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1、分类号： _ 密级 : UDC： _ 编号 : 学位论文 地源热泵系统优化设计及经济性分析 赵灵 指导教师姓名：齐承英教授：河北二业大学 申请学位级别：硕士 学科、专业名称：供热、供燃气、通风及空调工程 论文提交日期 ： 2010年 12月 论文答辩日期 :2010年 12月 学位授予单位： 河北工业大学 答辩委员会主席 : 评 阅 人 : 2010年 12月 学位论文 地源热泵系统优化设计及经济性分析 (本文由天津市科技支撑计划重点项目 07ZCKFSF00400、 国家 “ H五 ”科 技支撑计划项目 PEG200701共同资助） 赵灵 指导教师姓名 ： 齐 承 英 教 授 河 北 工 业
2、 大 学 申请学位级别 ： 颂 士 学科、专业名称： 供热、供燃气、通风及空调工程 论文提交日期： 2010年 12月 论文答辩日期 :2010年 12月 学位授予单位： 河北工业大学 2010年 12月 Dissertation Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree of Thermal Engineering OPTIMIZATION DESIGN AND ECONOMICAL ANALYSIS OF A GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM by Zhao Ling Su
3、pervisor: Prof. Qi Chengying December 2010 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其 他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人 承担。 学位论文作者签名 : 日期： 2010.12.14 河北工业大学硕士学位论文 地源热泵系统优化设计及经济性分析 摘要 我国地源热泵系统发展迅速，但在系统设计上还有许多尚待解决的问题。本文
4、对地源 热泵系统进行了优化设计和经济性分析。主要研究内容如下： 1. 系统归纳了目前地源热泵系统存在的主要问题，并全面分析了影响地埋管地源热 杲系统设计的主要参数。在此基础上，提出了一套基于岩土热物性测试和建筑动态负荷分 析，且以地源热泵系统长期稳定运行为优化目标的设计思路与方法，并用于指导实际地源 热栗工程。 2. 结合某工程实例，采用数值模拟软件模拟了建筑物动态负荷特性，采用恒热流法 计算分析当地岩土热物性参数，采用 Fluent模拟软件模拟分析了地埋管热扰动半径以及地 源热泵系统地温场流体温度变化，确定了地源热泵系统的优化设计方案。对工程冬、夏季 工况下的实际运行情况进行实验测试。结果表
5、明，冬夏季典型工况下热泵机组及系统性能 系数分别为 4.21和 3.04、 5.22和 3.42,系统可以保持在高能效下运行。 3. 通过计算费用现值、费用年值以及动态追加投资回收期，分析了优化设计后地源 热栗系统的经济性，并与常规供热制冷系统进行 比较。结果表明，地源热泵系统在整个寿 命期内的费用明显低于市政管网 +冷水机组系统，年运行费用可节约 99.91万元，折合单位 建筑面积节约运行费用 18.68元 /m2,经济效益良好。 关键词：地源热栗，优化设计，系统性能，费用现值，费用年值 地源热泵系统优化设计及经济性分析 OPTIMIZATION DESIGN AND ECONOMICAL
6、ANALYSIS OF GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM ABSTRACT In recent years, GSHP systems are developing rapidly in China, but there still exist some problems to be solved. This paper is presented to perform the optimization design and economical analysis of a GSHP system. The main contents are as follows:
7、Firstly, based on the analysis on main problems existed in the present GSHP systems, the influences of key design parameters on the performance of GSHP systems are discussed in detail. Then, a new approach to the optimization design of GSHP systems is presented, which is based on thermal response te
8、sts of rock soils and dynamic analysis of building air-conditioning loads, and in which the long-term performance of GSHP systems is treated as an ultimate optimization objective. Further, this method is applied successfully for an actual GSHP system located in Caofeidian Industrial Zone, Hebei prov
9、ince. Secondly, the dynamic heating and cooling loads of the object building is calculated using the software DeST-c, and the ground thermal properties is obtained using the in-situ constant heating-flux TRT method. Then, the heat-influencing range of ground heat exchangers (GHEs) as well as the tem
10、peratures of the ground and fluid through the GHEs is simulated numerically using the CFD software Fluent. Further, some experiments on the operation performance of the object GSHP system are carried out in both summer and winter. The results show that the COPs of the heat pump units and the whole s
11、ystem are 4.21 and 3.04 in winter, and 5.22 and 3.42 in summer, respectively, which indicates that the present GSHP system can run under a high-efficiency condition. Finally, a whole economical analysis is performed for the object GSHP system. Its present value, annual value and addition investment
12、are calculated and compared with that of the conventional air-conditioning system. The results show that the entire cost during the lifetime of the object GSHP system is much lower than that of the conventional air-conditioning system. In 河北工业大学硕士学位论文 detail, the annual operation cost of 999,100Yuan
13、 can be saved, which is equivalent to 18.68Yuan per unit floor area. Therefore, after optimization the present GSHP system has a better tech-economical performance. KEY WORDS： ground source heat pump (GSHP), optimization design, the coefficient of performance(COP)， present cost, annual cost 地源热泵系统优化
14、设计及经济性分析 目录 第一章前言 . 1 1-1研究背景及意义 . 1 1-2地源热泵系统国内外的研究及应用现状 . 3 1- . 2-1国外研究及应用现状 . 3 1- 2-2国内研究及应用现状4 1-3目前地源热泵系统在应用方面存在的问题 . 6 1-4本文的研究内容 . 7 第二章地源热泵系统影响因素及优化方案 . 9 2-1建筑物能耗对地源热泵系统的影响 . 9 2- 1-1建筑物累积负荷的影响9 2- . 1-2建筑物逐时负荷特性的影响 . 10 2- . 1-3建筑物能耗计算方法的影响 . 10 2-2地质特征对地源热泵系统的影响 . 11 2- 2-1土壤特性11 2-2-2
15、土壤初始温度 . 12 2-2-3 土壤热物性及初始温度的测试方法 . 12 2-3埋管换热器布置形式对地源热泵系统性能的影响 . 13 2-4回填材料对地源热泵系统性能的影响 . 15 2-5 地源热泵系统优化方案 . 15 2-5-1地源热泵系统设计要点 . 16 2- 5-2设计思路与方法 . 17 2-6 本章小结 . 19 第三章地埋管地源热泵系统优化设计 . 20 3-1 研究对象 . 20 3-2建筑物全年负荷模拟计算 . 21 3- 2-1建筑物概况21 3- . 2-2气象数据 . 22 3- . 2-3室内外设计参数 . 23 3- . 2-4冷热负荷动态模拟及分析 . 2
16、4 3-3现场勘测及实验 . 26 3-3-1 水文地质条件 . 27 3-3-2岩土热物性实验 . 28 3-3-3实验结果及分析 . 28 3-4埋地换热器设计 . 31 河北工业人学硕士学位论文 3-6-2埋管换热器影响半径模拟 . 34 3- 6-3管群周围温度场热平衡分析 . 40 3-7 本章小结 . 42 第四章地源热泵系统试验测试分析 . 44 4-1 地源热泵系统简介 . 44 4-2地源热泵系统试验测试 . 44 4- 2-1 实验测试系统 . 44 4- . 2-2实验数据处理模型 . 45 4-3 试验结果分析 . 46 4- . 3-1 冬季供暖工况 . 47 4-
17、. 3-2夏季制冷工况 . 49 4-4本章小结 . 53 第五章地源热泵系统经济性分析 . 54 5-1 数值模型 . 54 5-2动态经济性分析 . 56 5-3 本章小结 . 61 第六章结论及建议 . 62 6-1会吉 i仑 . 62 6-2进一步研究建议 . 63 参考文献 . 64 至文 if . 67 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 68 地源热泵系统优化设计及经济性分析 符号说明 AC 费用年值，元 c_ 比热容， kJ/(kgC) C 电价，元 /kWh Cp 循环流体比热容， kJ/(kgC) CO 每年的现金流出，元 copc 制冷额定性能系数 COFh 供热额定性
18、能系数 cop 机组性能系数 C0P、 系统性能系数 d e U型管当量直径 ， m d。、 d丨 埋管外径、内径 ， m db 埋孔直径 ， m Fdh 供热或运行份额 i0一基准折现率 K 流体对流换热系数， W/m2 . K Lc、 一 制冷、供热工况埋管长度 ， m N 项目初投资，元 n使用寿命，年 P 1 机组功率 ， KW P、 、 P、 空调、埋管侧循环泵功率 , KW PC 费用现值，元 P 投资回收期，年 Q 年累计冷 /热负荷 ， kWh Qc、 Qh - 机组额定冷、热负荷 ， kw Qk 空调侧供热（冷）量 ， kw Q- 埋管侧供热（冷）量 ， kw Rf 介质与管
19、壁间对流热阻 ， m . K/W Rpe HDPE管管壁热阻 ， m . K/W Rs 孔壁到无穷远热阻 ， m . K/W Rsp 脉冲负荷引起的附加热阻 ， m . K/W L 一 流体、土壤初始温度 ， C Tk， ,、 TkJ 机组出、进口温度 ， C 埋管出、进口温度 ， C Vm 空调侧、埋管侧流量， m3/s Xi第 i个钻孔与所考虑钻孔间距离 ， m a 岩土热扩散率， m2/s 、 埋管、岩土导热系数， W/m2 K T 运行时间 ， s 脉冲负荷连续运行的时间 ， s h、 P 空调侧、埋管侧流体密度， kg/m3 A,io,n) 年金现值系数 (A/P,i0,n) 资本回
20、收系数 (1 + / )_/ 一次支付现值系数 河北工业大学硕士学位论文 第一章前言 1-1研究背景及意义 我国地源热泵技术的发展起源借鉴了欧美的成功经验，在经历了 20世纪 90年代的初期理论和实验 研究后，本世纪初才开始尝试规模化示范。 “ 十一五 ” 初期，在全球气候变化与节能减排的大背景下， 由于节能与环保两大主题的要求，我国可再生能源应用建筑的示范推广进程加快，地源热泵系统也随之 进入了高速发展阶段。近年来，在各级政府的大力推动下，我国地源热泵系统应用项目的年增加总量以 及单个项目的建设规模已经远超过欧美等主要应用国家，呈现出了前所未有的发展形势，显露出了一些 独特的发展特点。 利用
21、地源热泵技术以浅层地热能为低位热源，为建筑物提供热量（冷量 ） 达到供暖（空调 ） 的目的。 它的优势表现在以下几个方面： 1. 地源热泵系统利用少量高品位电能实现为建筑物供热（制冷），从节能及环保角度，是中小型燃 煤锅炉较好的 替代品，这也是我国推广地源热泵系统的一个主要目的。对于大型火电厂，因其便于采用 先进技术提高能源利用率，并对有害气体进行严格处理，减少污染气体的排放，可以有效改善城市大气 环境。因此在近期内采用热电联产城市集中供热仍是我国寒冷和严寒地区的解决供暖需求的主流形式， 是地源热泵系统所无法替代的。应该指出，在我国应用地源热泵系统的首要对象是远离城市集中热源的 建筑物。 2.
22、 地源热泵系统以全年温度较稳定的土壤为热源，与室外空气相比，夏季可以为热泵机组提供温 度较低的冷源，冬季则提供温度较高的热源，有利于热泵系统高效运行 。因此地源热泵系统的运行费用 比常规空气源热泵系统低。实验研究表明 1，采用地源热泵系统供暖的运行费用是我国电锅炉运行能耗 的 40%左右。另一方面，因地源热泵系统以地下土壤作为蓄热体，使能量可持续循环利用，是一种可 持续发展的建筑空调节能技术。与空气源热泵系统相比，地源热泵系统虽然初投资较高，但其较低运行 费用足以使其在使用寿命期内得以抵消。实践证明，与我国传统的供热空调系统相比，地源热泵系统增 量成本在 3 7年内即可收回 1 2。 3. 随
23、着我国房地产行业的日益紧张，最大限度的扩大建筑物使用空间已经成为目前 建筑设计师更 多的考虑因素。地源热泵系统能够既供热又制冷还可以提供生活热水，一机多用， 与传统供热制冷系统 相比，节省了大量的建筑空间及附属设备。从这个意义上讲，地源热泵系统的发展也是建筑业发展形势 所需。另一方面，地源热泵系统在节省建筑空间的同时取代了传统空调系统的锅炉和冷却塔，这对于重 1 地源热泵系统优化设计及经济性分析 视建筑本体和环境美观的场合例如标志性建筑和历史性建筑等，也是重要的考虑因素。 4. 在电力系统方面，与直接电采暖相比，因地源热泵系统具有较好的性能系数，不仅可以显著提 高电力系统全年的运行效率，同时可
24、以缓解冬夏季节两个用电高峰，这也是在国外电力公司大力支持地 源热栗系统发展的一个重要原因。 与任何事物发展一样，地源热泵系统在表现出独有的优势的同时，也存在部分局限性，主要表现在 : 1. 与常规空气源热泵系统相比，地源热泵系统较高的初投资仍然是制约其推广应用的主要障碍。 对于地埋管地源热泵系统，往往需要设置大面积地埋管换热器才能满足建筑冷热负荷的需求，因而使得 地源热泵系统初投资不同程度的增加。调研 及实践证明，在硬岩或砾岩层等复杂地层的钻孔费用比在土 层中的钻孔费用高 5 10倍 3。地埋管换热器的投资约占整个建筑供热空调系统初投资的 1/3 1/2。与 市政热网（锅炉 ） +冷水机组供热
25、制冷系统相比，地埋管地源热泵系统初投资增加约 10 40%4,5;与单 纯的集中供热或燃气锅炉相比，地埋管地源热泵系统的初投资增加约 1 2倍 4,5。地源热泵系统虽具备 供热制冷双重功能，却因初投资偏高使得建设单位难以承受。这也是发展初期我国地源热泵系统技术主 要应用于公共建筑和高端住宅上的原因所在 6。但相对于发达 国家，我国较低的劳动成本反而成为推广 地源热泵技术的一个相对的优势条件。近年来，由于我国在埋管钻孔和施工技术上设置门槛不高，加上 原有较庞大的地质钻探队伍，使得埋管换热器施工市场很快进入了充分竞争状态，埋管换热器建设成本 也相应呈现出快速降低的趋势。 2. 缺少设置地埋管的建筑
26、空地是我国推广地源热泵系统特有的主要制约条件之一 7。按照我国华 北地区建筑物冷热负荷特征，设计竖直埋管换热器需要的土地面积约为建筑供热空调面积的 20 30%。 虽然地埋管通常埋设在地面 1.5米以下，不影响用于绿地、停车场或者小区道路。但 对于建筑容积率较 大的城镇中心以及改造项目，缺少埋设埋管换热器的建筑空地往往成为制约地埋管地源热泵系统应用的 主要瓶颈。在欧美发达国家住宅多为分散小型的建筑，设置地埋管换热器一般不存在土地紧张问题。但 我国城镇住宅多为多层或高层建筑，容积率高，较大的建筑物冷热负荷以及较少的建筑空地已经成为我 国推广地埋管地源热泵技术的主要制约条件。为了节省埋管换热器占地
27、面积，我国已经开发了在地下车 库以下埋设换热器和在建筑桩基中设置埋管的地源热泵系统。 3. 建筑物全年冷热负荷影响地源热泵系统的能效。对于地埋管地源热泵系统，由于 以地下土壤为 蓄热器或蓄冷器，在我国北方严寒地区冬季热负荷远大于夏季冷负荷，如采用地源热泵系统将使得地下 土壤温度逐年降低，影响地源热泵系统的性能也逐年降低甚至失效。在南方地区则相反，夏季冷负荷占 主导地位，地下土壤温度将逐年升高，同样影响系统的性能。应该指出的是，当地埋管所涉及的地层中 存在地下水渗流时，有助于消除或缓解地埋管换热器因冷热负荷不平衡引起的冷（热）量堆积。但由于 实际工程中很难得到现场较可靠的水文地质资料，特别是地下
28、水渗流定量的资料，因此还难以给出地下 2 河北工业大学硕士学位论文 水渗流对缓解地下冷（热）量堆积的定量的结论。依靠现有的数学模型和分析还只能提供定性的判断。 因此在推广应用地源热泵技术的过程中，应对地下环境的长期影响给以充分的重视。 1-2地源热泵系统国内外的研究及应用现状 1-2-1国外研究及应用现状 地源热泵思想最早载入人类史册起源于 1912佐伊利 （ H.ZOLLY)的一项瑞士申请专利 p。 1928年 , 冰岛人最先在雷克雅未克建立了地热供热系统。二战结束以后，地源热泵系统在北美大规模兴起并投入 应用。地源热泵系统早期的理论研究主要集中于埋管换热器形式、岩土传热特性和埋管影响因素等
29、方面 8。直到 1946年，美国率先进行了一个设有 12个埋管换热器的试验研究，测试埋管结构的相关参数， 包括埋管尺寸、埋深以及管间距等。同时，试验中还埋设了热电偶测试土壤温度随时间的变化规律，分 析了温度受热干扰过程的变化情况。然而，这次试验研究仍未能提出指导埋地换热器设计较可行的方案。 基于这一阶段的研究高潮一直持 续到 20世纪中期，出现了许多地源热泵的基础性理论研究，例如沿用 至今的 “ 开尔文线源理论 ”数学模型，为以后的进一步理论发展奠定了基础。但由于当时能源价格较低， 而地源热泵的初投资较高、金属埋管容易腐蚀等诸多不经济因素使得地源热泵系统的研究以及热泵设备 的推广几乎停滞， 也
30、源热泵的兴起与初步研究阶段就此结束。 第一次石油危机后，美国和日本于 1973年分别建立了自己的热泵市场，欧洲并未过于关注。直到 70年代末期第二次石油危机的爆发使得石油价格不断上涨，人类对能源的需求也更加紧迫，引发了人 们对传统能源的高效利用 和对新能源的开发，因此展开了地源热泵应用技术的深入研究。欧洲也重新投 入地源热泵技术的研究利用中，并先后召开 5次大型国际学术会议。其中发展最快的是瑞典 9,短短几 年内就安装了 1000多套地源热泵装置。冰岛也在雷克雅未克铺设了埋管管道，全长 370英里共建立了 10个自动化热水站，其中1个区的热水和暖气供应来自地源热泵系统，每年可节约几十亿冰岛克朗
31、开 支。 1977年，美国开始深入研究地源热泵系统，并得到政府相关部门的大力支持与鼓励。资料表明， 美国几乎所有地源热泵的相关研究都基于能源部的资助，由美国 ORNL(橡树岭 )、 BNL(布鲁克海文 ） 等 国家重点实验室和多所大学进行相关研究。此后，地源热泵系统在设计和安装等方面的问题逐步得到解 决，也积累了大量的实践经验。同时期，美国开始致力于多种地源热泵技术研究，主要包括埋管换热器 形式、传热特性以及土壤热物性等研究工作。地源热泵系统进入了大规模推广应用阶段，相关理论分析 及实验研究不断得到改进，完成了地源热泵系统数值模拟和实验验证的大部分研究工作。 20世纪末至 21世纪初期，地源热
32、泵在欧洲和北美得到迅速普及 。 1990 1996年，加拿大家用 地源热泵以每年 20%的 销量增速而处于各种热泵系统的首位。在德国， 20世纪 80年代后期地源热泵系 地源热泵系统优化设计及经济性分析 统占所有热泵形式的比例还不到 30%, 1996年已大幅度提升到 78%, 2001年至 2002年期间，德国的 建筑市场因受经济危机的影响大幅度减少，但地源热泵系统项目仍呈现出较稳定的増长状态，到 2002 年，德国地源热泵系统占所有热泵形式的比例提升已至 82%11。 1998年，瑞士成为世界上地源热泵系 统应用人均比例最高的国家，地源热泵系统占所有热泵形式的 70%以上。美国的地源热泵发
33、展也很迅 速， 1994年至 1995年间地源热泵系统应用比例从 18%迅速增长到 30%11。 2000年的调查数据表明 12， 美国是地源热栗普及最高的国家，全国安装总负荷为 480万 kW,约占世界总安装量的 68%。其中竖直 埋管换热器形式占总安装量的 46%,据美国地源热泵联合会统计，美国地源热泵的使用在以 10%每年 的速度快速増长。 1994年，美国能源部 （ DOE)、 环保署、自然乡村电力合作社 （ NREC)、 艾迪逊电力研究所 （ EPRI) 以及众多地源热泵厂家组成了美国地源热泵协会，并与相关大学实验室、研究所合作，建立地源热泵系 统研究项目，努力为地源热泵系统提供一个可持续发展的市场。欧美国家地源热泵系统方面的相关科技 工作者的联系也更加紧密，共同开展了与地源热泵相关环境问题更加深入的研究。 2005年，在世界地 热大会总结地源热泵系统的开发应用状况中指出，地源热泵的利用技术在短短 10年里已由 1995年的 13%发展到 2005年的 33.2%13，30个国家的平均増长速度大于 10%。 2009年，美国联邦政府开始推出 地源热泵系统相 关补贴政策，以年底税收抵扣形式给予总投资额 30%的补贴额度。该项政策将持续至 2011年底甚