一、選題的依據(jù)及意義：
1．依據(jù)：
進(jìn)入90年代后，我國(guó)的居住環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境都已廣泛地應(yīng)用熱水供應(yīng)裝置，熱水供應(yīng)裝置已成為現(xiàn)代學(xué)校居住必備。90年代中期，由于大中城市電力供應(yīng)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(shù)提到了議事日程。近年來，由于能源結(jié)構(gòu)的變化，促進(jìn)了地源熱泵供熱機(jī)組的快速發(fā)展。
隨著生產(chǎn)和科技的不斷發(fā)展,人類對(duì)地源熱泵供熱技術(shù)也進(jìn)行了一系列的改進(jìn),同時(shí)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(shù),現(xiàn)在利用成熟的電子技術(shù)來進(jìn)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(hù)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(shù)，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對(duì)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(dá)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(shí),它還可供應(yīng)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(shí)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(jìn)來分類形成的。
為了和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，我們還是應(yīng)該依照國(guó)際慣例來命名。在1997年由美國(guó)的ashrae（美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)）統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語，無論是wshp、gshp都叫做gshp--地源熱泵系統(tǒng)。
另外，為了讓我們?cè)趯W(xué)習(xí)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1. 地源熱泵的發(fā)展歷史
地源熱泵是一種先進(jìn)的技術(shù)，它高效、節(jié)能、環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)最先開始于1912年，瑞士zoelly提出了“地?zé)嵩礋岜谩钡母拍睢?946年美國(guó)開始對(duì)地源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)研究，在俄勒岡州建成第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行很成功，由此掀起了地源熱泵系統(tǒng)在美國(guó)的商用高潮。1985年美國(guó)安裝地源熱泵14000臺(tái)，1997年則安裝了45000臺(tái)，目前已安裝了400000臺(tái)以上的地源熱泵，并且以每年10％的速度遞長(zhǎng)。1998年美國(guó)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(guó)家里更多的是利用淺層地?zé)豳Y源，來供熱或者取暖。上個(gè)世紀(jì)70年代以來,隨著能源和環(huán)境問題的逐漸變得嚴(yán)重,在各個(gè)方面節(jié)能也被更多的考慮，以可再生的地?zé)嵩礊槟茉吹牡卦礋岜糜忠�起了人們的重視。尤其是近年�?隨著能源和環(huán)境問題的日益突出,地源熱泵的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速,國(guó)內(nèi)外的很多高校和研究機(jī)構(gòu)相繼開展了理論和實(shí)際應(yīng)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(guó)范圍內(nèi)舉行了各種交流探討會(huì)。中國(guó)制冷學(xué)會(huì)第二專業(yè)委員會(huì)主辦了“全國(guó)余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”；1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國(guó)應(yīng)用與發(fā)展問題專家研討會(huì)”；中國(guó)能源研究會(huì)地?zé)釋�業(yè)委員會(huì)于1994年9月6日至8日在北京召開了第四次全國(guó)地?zé)崮荛_發(fā)利用研討會(huì)；從90年代開始，每屆全國(guó)暖通制冷學(xué)術(shù)年會(huì)上都有“熱泵應(yīng)用”的專題；XX年6月19～23日，中美地源熱泵技術(shù)交流會(huì)在北京召開，會(huì)議介紹了地源熱泵技術(shù)，國(guó)外的應(yīng)用狀況和在中國(guó)的推廣；山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所與山東建筑學(xué)會(huì)熱能動(dòng)力專業(yè)委員會(huì)聯(lián)合發(fā)起并承辦“國(guó)際地源熱泵新技術(shù)報(bào)告會(huì)”于XX年3月17日在山東建筑工程學(xué)院舉行，加強(qiáng)了國(guó)內(nèi)外地源熱泵先進(jìn)技術(shù)的交流。
2．地源熱泵在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景：
目前在中國(guó)，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(jī)構(gòu)工程摸索和研究階段。
從有關(guān)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(shí)現(xiàn)100%的回灌，并回灌到同一含水層，不污染地下水，且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并不容易做到。同時(shí)，還出現(xiàn)了大量不進(jìn)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(fēng)機(jī)盤管內(nèi)進(jìn)行空調(diào)。這樣做，一則污染水體，二則浪費(fèi)水資源。
對(duì)于土壤源熱泵的發(fā)展主要是從1998年開始。國(guó)內(nèi)數(shù)家大學(xué)建立了土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，且大多數(shù)進(jìn)行了地下?lián)Q熱器與地面熱泵設(shè)備的長(zhǎng)期聯(lián)合運(yùn)行。其中1998年重慶建筑大學(xué)建設(shè)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(xué)院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統(tǒng)；湖南大學(xué)1998年建設(shè)了水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng)；1999同濟(jì)大學(xué)建設(shè)了垂直土壤源熱泵系統(tǒng)。這些系統(tǒng)為中國(guó)推廣土壤源熱泵奠定了基礎(chǔ)。從XX年開始，在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春、濟(jì)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(guān)注和采用。
(1)(2)
鑒于國(guó)內(nèi)的國(guó)情和地源熱泵系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，我們對(duì)其各自的前景作一分析。隨著地下水熱泵工程技術(shù)改進(jìn)和規(guī)范化，由于其突出的節(jié)能和保護(hù)大氣環(huán)境的功能，還是存在著巨大的潛在的市場(chǎng)。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(fù)地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區(qū)應(yīng)用比較有優(yōu)勢(shì)。而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業(yè)安裝隊(duì)伍的發(fā)展，鉆孔設(shè)備的完善，勢(shì)必會(huì)使造價(jià)大幅度降低，無疑會(huì)成為今后最有競(jìng)爭(zhēng)力空調(diào)方式。
三、本課題研究方案：
本課題屬于設(shè)計(jì)改造現(xiàn)有熱水系統(tǒng)，學(xué)校宿舍的熱水供應(yīng)系統(tǒng)。在改造中應(yīng)該充分考慮到：
1、 學(xué)生的定時(shí)供熱，需要的功率及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)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(jià)是否合理。
4、 在使用過程中維護(hù)的費(fèi)用及技術(shù)的要求是否合理。
5、 運(yùn)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(xué)院北區(qū)5#的熱水供應(yīng)改裝。
1、該大樓空調(diào)工程包括：
1-6層的熱水供應(yīng)，所有宿舍。
2、設(shè)計(jì)參數(shù)：
每層有14個(gè)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(bào)告，五月一號(hào)到十月一號(hào)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?jī)?nèi)容：
（1）、循環(huán)水換熱器的計(jì)算
（2）、土壤熱泵系統(tǒng)（gchp）的土壤換熱器設(shè)計(jì)
地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，其選擇的形式是否合理，設(shè)計(jì)的是否正確，關(guān)系到整個(gè)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(shè)計(jì)主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長(zhǎng)及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)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(chǎng)地大小、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约巴诰虺杀�，如果�?chǎng)地足夠大且無堅(jiān)硬巖石，則水平式較經(jīng)濟(jì)；如果場(chǎng)地面積有限時(shí)則采用垂直式布置，很多場(chǎng)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(huì)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(gè)較穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應(yīng)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(guó)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(diǎn)是使地溝長(zhǎng)度縮短，而可埋設(shè)的管子長(zhǎng)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(shè)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%。缺點(diǎn)：⑴下管比較困難，初投資比u 形管高。⑵在套管