一、選題的依據(jù)及意義：

　　1.依據(jù)：

　　進入90年代后，我國的居住環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境都已廣泛地應用熱水供應裝置，熱水供應裝置已成為現(xiàn)代學校居住必備。90年代中期，由于大中城市電力供應緊張，供電部門開始重視需求管理及削峰填谷，熱泵供熱技術提到了議事日程。近年來，由于能源結(jié)構(gòu)的變化，促進了地源熱泵供熱機組的快速發(fā)展。

　　隨著生產(chǎn)和科技的不斷發(fā)展,人類對地源熱泵供熱技術也進行了一系列的改進,同時也在積極研究環(huán)保、節(jié)能的地源熱泵供熱產(chǎn)品和技術,現(xiàn)在利用成熟的電子技術來進行綜合的控制，并和太陽能結(jié)合更注意能源的綜合利用、節(jié)能、保護環(huán)境及趨向自然的舒適環(huán)境必然是今后發(fā)展的主題。

　　2.意義：

　　地源熱泵技術，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性,，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中,達到降溫或制冷的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時,它還可供應生活用水，可謂一舉三得，是一種有效地利用能源的方式。通常根據(jù)熱泵的熱源(heat source)和熱匯(heat sink)(冷源)的不同，主要分成三類：

　　空氣源熱泵系統(tǒng) ( air-source heat pump) ashp

　　水源熱泵系統(tǒng) (water- source heat pump) wshp

　　地源熱泵系統(tǒng) (ground- source heat pump)gshp

　　平時還有人把熱泵系統(tǒng)按照一次和二次介質(zhì)的不同，分別叫做：

　　空氣---水熱泵系統(tǒng)

　　水 --- 空氣熱泵系統(tǒng)

　　水 --- 水熱泵系統(tǒng)

　　空氣---空氣熱泵系統(tǒng)

　　這些都是把熱源、熱匯以及空調(diào)系統(tǒng)的傳遞介質(zhì)也包括進來分類形成的。

　　為了和國際標準接軌，我們還是應該依照國際慣例來命名。在1997年由美國的ashrae(美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會)統(tǒng)一了標準術語，無論是wshp、gshp都叫做gshp--地源熱泵系統(tǒng)。

　　另外，為了讓我們在學習和討論中更方便，介紹一些地源熱泵室外能量交換系統(tǒng)的概念：

　　土壤埋管系統(tǒng)----土壤換熱器(水平埋管、豎直埋管)

　　地下水系統(tǒng)

　　地表水系統(tǒng)

　　這些都是地源熱泵的熱源或熱匯形式。(具體參見下圖)

　　圖.1.1土壤換熱器(水平埋管)圖

　　圖.1.2土壤換熱器(豎直埋管)圖

　　圖.1.3 地表水系統(tǒng)圖

　　圖.1.4 地下水系統(tǒng)圖

　　二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　1. 地源熱泵的發(fā)展歷史

　　地源熱泵是一種先進的技術，它高效、節(jié)能、環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展。這項技術最先開始于1912年，瑞士zoelly提出了“地熱源熱泵”的概念。1946年美國開始對地源熱泵進行系統(tǒng)研究，在俄勒岡州建成第一個地源熱泵系統(tǒng)，運行很成功，由此掀起了地源熱泵系統(tǒng)在美國的商用高潮。1985年美國安裝地源熱泵14000臺，1997年則安裝了45000臺，目前已安裝了400000臺以上的地源熱泵，并且以每年10%的速度遞長。1998年美國商用建筑的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)占到空調(diào)保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。在歐洲國家里更多的是利用淺層地熱資源，來供熱或者取暖。上個世紀70年代以來,隨著能源和環(huán)境問題的逐漸變得嚴重,在各個方面節(jié)能也被更多的考慮，以可再生的地熱源為能源的地源熱泵又引起了人們的重視。尤其是近年來,隨著能源和環(huán)境問題的日益突出,地源熱泵的研究和應用發(fā)展迅速,國內(nèi)外的很多高校和研究機構(gòu)相繼開展了理論和實際應用方面的研究。隨著研究的深入，我們的地源熱泵研究工作者在全國范圍內(nèi)舉行了各種交流探討會。中國制冷學會第二專業(yè)委員會主辦了“全國余熱制冷與熱泵技術學術會議”;1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應用與發(fā)展問題專家研討會”;中國能源研究會地熱專業(yè)委員會于1994年9月6日至8日在北京召開了第四次全國地熱能開發(fā)利用研討會;從90年代開始，每屆全國暖通制冷學術年會上都有“熱泵應用”的專題;XX年6月19～23日，中美地源熱泵技術交流會在北京召開，會議介紹了地源熱泵技術，國外的應用狀況和在中國的推廣;山東建筑工程學院地源熱泵研究所與山東建筑學會熱能動力專業(yè)委員會聯(lián)合發(fā)起并承辦“國際地源熱泵新技術報告會”于XX年3月17日在山東建筑工程學院舉行，加強了國內(nèi)外地源熱泵先進技術的交流。

　　2.地源熱泵在中國的發(fā)展現(xiàn)狀及前景：

　　目前在中國，地下水熱泵系統(tǒng)已開始廣泛使用，而土壤源熱泵系統(tǒng)尚處于研究機構(gòu)工程摸索和研究階段。

　　從有關調(diào)查來看，地下水熱泵工程真正成功的并不多。原因在于要實現(xiàn)100%的回灌，并回灌到同一含水層，不污染地下水，且能長時間穩(wěn)定運行，并不容易做到。同時，還出現(xiàn)了大量不進行回灌的熱泵工程，更有甚者，出現(xiàn)了直接利用地下水通入風機盤管內(nèi)進行空調(diào)。這樣做，一則污染水體，二則浪費水資源。

　　對于土壤源熱泵的發(fā)展主要是從1998年開始。國內(nèi)數(shù)家大學建立了土壤源熱泵實驗臺，且大多數(shù)進行了地下?lián)Q熱器與地面熱泵設備的長期聯(lián)合運行。其中1998年重慶建筑大學建設了包括淺埋豎埋管換熱器和水平埋管換熱器在內(nèi)的熱泵系統(tǒng);1998年青島建工學院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統(tǒng);湖南大學1998年建設了水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng);1999同濟大學建設了垂直土壤源熱泵系統(tǒng)。這些系統(tǒng)為中國推廣土壤源熱泵奠定了基礎。從XX年開始，在國內(nèi)長春、濟南、溫州、重慶、米泉建立了一系列土壤源熱泵系統(tǒng)的示范工程。土壤源熱泵系統(tǒng)越來越多的被房地產(chǎn)商所關注和采用。

　　鑒于國內(nèi)的國情和地源熱泵系統(tǒng)自身的特點，我們對其各自的前景作一分析。隨著地下水熱泵工程技術改進和規(guī)范化，由于其突出的節(jié)能和保護大氣環(huán)境的功能，還是存在著巨大的潛在的市場。水平埋管土壤源熱泵，雖然占地面積大，但靠地表換熱可以自然恢復地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區(qū)應用比較有優(yōu)勢。而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業(yè)安裝隊伍的發(fā)展，鉆孔設備的完善，勢必會使造價大幅度降低，無疑會成為今后最有競爭力空調(diào)方式。

　　三、本課題研究方案：

　　本課題屬于設計改造現(xiàn)有熱水系統(tǒng)，學校宿舍的熱水供應系統(tǒng)。在改造中應該充分考慮到：

　　1、 學生的定時供熱，需要的功率及系統(tǒng)響應時間問題。

　　2、 屬于改造系統(tǒng)，要和現(xiàn)有的系統(tǒng)相結(jié)合。

　　3、 考慮到成本問題，造價是否合理。

　　4、 在使用過程中維護的費用及技術的要求是否合理。

　　5、 運行的安全及噪音處理問題。

　　6、 廢物的處理及環(huán)保問題。

　　四、本課題研究的內(nèi)容：

　　廣西工學院北區(qū)5#的熱水供應改裝。

　　1、該大樓空調(diào)工程包括：

　　1-6層的熱水供應，所有宿舍。

　　2、設計參數(shù)：

　　每層有14個房間，每間8人，共6層。

　　3、柳州地區(qū)基本氣象參數(shù)：

　　根據(jù)物候報告，五月一號到十月一號之間為高溫區(qū)很少用熱水，寒假期間不用熱水

　　4、本課題具體研究內(nèi)容：

　　(1)、循環(huán)水換熱器的計算

　　(2)、土壤熱泵系統(tǒng)(gchp)的土壤換熱器設計

　　地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關鍵組成部分，是土壤源熱泵系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容，其選擇的形式是否合理，設計的是否正確，關系到整個地源熱泵系統(tǒng)能否滿足要求和正常使用。

　　地下埋管換熱器設計主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數(shù)目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等

　　(3)、布置型式

　　目前地源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種布置型式，即水平埋管和垂直埋管。選擇方式主要取決于場地大小、當?shù)赝寥李愋鸵约巴诰虺杀荆�如果場地足夠大且無堅硬巖石，則水平式較經(jīng)濟;如果場地面積有限時則采用垂直式布置，很多場合下這是唯一的選擇。

　　盡管水平布置通常是淺層埋管，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，故一般采用垂直埋管布置方式。

　　3.1 水平埋管

　　水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式，由于多層埋管的下層管處于一個較穩(wěn)定的溫度場，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應用多層管的較多。(單層管最佳深度1.2～2.0m，雙層管1.6～2.4m)

　　近年來國外又新開發(fā)了兩種水平埋管形式，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管。它們的優(yōu)點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。

　　3.2 垂直埋管

　　根據(jù)埋管形式的不同，一般有單u 形管，雙u 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式;按埋設深度不同分為淺埋(≤30m)、中埋(31～80m)和深埋(>80m)。

　　1)u 形管型：是在鉆孔的管井內(nèi)安裝u 形管，一般管井直徑為100～150mm，井深10~200m，u 形管徑一般在φ50mm 以下

　　2)套管式換熱器：的外管直徑一般為100～200mm，內(nèi)管為φ15～φ25mm。其換熱效率較u 形管提高16.7%。