1 绪 论
1.1 课题背景
1.1.1 潜在的能源危机及其对策能源的重要性
不言而喻，离开了能源人类生存和发展将无从谈起[1]。煤炭、天然气、石油等化石能源与核裂变能的广泛应用支撑着世界经济的快速发展，世界经济是一种建立在化石能源基础之上的经济。 但是，这一经济资源载体已持续不起多久，它将在本世纪上半叶消耗殆尽。经科学家综合估算，可支配的石油能源大约为 1180～1510 亿吨，按照 1995 年的年开采量 33.2 亿吨进行计算，石油可能会在 2050 年左右终结。天然气储量大约为 131800～152900 兆立方米，按年开采量 2300 兆立方米估算，天然气将在 57～65 年内枯竭。按照年开采量为 33 亿吨进行计算，煤也将在 170 年后枯竭。目前，铀的年开采量为每年 6 万吨， 1993 年世界能源委员会对其进行了估计，铀可维持到 21 世纪 30 年代中期。目前， 核反应堆都是核裂变，核聚变的实现还遥遥无期。据专家推测，原料链条与化石能源的中断，将会对世界经济和政治产生深远影响。近年来，非洲与中东、海湾地区之间的冲突都是由化石能源的重新配置与分配而引发[2]。
目前，绝大部分国家对能源供应都十分担忧，努力寻找稳定充足的能源供应是绝大部分国家的重要战略决策[3]。节约传统能源和开发可再生能源是战胜当前能源危机的根本途径。作为发展最为迅猛的发展中国家和能源使用大户[4]，能源问题始终是我国十分重视的课题，我国将能源问题视为国家经济发展中首要解决的问题之一。节能一直是科技部和建设部从“九五”到“十五”课题中主要研究内容之一； 节能在“十一五”攻关课题中被提到了更加重要的位置，其重要性更加明显。在中华人民共和国的历史上，国家第四代领导核心从领导层面发出了节能的号召[5]。大力开发清洁而可靠的可再生能源是保证我国能源安全和缓解排放压力的重要举措[6]。可再生能源的开发，我国十分重视。2005 年 2 月 28 日，《中华人民共和国可再生能源法》在第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议被审议通过，《可再生能源法》从 2006 年 1 月 1 日开始施行。2009 年底，第十一届全国人大常委会第十二次会议做出了修改《可再生能源法》的决定。修改后的《可再生能源法》于 2010 年 4 月 1 日开始实施。2007 年，国家发改委发布了《可再生能源中长期发展规划》，明确提出逐步提高可再生能源在能源结构中的比例，力争到 2010 年使可再生能源消费量达到能源消费总量的 10％，到 2020 年达到 15％。2008 年，国家发改委又发布了《“十一五”可再生能源发展规划》。目前，可再生能源在能源结构中的比例在提高，但其所占份额较低，仍处于补充位置[6]。
1.1.2 地源热泵的优势
从不同的角度分析，地源热泵有多种优势，但总结起来有以下几点[7]:
① 属于可再生能源技术地源热泵
通过地埋管换热器提取浅层地热能， 而浅层地热能来自于太阳能，理论上来说它永不枯竭。地源热泵充分利用岩土的蓄热性能，冬季通过热泵将大地中的低位热能提升用于供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移至地下实现对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，这一定程度上保证了大地热量的平衡，利于长期利用。
② 节能效果显著
相对于空气源热泵，地源热泵系统运行效率要得高得多，地源热泵系统制冷、制热系数可达 3.5～4.4，比空气源热泵高 40%左右，其运行费用约为普通中央空调的 50～60%。由于即使在冬季，地源热泵系统也无需除霜，因此相对于空气源热泵系统则能减少大约 13%的除霜能耗。锅炉供热最多能将 90%以上的电能或 70～90%的燃料内能有效利用，因而相对对锅炉供热系统，地源热泵要比电热锅炉节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量。
③ 环境效益明显
冬季供暖和供应生活热水时，无需燃烧设备，既不存在使用锅炉时的污染物排放，也不存在爆炸、燃烧的隐患。④ 一机多用，适用范围广地源热泵系统可以集制冷、采暖、生活热水于一体，能为办公楼、宾馆、医院、饭店、商店、超市、别墅、居民小区、幼儿园等各类建筑物提供冷暖两用空调系统，且可同时无需外加其它设备就能提供生活热水。可用于新建工程或扩建、改建工程，可逐步分期施工；从严寒地区至热带地区均可适用。
1.1.3 地源热泵在我国的相关发展政策
我国极其重视发展地源热泵技术，相继出台了多项鼓励发展地源热泵的政策和法规。《GB50189-2005 公共建筑节能设计标准》中明确指出，地源热泵是一种以低位热能作能源的热泵机组，可利用地表岩土体或地表水作为热源供暖和供冷，其性能系数高，是目前最为节能的一种供冷、供热方式。在“空气调节与采暖的冷热源”条款中更为明确地提出具有天然水资源或地热可供利用时、宜采用水（地）源热泵供冷、供热技术。地源热泵在我国的相关发展政策[8]列举如下:
2 三下一上岩土换热器的设计思路与方法
2.1 设计思路
2.1.1 岩土换热器热阻分析
实际工程中在处理单个钻孔中地埋管与岩土层之间的传热问题时，一般按两部分进行处理，一部分是钻孔内的换热，另一部分是钻孔壁面至外部岩土之间的换热。
①钻孔内热阻
此处的钻孔内热阻的分析是在对出水管进行保温(相关分析详见 2.1.3)，出水管为绝热的条件进行的。下面将以竖直埋管地源热泵系统中常用的单 U 型地埋管为例，对钻孔内热阻进行分析。工程中一般忽略地埋管管壁与回填材料之间的接触热阻、回填材料与孔壁之间的接触热阻，所以钻孔内热阻主要由流动介质与地埋管内壁的对流换热热阻、地埋管的管壁热阻、钻孔灌浆回填材料热阻组成。
3 换热模型 ..............................32
3.1 理论模型............................32
3.2 数值解模型.........................39
3.3 数值模型的验证与分析..................44
3.4 本章小结.........................48
4 实验方案制定与实验台搭建 .......................52
4.1 实验方案制定.................52
4.2 实验台搭建....................55
4.3 地埋管换热系统施工...................59
4.4 本章小结..................67
5 实验过程与数据处理 ...................70
5.1 实验过程.....................70
5.2 误差分析....................71
5.3 理论分析与实验对比 ......................72
5.4 本章小结.....................73
结论
本文通过理论分析、实验研究、数值模拟三种研究手段，将三下一上岩土换热器与单 U、双 U 进行了对比、分析研究了各换热影响因素对三下一上岩土换热器换热性能的影响、探索了夏季工况下地埋管换热器出水温度以及负荷痕迹变化规律，主要得到以下几方面的结论。
8.1.1 三种换热器之间的对比
①在本文的计算条件下钻孔内热阻在总热阻所占比例为 48.48%～58.68%，运行时间越长，孔内热阻的比重越低；三下一上岩土换热器的热阻明显低于单 U、双 U 换热器，运行时间越长，三种换热器热阻之间的差别就越小。在不同功能建筑中三下一上岩土换热器的热阻小的优势有一定差异，其中在办公建筑中优势最为明显。在本文的计算条件下，当运行时间为 1～90 天时，在办公建筑中三下一上岩土换热器与双 U埋管换热器分别是单 U 换热器的 59.16%～64.55%、71.41%～75.18%，在商场建筑中则分别是 59.16%～68.76%、71.41%～78.13%，在宾馆建筑中则分别是 59.16%～73.94%、71.41%～81.76%。
②三下一上换热器的换热性能优于双 U、单 U 的换热性能，这种优势随着运行时间的增长而逐渐变弱。在本次实验中，在节能状态运行三下一上换热器的单位孔深换热量相于双 U 换热器提高了 9.12%，相对于单 U 提高了 25.01%。
参考文献：
[1] 李晅煜,赵涛.我国能源系统发展现状分析[J].中国农机化,2009,(6):52-55.
[2] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3] 余鑫,王如竹,翟晓强.竖直埋管地源热泵系统研究进展[J].暖通空调,2010,40(2):1-9.
[4] 王宁.节能、节地、节水、节材[J].城乡建设,2005,(5): 7-13.
[5] 孙克放,董哗.节能省地型住宅全方位发展[J].城市开发,2005,(2): 14-15.
[6] 国务院发展研究生中心课题组.我国可再生能源发展现状与政策取向[J].发展研究,2009.
[7] 王勇.动态负荷下地源热泵性能研究[D].重庆:重庆大学博士学位论文,2006.
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[10] 韩春福 , 丁旭 . 土壤源热泵埋管换热器形式及传热模型的分析 [J]. 沈阳大学学报,2009,21(6):16-19.