了全國(guó)地源熱泵生產(chǎn)商聯(lián)合會(huì),并逐步完善了工程安裝網(wǎng)絡(luò), 成為世界上地源熱泵機(jī)組生產(chǎn)和使用的大國(guó)。
3.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
我國(guó)具有較好的熱泵科研成果與應(yīng)用基礎(chǔ),20世紀(jì)50年代,天津大學(xué)的熱能研究所最早開展了熱泵方面的研究工作,并于1965年研制了我國(guó)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)組。我國(guó)對(duì)土壤源熱泵的研究始于20世紀(jì)80年代,國(guó)內(nèi)的科研工作者相繼展開地源熱泵的研究和試驗(yàn)工作,各種試驗(yàn)研究工作主要由各大學(xué)進(jìn)行。雖然我國(guó)對(duì)地源熱泵的研究和應(yīng)用較晚,但發(fā)展勢(shì)頭很好,地源熱泵發(fā)展已列入國(guó)家新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展十五規(guī)劃。1978年-1999年,中國(guó)制冷學(xué)會(huì)第二專業(yè)委員會(huì)舉辦了9屆全國(guó)余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議,在2001年寧波召開的全國(guó)熱泵和空調(diào)技術(shù)交流會(huì)和2002年在北京召開的國(guó)際熱泵會(huì)議上,國(guó)內(nèi)外有關(guān)人士開始關(guān)注中國(guó)這個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ拇笫袌?chǎng)。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)加強(qiáng)了地?zé)嵩礋岜玫膽?yīng)用研究力度,自行研究和生產(chǎn)地源熱泵機(jī)組的廠家已達(dá)幾十家, 如山東的富爾達(dá)、北京的中科能等。另外國(guó)外很多知名公司已經(jīng)在中國(guó)設(shè)立了銷售部。目前我國(guó)地源熱泵工程正逐年增加,并取得了初步效果。
但從總體上看,中國(guó)地源熱泵的發(fā)展還不夠規(guī)范, 基礎(chǔ)研究上還有待于進(jìn)一步完善,行業(yè)之間缺少必要的合作交流,這些因素都或多或少影響著這項(xiàng)技術(shù)的推廣。但是根據(jù)綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)的要求,2008年的北京奧運(yùn)會(huì),在體 育場(chǎng)館、運(yùn)動(dòng)員村等奧運(yùn)會(huì)建筑中將廣泛采用太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉? 并將采用高效、清潔的常規(guī)能源利用技術(shù),將在一定程度上代表了國(guó)際上最先進(jìn)的用能方式,其產(chǎn)生的效應(yīng)將直接影響北京市未來(lái)能源利用的發(fā)展方向。同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)其他地區(qū)地源熱泵的發(fā)展也將產(chǎn)生一定的積極作用。
4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)土壤源熱泵的研究主要集中在地下?lián)Q熱器,1946 年,美國(guó)進(jìn)行了12個(gè)地下?lián)Q熱器的研究項(xiàng)目,這些研究項(xiàng)目測(cè)試了埋地盤管的幾何尺寸、管間距、埋深等,并將熱電偶埋人地下,測(cè)試了土壤溫度隨時(shí)間變化和受傳熱過(guò)程影響的情況。1953年,美國(guó)電力協(xié)會(huì)的研究表明,以上這些試驗(yàn)還沒有提供可用于地下?lián)Q熱 器的設(shè)計(jì)方程。20世紀(jì)50年代初,英國(guó)安裝了用于住宅供暖的地源熱泵系統(tǒng)。
1974年,歐洲實(shí)施了30個(gè)工程開發(fā)研究項(xiàng)目,發(fā)展了地源熱泵的設(shè)計(jì)、安裝技術(shù)，并積累了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。1971年—1978年,美國(guó)進(jìn)行了多種形式地下?lián)Q熱器的測(cè)試, 并引入太陽(yáng)能集熱器,組成混合土壤源熱泵系統(tǒng)這一時(shí)期開始采用塑料盤管代替金屬盤管。美國(guó)和歐洲國(guó)家設(shè)計(jì)安裝的土壤源熱泵系統(tǒng)大多參照類似的已建工程設(shè)計(jì)安裝,另一些工程的設(shè)計(jì)則采用估算方法。
目前,國(guó)外對(duì)土壤源熱泵的研究仍集中在地下?lián)Q熱器的傳熱性能上。地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)、計(jì)算模型約30多種,對(duì)所有模型的建立,關(guān)鍵是求解巖土溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化,其基本模型有2種。?線熱源模型?圓柱熱源模型。
4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前,國(guó)內(nèi)外的熱泵產(chǎn)品主要以風(fēng)冷熱泵和地源熱泵為主,輸出溫度大于60℃，以地源或低溫地?zé)崴?50℃以下)為熱源的高溫地源熱泵在國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)單位在研制,如中科院廣州能源研究所、天津大學(xué)、清華大學(xué)等,廣州能源研究所于 2001年初率先推出了最高出水溫度可達(dá)75℃的高溫地源熱泵機(jī)組,并在近兩年里由其下屬公司一北京中科能源高科技有限公司在北京、廣州等地成功實(shí)施了十余個(gè)工程項(xiàng)目,涉及空調(diào)采暖、散熱器采暖、熱水供應(yīng)、地?zé)嵛菜疅峄厥绽玫榷喾N形式,取得了良好的運(yùn)行效果。
國(guó)內(nèi)對(duì)土壤源熱泵的研究主要集中在以下5個(gè)方面:地下?lián)Q熱器的傳熱計(jì)算模型的建立,地下?lián)Q熱器傳熱計(jì)算的模擬研究,地下?lián)Q熱器的篩選及埋地盤管合理管間距的理論分析,土壤凍結(jié)對(duì)地下?lián)Q熱器傳熱的影響,地下?lián)Q熱器間歇運(yùn)行工況的分析。
5 地源熱泵研究的一些問題
影響地源熱泵推廣應(yīng)用的主要原因?yàn)?
(1)土壤特性問題。地源熱泵系統(tǒng)的性能好壞與當(dāng)?shù)赝寥罒崽匦悦芮邢嚓P(guān),地?zé)嵩吹淖罴验g隔和深度取決于當(dāng)?shù)赝寥赖臒嵛镄院蜌夂驐l件。土壤的熱特性研究主要包括土壤的能量平衡、熱工性能、土壤中的傳熱與傳濕以及環(huán)境對(duì)土壤熱物性的影響等。
(2)地下?lián)Q熱器傳熱機(jī)理的理論研究繁多,但缺乏理論與實(shí)踐的有效結(jié)合,缺乏多環(huán)境下應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)研究以及實(shí)際有效的強(qiáng)化傳熱方法。
(3)不同冷、熱負(fù)荷下,地下?lián)Q熱器與熱泵系統(tǒng)最佳匹配技術(shù)的研究不夠。20世紀(jì)90年代以來(lái),地?zé)峥照{(diào)技術(shù)的研究熱點(diǎn)依然集中在地?zé)崮軗Q熱器的換熱機(jī)理、 強(qiáng)化換熱及熱泵系統(tǒng)與地?zé)崮軗Q熱器匹配等方面。與前一階段單純采用線源傳熱模型不同,最新的研究更多地開始關(guān)注相互耦合的傳熱、傳質(zhì)模型以更好地模擬地?zé)崮軗Q熱器的真實(shí)換熱情況; 同時(shí)開始研究采用熱物性更好的回填材料,以強(qiáng)化土壤埋管在土壤中的導(dǎo)熱過(guò)程,從而降低系統(tǒng)用于安裝土壤埋管的初投資;為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng),國(guó)外有關(guān)地?zé)崮軗Q熱器與熱泵裝置的最佳匹配參數(shù)的研究也在開展。
(4)熱泵技術(shù)與其它技術(shù)的配合問題:地源熱泵技術(shù)是暖通空調(diào)技術(shù)與鉆井技術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù),兩者缺一不可,這要求工程組織者和工程技術(shù)人員能夠合理協(xié)調(diào)、做好充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
(5)對(duì)環(huán)境的影響問題:目前地下水的回灌技術(shù)不完善,在一定程度上會(huì)影響以水為低位熱源的地源熱泵的進(jìn)一步推廣;此外土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)鉆井對(duì)土壤熱、 濕及鹽分遷移的影響研究有待進(jìn)一步深入,如何使不利因素減少到最小是必須考慮的問題。
6 結(jié)束語(yǔ)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,高效環(huán)保節(jié)能的供熱和制冷空調(diào)已成為城鎮(zhèn)居民的基本生活需求,市場(chǎng)前景很好。另外,由于形式多樣,安裝靈活, 地源熱泵將為我國(guó)中小城市,甚至廣大農(nóng)村人民生活質(zhì)量的提高做出貢獻(xiàn)。在地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用中,盡管還有許多技術(shù)問題需要解決,但由于其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)和節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn),是建筑物供暖和制冷的合理可行選擇方案之一。在能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中,地源熱泵將倍受人們的重視與青睞。
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