本文是一篇土木工程论文，本文从节能服务公司角度出发运用Fluent软件，具体分析了钻井间距、钻井深度以及进口流速对埋管进出口温差、土壤温度和埋管换热量的影响。结果表明，钻井间距为5m-6m时，两井之间的冷堆积现象基本消失，说明5m-6m的钻井间距可以满足埋管的换热需求；
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着人们生活水平的提高以及世界经济的快速发展，人们对于能源的需求越来越高，可整个地球的能源是有限的，因此能源危机成为世界各国需要共同解决的问题。随着化石能源总量逐渐降低，经济的发展速度也逐渐变缓下来[1]。为了摆脱传统能源的掣肘，世界能源发展战略逐渐向绿色能源转变。与发达国家相比，尽管我国是一个发展中国家，但能源消耗却比发达国家更大。因此，我国的经济发展离不开节能技术的发展。
近年来，为实现节能减排和环境保护的各种绿色建筑技术，其主要的技术手段基本都是利用可再生能源替代传统化石能源。由图1-1可见，我国的建筑能耗呈逐年上升的趋势[2]，而能耗的提升也带来了比较严重的环境污染问题。目前，与西方世界相比，我国单位建筑面积采暖能耗还有很大的降低空间，而且人们对于室内舒适度的要求也会随经济的发展越来越高。因此，空调的使用量和利用率也将逐渐增高，即空调系统能耗在建筑能耗中所占的比例将越来越高。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 地源热泵技术国内外研究现状
地源热泵这一概念最早出现在1912年瑞士的一篇专利的申请里[10]。而由地热供暖的系统在16年后的1928年才由冰岛人第一次建立。在地源热泵概念提出的前几十年中并没有得到重视，地源热泵技术的大范围使用其实是在能源危机之后。在第二次世界大战结束之后，地源热泵技术在美国得到广泛利用并开展了一系列的研究。最早期的地源热泵研究由于当时的能源价格较低所以进展的比较缓慢，并且研究主要集中在地埋换热器的形式、埋管的影响因素、土壤的换热特性等方面[11]。第一次能源危机后，人们意识到能源的紧迫性，对传统化石能源进行相关研究的同时也开始开发新的能源利用方式。因此，地源热泵技术重新回到人们的视野之中。特别是欧洲国家，在70年代末瑞典就已经率先安装了数千套地源热泵系统用于节能[12]。80年代初，以美国为代表的北美国家开始加入地源热泵技术的研究，由此地源热泵技术逐渐趋于成熟。90年代后，越来越多的国家将地源热泵技术应用于实际工程中，并且制定了一系列鼓励政策刺激地源热泵的使用，进一步促进了它的研究进展。根据世界地热大会的数据，2015年地源热泵的使用量是2010年的2.62倍; 同时地源热泵的设备容量也比2010年增长了1.51倍[13]。这说明地源热泵技术已经进入了一个发展的新阶段[14]。
国内地源热泵技术的发展，最初由天津大学开展热泵技术的研究工作。到20世纪80年代，地源热泵技术主要集中在各个大学进行研究与试验，同时，国家也将地源热泵技术的发展列入可再生能源和新能源产业发展十五规划[15]。在80年代末，经过重重努力首个地源热泵系统性能检测台由天津商学院落成。在这之后，山东建筑工程学院也建成国内第一台地源热泵系统试验台，由此完成了一系列研究的工作。进入20世纪90年代后，地源热泵的研究工作加入了越来越多的新鲜血液，进一步促进了地源热泵的研究进展。1995年到1997年，针对发展可再生能源以及提高能源利用效率，我国相继签订了一系列协定[16]。这些协定的颁布说明我国地源热泵技术的发展已经进入了一个新的阶段。
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第2章 合同能源管理概述与流程分析
2.1 合同能源管理概述
2.1.1 合同能源管理定义
合同能源管理，简称EPC(Energy Performance Contracting)兴起于上世纪70年代能源危机时期，其主要目的是为了开发节能市场、降低能源的使用量，是一种节能改造机制。其定义为：“节能服务公司与用能单位在签订合同后，由节能服务公司提供相应节能技术以此达到约定的节能量，而用能单位则以项目产生的节能效益作为利润支付给节能服务公司[35]。”
合同能源管理的实质是以项目中节约的能源费来支付项目改造的投资费用。在合同期内，用能单位能够以项目改造产生的节能效益给现有的设备升级、降低运行费用，并且项目中所需设备、相关的技术以及后期的运行管理等一系列服务均由节能服务公司提供，同时在项目建设过程中产生的风险基本上都是由节能服务公司承担的[36]。通过EPC模式，用能企业能够降低运行成本，而节能服务公司通过项目改造获取一定的利润，双方在合同签订的年限内达到一个共赢的局面。
2.1.2 节能服务公司定义
节能服务公司，简称ESCO(Energy Services Company)是一种基于合同能源管理机制运行的公司[37]。在与用能单位签订合同后，ESCO向用能单位提供能耗诊断、项目改造方案和运营管理方案，同时确保项目建成后的节能效果。通过与用能单位分享项目的节能效益或承诺项目的节能效益，为用能企业提供服务。其节能服务产业主要是为客户提供一系列的节能服务，而并非是销售具体的产品，这是由它自身所具备的特殊性决定的。
ESCO积极主动的在市场上寻找具备节能潜力的用户，并为用户提供项目资金，这是其运行的关键。其在资金上的“零投入”保证了用能单位的积极性，同时节能服务公司提供的先进设备，成熟的施工技术、运行管理为用能单位保证了节能的效益。 “十二五”期间，我国的节能服务产业处于一个快速发展阶段，节能服务产值一直处于上升的趋势中，年均增长率约为30%。
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2.2 合同能源管理于地源热泵项目中的运作流程
在分析国内外EPC项目实施经验和运营流程的基础上，对EPC应用于地源热泵项目的具体流程进行分析。一般而言，将EPC运用在地源热泵工程中，其具体操作流程一般如下：首先与用能单位进行项目洽谈，对双方的运营以及诚信情况进行了解；接着由节能服务公司对用能单位的用能系统进行能源审计以及节能量估算，在用能单位同意的情况下签署节能项目建议书；然后由ESCO对用能单位的用能系统进行分析：能源审计、项目方案设计、合同商议与签订、融资、设备的采购、安装与调试、运行管理维护、节能量检测。
将EPC模式应用于地源热泵项目开始前，由节能服务公司对项目建筑的围护结构性能进行检测，确定其满足规范要求，并对当地地质条件进行详细勘测，确定其土壤是否具备埋设地埋管的条件。在确定项目具备应用地源热泵系统条件后，由节能服务公司对建筑进行能耗评估，确定项目中具备的节能量。完成能耗评估后，由节能服务公司对地源热泵系统进行设计，确保系统在使用寿命中保持高效运行。方案设计完成后，若用能单位同意该方案，双方签订合同。
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第3章 EPC模式在地源热泵系统中的应用分析 ................................ 15
3.1 项目概况 ...................................... 15
3.2 地源热泵系统适用性分析 .......................................... 15
3.3 DeST软件介绍 ......................................... 18
第4章 地埋管数值模型建立 ............................... 23
4.1 埋管换热器与土壤的换热 .................................. 23
4.2 软件简介 ...................................... 24
4.3 模型建立 ............................. 24
第5章 EPC模式下地埋管的传热分析 .......................... 35
5.1 钻井深度对埋管换热的影响 .............................. 35
5.1.1 钻井深度对埋管出口温度的影响 ....................... 36
5.1.2 钻井深度对土壤温度的影响 ......................................... 37
第6章 EPC模式下地源热泵系统经济效益分析
6.1 地源热泵项目全寿命周期成本
对于项目中是否采用地源热泵系统，节能服务公司不仅要从系统的适用性上进行分析，更需要分析在项目中采用地源热泵系统其具体经济收益是多少，这意味着节能服务公司可从项目中获得收益的多寡。因此，本节从地源热泵的全寿命周期出发分析其具体经济效益。从第二章的内容分析可知，EPC模式在地源热泵系统中应用的关键因素是项目成本和经济效益。为全面分析EPC模式应用于地源热泵系统的成本和经济效益，本节通过分析项目的全寿命周期并结合实际案例对EPC节能项目进行评价。 地源热泵系统EPC节能项目的全寿命周期是指从项目开始实施到项目达到使用寿命再进行下一次节能改造之间所经历的时间[61]。
全寿命周期成本是指一个建筑或建筑系统在其整个生命周期内拥有、运行维护和拆除的折现货币价值。对于地源热泵项目应用EPC模式而言，其全寿命周期成本为项目在设计、施工、运行管理维护等各个阶段的成本之和[62]。
将地源热泵项目应用于建筑物中，需要保证地源热泵项目不会对建筑物的使用成本和使用年限产生影响。因此，地源热泵系统EPC节能项目的投资即为地源热泵项目的全寿命周期成本。
根据上文分析可知，地源热泵项目的全寿命周期成本主要包括以下几个部分：项目前期成本、项目建设成本、项目使用成本以及项目的拆除成本。
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结论
近年来随着化石能源的使用，其造成的环境问题亟待解决，因此为了解决这一问题，可再生能源应运而生。而地源热泵系统因其具备节能效益、环境效益以及使用场景多等一系列优点，目前使用较为广泛。但地源热泵在使用过程中也暴露了设计不合理、施工不标准、运行维护不规范等一系列问题，而在项目中应用EPC模式可以通过节能服务公司提供专业团队解决或者减弱这些影响，因此为了避免这一系列问题，可将EPC模式应用于地源热泵项目。为了分析EPC模式如何应用于地源热泵项目，本文主要从节能服务公司角度对项目可行性、地埋管的初步设计以及经济性进行分析，得出结论如下：
(1) 对河北石家庄某高校图书馆项目建筑进行围护结构性能检测以及土壤热响应实验可以发现，对于该项目中应用地源热泵系统其具备较好的适用性。同时，通过DeS T模拟建筑负荷也可以发现，项目建筑的夏季负荷存在明显的间断性；而冬季负荷多处于一个稳定的水平。并且建筑物所在地有明显的空调过渡季节，因此这对土壤温度的恢复和地源热泵系统的稳定运行是一个比较有利的条件。
(2) 为保证系统运行效率以及合同双方的收益，节能服务公司在进行设计时，利用模拟软件对地埋管进行一系列的数值分析，可以避免地源热泵系统在设计上的不合理。在充分调研当地地质水文条件以及分析土壤热物性条件的前提下，对地埋管进行设计，是地源热泵系统设计的关键。本文从节能服务公司角度出发运用Fluent软件，具体分析了钻井间距、钻井深度以及进口流速对埋管进出口温差、土壤温度和埋管换热量的影响。结果表明，钻井间距为5m-6m时，两井之间的冷堆积现象基本消失，说明5m-6m的钻井间距可以满足埋管的换热需求；钻井深度的增加可以提升埋管的换热效率，但当深度大于110m时，所带来的的提升非常有限。因此为减少投资，钻井深度可在100m-110m进行选取。而埋管进口流速在0.6m/s-0.8m/s时，既能保证进出口温差，又可以满足换热量的需求。
参考文献（略）