本文是一篇建筑工程管理论文，课题对地源热泵系统和太阳能耦合地源热泵系统开展了对比性研究，对比不同影响因素下埋管换热器的换热性能。通过 GAMBIT 建立地埋管模型，利用石家庄市某高校地源热泵系统的热响应试验，验证模型精度，建立准确度较高的模型。分别模拟两种系统运行工况下不同的影响因素，对比分析不同模拟过程下的地埋管换热器的换热性能。
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
随着时代逐渐变化，能源转为我们生活中的必需品[1]。能源需求量逐年增长，这会导致世界的能源储备逐渐枯竭、影响社会发展速度[2]。除此之外，全球一次能源利用结构中，大部分为化石能源[3]（见图 1-1）。一次能源消费结构中的煤炭占比接近三分之一[4]，社会依靠化石能源飞速发展。大量使用煤炭、原油等化石能源会给环境带来无法逆转的损害，使用过程中排放的温室气体还会引发全球变暖危机。而在我国的能源结构中清洁能源占据的比例较低，只有 15%，远远不如其他发达国家（见图 1-2）。
图 1-1 2016 年全球一次能源消费结构 图 1-2 2016 年中国一次能源消费结构
大量化石能源的利用会对我们的环境造成很严重的危害，也会减少能源的储备。世界上各个国家都出台了各种政策来控制化石能源的使用，通过经济刺激促进可再生能源的利用。可再生能源种类非常的广泛，可以运用在生活中的很多地方[5]，受到各国政策的鼓励，可再生能源飞速发展，世界上各个国家都开始利用可再生能源。
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1.2 研究目的
近年来，房地产开始蓬勃发展，新建的建筑物面积逐年递增。这不仅是我国房地产行业的机会，也是国家进行能源改革的机会。要想走经济可持续发展的道路，就必须要大力推广绿色建筑。利用可再生能源可以有效缓解能源消耗的压力[13]，我们应该将更多的注意力放在那些更加环保、分布更加广泛的能源上面。只有如此，我们才能减少能源耗量，保护我们的自然环境与生态和谐。
我国土地资源丰富，土壤中蕴含了大量的地热能。15 米以下的土层温度恒定，与全年平均气温相等，冬季、夏季时土壤温度也不会有太大的浮动。浅层地热能储量充足，使用过程清洁，无污染物排放，可以在一定时间后恢复。通过地源热泵技术实现地热能的利用，不但满足了建筑物冬季供暖、夏季制冷的需求，还节能减排，有益于环境保护。世界上许多国家的热泵技术发展的较为成熟，而我国的热泵技术起步较晚，有些问题仍然需要进一步的研究。
热泵[14]系统较为常见，多分为地源热泵、水源热泵、空气源热泵等[15]，通过可再生能源进行供热。考虑到占地面积和自然天气的影响，地源热泵系统在我国较为常见，是一种清洁的供暖方式。土壤源热泵分为水平地埋管热泵系统和垂直式地埋管热泵系统。
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第 2 章 地源热泵系统
2.1 地源热泵系统概述
地源热泵系统由两个部分组成[43]，热泵机房和末端在地上布置，与常规水源热泵系统[44]相类似；地埋管换热器布置在地下。通过埋管换热器与热泵机组的连接，然后在系统中注入水作为介质，通过液体的循环从土壤中取热或放热。（见图 2-1）
图 2-1 地源热泵工作原理
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2.2 耦合地源热泵系统概述
太阳能季节性蓄热系统是地热能与太阳能耦合作用，共同为建筑供暖、制冷。地埋管系统是热泵系统中较为重要的一部分，通过土壤中原始储存的热量与系统进行换热。土壤自身导热系数较低，具有热惰性，可以储存太阳能。北方部分地区的冷热负荷差异较大，热泵系统常年运行会使土壤出现热不平衡现象。为了缓解这种因冷热负荷不同导致的热失衡现象，就需要通过辅助设备缓解。太阳能季节性蓄热就是以土壤为载体，将通过太阳能蓄热后的液体注入土壤中，这部分热量就会储存在土壤中，与建筑物进行换热。
2.2.1 工作机理
太阳能季节性蓄热系统主要是地源与太阳能共同作用，基于地源热泵系统进行设计。地埋管系统是热泵系统中较为重要的一部分，通过土壤中原始储存的热量与系统进行换热。土壤自身导热系数较低，具有热惰性，可以储存太阳能。北方地区的冷热负荷差异非常大，热泵系统常年运行会使土壤出现热不平衡现象。为了缓解这种因冷热负荷不同导致的热失衡现象，就需要通过辅助设备缓解。太阳能季节性蓄热就是以土壤为载体，将太阳能蓄热后的高温液体注入土壤中，这部分热量就会被储存在大地中，与建筑物进行换热。
该系统主要可以分为三部分：（1） 太阳能集热系统 收集太阳能通过板式换热器加热水箱热水；（2） 蓄热部分 通过地埋管与为土壤蓄热；（3） 地源热泵系统 通过地埋管系统与热泵机组进行换热；（4） 热用户部分 通过不同的末端装置为建筑供热或制冷[45]。
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第 3 章 土壤热响应试验···························13
3.1 测试原理·································13
3.2 测试方法简介······························13
第 4 章 地埋管土壤换热器的模拟研究·························· 19
4.1 相关 CFD 软件介绍························· 19
4.2 离散化数值解模型··························19
第 5 章 模拟结果分析·······················27
5.1 改变钻孔间距··························27
5.1.1 土壤-49.5m 处的温度分布······················27
5.1.2 土壤表面温度分布散点图····························· 28
第 6 章 地源热泵系统实际测量与分析
6.1 实际测量
本文以远离市区的某高校大型图书馆地源热泵系统为研究对象，其占地面积为2.7 万 m2，建筑面积约为 4.9 万 m2，采用三台 RTWH 螺杆式水源热泵机组，标准制冷量 1615.3KW，，标准制热量 1715.7KW。在 2019-2020 年供暖季对热泵机组系统的能耗及能效进行了测试。热泵机房主要设备见表 6-1。
表 6-1 机房内主要设备
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结论
近年来我国化石能源使用对环境造成了严重的污染，为解决这一问题，可再生能源开始出现在我们的视野中。地源热泵系统通过利用地热能为建筑物供热制冷，减少污染物排放量，但是长期运行会导致土壤热失衡，降低换热效率。通过太阳能储热技术于地源热泵系统耦合，可以有效缓解地热不平衡现象，但是会增加系统投资和运行费用。本课题对地源热泵系统和太阳能耦合地源热泵系统开展了对比性研究，对比不同影响因素下埋管换热器的换热性能。
通过 GAMBIT 建立地埋管模型，利用石家庄市某高校地源热泵系统的热响应试验，验证模型精度，建立准确度较高的模型。分别模拟两种系统运行工况下不同的影响因素，对比分析不同模拟过程下的地埋管换热器的换热性能，得到以下结论：
（1）模拟 4m、4.6m、5.2m 钻孔间距下的换热性能，得到埋管间距增大，将减小地源热泵系统和地源热泵系统换热量差异，有利于系统运行。
（2）模拟不同回填土材料下的换热性能，得到沙土的换热性能最佳，地源热泵系统的温度变化速率高于太阳能耦合地源热泵系统，将减小两系统换热量差距。
（3）模拟不同流速时的换热性能，得到 0.2m·s-1时的换热性能最佳，得到地源热泵系统的变化率高于耦合式地源热泵系统，并且流速增加有利于地埋管蓄热。
（4）地埋管间距、回填材料与入口流速达到最佳时，地源热泵系统与耦合地源热泵系统的换热量差距在 30%以内，该结论为大型建筑物选择供热系统提供指导。
（5）测量实际地源热泵系统运行一年参数，得到该系统运行效率良好，室内温湿度符合人体指标，节约标煤 1131t，该地源热泵系统可以满足大型建筑物供暖需求。
（6）大型建筑物供热系统应优先采用地源热泵系统而非太阳能耦合地源热泵系统，该研究结果对于大型建筑物供暖系统的选择提供了依据。
参考文献（略）
