1、暖通空调热泵技术结业论文学生姓名：刘小东学 号：20094025044所在学院：工程学院专 业：建筑环境与设备工程中 国 大 庆2012 年 11 月黑龙江八一农垦大学结业论文- 1 -土壤耦合热泵的发展及应用摘要：土壤耦合热泵技术是一种新的清洁的供暖方式，是世界上能源利用效率最高的供暖方式之一，由于利用可再生的地热资源同时具有很高的供暖性能而越来越受到人们的关注。虽然土壤耦合热泵的使用已经有超过 50 年的历史(最早的应用是在美国) ，但是目前这项技术的市场普及率还处于婴儿期。本将主要阐述土壤耦合热泵的发展、特点以及应用。关键词：土壤耦合热泵、分类、特点、应用1、土壤耦合热泵的发展上壤藕合热
2、泵的概念最早出现在 1912 年瑞士的一份专利文献中，20 世纪 40 至 50年代，欧洲和美国开始了研究上壤藕合热泵的第一次高潮。但由于当时的技术经济性等原因使得该技术未得到应用与推广。直到 20 世纪 70 年代末，世界石油危机的出现，才使上壤藕合热泵的研究重新引起世界的重视，欧洲和美国在 20 世纪 80 年代开展了大量的研究工作 ，其研究的内容主要集中在：上壤的导热性能，地下埋管换热器的热工性能，1不同地下埋管换热器形式对换热过程的影响，地下埋管换热器的换热机理、强化传热技术、模拟计算等方而。真正的推广使用是在 20 世纪 90 年代，仅 1994 至 1995 年美国上壤藕合热泵的应
3、用就从 18%发展到 30%,，1998 年商业建筑中地源热泵空调系统已占空调总量的 19%，其中新建建筑占 30%， 2000 年安装了 5-6 万套 。2国内对上壤藕合热泵技术的研究起步较晚。20 世纪 80 年代初，天津大学、天津商学院、华中理工大学、青岛建筑工程学院等单位对此开展了一系列的理论和实验研究。20世纪 90 年代以来，在国家自然科学基金委员会的资助下，国内开始了对上壤藕合热泵的基础性研究工作主要有：各种地下埋管换热器(垂直套管式、U 型管式、水平埋管式等)热工性能的试验研究，上壤藕合热泵系统冬、夏季启动特性的试验研究，地下埋管换热器传热模型的理论与实验研究等方而。虽然上壤藕
4、合热泵有着非常广阔的应用前景，但相对于常规空调，上壤藕合热泵系统具有较高的初投资及较大的埋地盘管占地而积，这极大地削减了上壤藕合热泵系统与常规空调系统的市场竞争力，在很大程度上限制了上壤藕合热泵技术的推广与应用。因此将上壤藕合热泵技术与空调的蓄冷技术有机地整合集成将是研究的重点。2、土壤藕合热泵系统的分类 3埋管式土壤源热泵也称地下耦合热泵系统或土壤热交换器地源热泵,包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以 U 形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质(通常为水或一者是加入防冻剂的水)作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热黑龙江八一农垦大学结业论文- 2 -交换器的封闭环路中循
5、环流动，从而实现与人地土壤进行热交换的目的。（1）水平埋管地源热泵系统比较简单的方式是，室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下。室内负荷比较人，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器的布置问题，常有的布置方式有串联式水平埋管和并联式水平埋管。对于水平式埋管系统，其优点有:安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用一者易十掌握，其缺点有：占地而积大，受地而温度影响大，水泵耗电量大。（2）垂直埋管地源热泵系统比较简单的方式是，当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，换热器井数比较少可以直接接入机房。当室内负荷比较人，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器
6、井群的布置问题，一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一山干管接入机房。垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式是桩基换热器(或叫做能量桩),即在桩基里布设在换热管道。地热智能桥，类似桩基换热器，山桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥。雪落到桥而后，这些盘管利用地热将雪融化。地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制。对于垂直式埋管系统，其优点有:较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高。（3）螺旋埋管地源热泵系统长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统;长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统 (盘旋布置埋管地源热泵系统);螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式是沟渠集水器式螺旋埋管地源
7、热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。3、土壤耦合热泵的特点（1）占地面积小，或不影响地面用地土壤耦合热泵系统的室外换热器埋于地下，因此可布置于建筑物周围的花园、草坪、农田和广场等下面，也可以在混凝土基础桩内埋管。 （2）运行稳定土壤温度全年波动较小，热特性稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性。并目室外换热器无需除霜，不会因为结霜而阻碍热交换器的热交换，没有融霜、黑龙江八一农垦大学结业论文- 3 -除霜过程，因此运行稳定。（3）高效节能土壤具有良好的蓄能性能。土壤温度相对于地面空气温度的延迟和衰减效应，使得土壤温度冬暖夏凉，冬季高于室外空气温度，夏季低于室外空气温度
8、。因此，与空气源热泵相比，土壤耦合热泵可以提供较低的冷凝温度或较高的蒸发温度。从而，可以提高热泵机组的性能，达到节能效果。并目地源热泵系统可以一机二供，供暖、供冷和供应生活热水，不仅节约能源，而目减少了设备投资，增加了系统经济性。（4）运行费用低，维护简单根据世界环境保护组织(EPA)估计，设计安装良好的地源热泵系统，平均来说可以节约 30%-40%空调运行费用。（5）有利于环境保护，美化建筑外观空气源热泵夏季向外界环境放热，冬季从外界吸热，影响建筑周围热环境，而土壤源热泵夏季向土壤中放热，冬季从土壤吸热，有利于土壤蓄热量平衡，目不影响外界环境。另外，地埋管换热器埋于地下，室外地表上无设备，有
9、利于美化建筑外观 。44、土壤耦合热泵的应用5.1 土壤蓄冷与土壤藕合热泵集成系统在对国内外关于土壤藕合热泵系统及冰蓄冷技术的发展和应用充分了解的基础上，以新技术改造传统技术，整合集成土壤藕合热泵和冰蓄冷的技术要素和成果，提出了一种适合于以空调负荷为主，采暖负荷为辅的全新的空调系统形式，即土壤蓄冷与土壤藕合热泵集成系统。它有如下特点：（1）地下埋管换热器具有双重功能:一是土壤藕合热泵的低位热源，二是蓄冷空调系统中的蓄冷装置。（2）该系统是具有蓄冷功能的土壤藕合热泵系统。它不是用蓄冷装置(蓄冷槽、蓄冰筒等)装配到土壤藕合热泵系统上而组成的新系统，而是改变地下埋管换热器的结构形式，将蓄冷系统与土壤
10、藕合热泵系统有机地结合起来，组成既不同于单纯的蓄冷系统，又不同于单纯的土壤藕合热泵系统的全新的集成系统。（3）为实施集成系统的各种功能，系统中要求采用二工况冷热水机组。并提出了二工况冷热水机组的新设想与图示。 （4）该系统是一种通过水流换向来实现供冷与供热工况、蓄冷与释冷工况的转换及蓄冷空调系统的运行模式的转换等，并在系统中增设冷却水系统。 该系统充分利用了冻上蓄冷技术和土壤藕合热泵系统的优点，将土壤藕合热泵系统黑龙江八一农垦大学结业论文- 4 -中的地下埋管换热器兼作夏季蓄冷空调系统中的蓄冷装置，使土壤藕合热泵系统的地下埋管换热器和蓄冷装置合二为一，免除了传统冰蓄冷系统中占地而积大、耗资较多
11、的蓄冷装置(如蓄冰筒或蓄冰槽等夕，解决了蓄冷装置的占地而积和配置问题。该系统解决了土壤藕合热泵系统长期运行导致土壤温度场不能有效恢复，使土壤藕合热泵年久出力不足的问题。同时，该系统既达到电力削峰填谷的目的，又实现了可再生能源在空调中的应用。5、土壤耦合热泵面临的问题从日前国内外研究及实际情况看，土壤耦合热泵也存在很多缺点 ，很多问题需解5决，例如：（1）长期连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；（2）地下传热、传质复杂，地下热响应研究困难；（3）地源热泵设计应用经验化公式，缺乏对优化设计的研究； （4）缺乏有效的对土壤源热泵系统能耗的经济分析；（5）缺乏全年冷热负
12、荷不均匀影响的研究；（6）需要新型换热器和回填土材料的研发。目前国内外针对土壤源热泵的能耗和地下传热性能展开了大量的研究，但都有待于进一步深化，从而为合理设计土壤源热泵、强化其传热性能、改善节能效果提供可靠的依据。6、结束语本文主要讲述了土壤耦合热泵的发展、分类、特点、应用以及面临的问题。在电力供应日益紧张的今天，以土壤作为冷热源的土壤藕合热泵技术则其使用可再生的浅层地热能，符合能源的可持续发展战略。将蓄冷技术与土壤藕合热泵技术有机地结合在一起而提出的土壤蓄冷与土壤藕合热泵集成系统，充分利用了二者技术之优点，融合了蓄冷技术与土壤藕合热泵技术的各个要素与成果，用一个系统同时解决了目前空调用电负荷
13、峰谷转移与可再生能源在空调工程中的利用这两个热点问题。该集成系统的提出为 21 世纪的建筑提供了一种节能、环保的热泵型蓄冷空调方式，可为空调的可持续发展提供理论支持与技术储备。黑龙江八一农垦大学结业论文- 5 -参考文献：1 姚杨,马最良，余延顺. 土壤蓄冷与土壤藕合热泵集成系统的研究J.哈尔滨工业大学学报.2004.2 高青，于鸣.高效率环保效能好的供热制冷装置地源热泵的开发与利用J. 吉林工业大学自然科学学报，2001, 31( 2) : 9G 102.3 刘建军，徐向荣.土壤耦合热泵的分类J.内蒙古科技与经济，2007,64 陆志.土壤藕合热泵地下埋管传热特性分析J.上海：上海交通大学硕士学位论文，20085 吴喜平.冰蓄冷技术的应用和发展J.华东电力, 2001,(3):60-61.
