地源熱泵系統(tǒng)

1、地源熱泵系統(tǒng)0 前言與太陽能或地熱能一樣，地表熱能儲量十分豐富；而且地表熱能不受時間、季節(jié)、地域的限制，分布面廣而且相對均勻，更具有可再生性。地源熱泵技術就是地表熱能利用開發(fā)的最典型的例子。它利用地球表面淺層土壤或水源中的地熱能作為冷熱源，冬季通過熱泵機組將地熱能傳遞轉移到需供暖的建筑物內(nèi)，夏季通過熱泵機組將建筑物內(nèi)的熱量轉移到地球土壤或水源中，從而實現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷。gshp系統(tǒng)按照熱源（熱匯）不同，大致可以分為如下三種形式： gshp系統(tǒng)（ground source heat pump）、gwhp系統(tǒng)（ground water heat pump）和swhp系統(tǒng)（surface wat

2、er heat pump），其中gwhp系統(tǒng)由于無法較好地解決地下水的回灌問題，在一定程度上影響了系統(tǒng)的進一步推廣。相比而言，隨著鉆井技術、土壤熱性能研究的不斷深入，gshp系統(tǒng)的應用越來越廣泛。gshp系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），通過中間介質(zhì)（通常是水或防凍液）作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路(通常是塑料管組成)中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地進行熱量交換的目的，并進而通過熱泵實現(xiàn)對建筑物的空調(diào)。gshp空調(diào)系統(tǒng)主要包括三個回路：用戶回路、制冷回路和地下?lián)Q熱器回路。根據(jù)需要也可以增加第四個回路生活熱水回路。1 地源熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1.1國外研究狀況土壤源熱泵在國外起步較早，這要追溯到1912年

3、瑞士的一個專利，其發(fā)展大致可以分為以下三個階段：第一階段，1912年，瑞士人佐伊利(h.zoelly)提出了利用土壤作為熱泵熱源的專利設想，但是，直到二戰(zhàn)結束后，才在歐洲與北美興起對其大規(guī)模的研究與開發(fā)，這一階段主要是對土壤源熱泵進行了一系列基礎性的實驗研究，包括土壤源熱泵運行的實驗研究，埋地盤管的實驗研究，埋地盤管的數(shù)學模型的建立，同時也對土壤的熱流理論方面作過研究，如開爾文線源理論；然而，由于土壤源熱泵的高投資及當時廉價的能源資源，這一階段的研究高潮持續(xù)到20世紀50年代中期便基本停止了。第二階段，1973年，由于“能源危機”的出現(xiàn)，美國和歐洲又展開了對土壤源熱泵大規(guī)模的實驗與理論研究，歐

4、洲在80年代初先后召開了5次大型的土壤源熱泵的專題國際學術會議，瑞典在短短的幾年內(nèi)共安裝了土壤源熱泵1000多臺套，美國從1977年開始，重新開始了對土壤源熱泵的大規(guī)模研究，1978年，bnl(brookhaven national laboratory)制定了土壤源熱泵的研究計劃，調(diào)查其作為空調(diào)系統(tǒng)的應用情況，并發(fā)表了一些研究成果，主要有對土壤源熱泵實際運行的計算機模擬等；資料研究表明：幾乎所有的有關土壤源熱泵的研究工作都是在美國能源部的支持下，由美國oklahoma state university等多所大學和bnl、ornl等國家級重點實驗室進行的，可以說，土壤源熱泵的絕大部分研究工作均

5、是在這一階段完成的。這一時期的主要工作是對埋地換熱器的地下?lián)Q熱過程進行研究，建立相應的數(shù)學模型并進行數(shù)值仿真，這些成果反映在j.e bose、j. d parker 、p.d metz 及v.c mei等人的論文和研究報告中。這一階段的成果最終體現(xiàn)在兩本ashrae出版設計安裝手冊中。第三階段，進入二十世紀九十年代，土壤源熱泵的應用與發(fā)展進入了一個全新快速發(fā)展的時期，土壤源熱泵在歐洲和北美迅速普及，針對地源熱泵機組、地熱換熱器，系統(tǒng)設計和安裝有一整套標準、規(guī)范、計算方法和施工工藝。土壤源熱泵的研究熱點依然集中在埋地換熱器的換熱機理、強化換熱及熱泵系統(tǒng)與埋地換熱器匹配等方面。與前一階段單純采用的

6、“線源”傳熱模型不同，最新的研究更多地關注相互耦合的傳熱、傳質(zhì)模型，以便更好的模擬埋地換熱器的真實換熱狀況；同時開始研究采用熱物性更好的回填材料，以強化埋管在土壤中的導熱過程，從而降低系統(tǒng)用于安裝埋管的初投資；為進一步優(yōu)化系統(tǒng)，有關埋地換熱器與熱泵裝置的最佳匹配參數(shù)的研究也在開展。國際最新研究動態(tài)表明，有關埋地換熱器的傳熱強化、土壤源熱泵系統(tǒng)仿真及最佳匹配參數(shù)的研究都是土壤源熱泵發(fā)展的“核心”技術課題，也是涉及多個基礎學科領域且極具挑戰(zhàn)性的研究工作。在中歐和北歐地區(qū)，土壤源熱泵已成為家用熱泵的主要熱源：在美國，土壤源熱泵因其節(jié)能性、舒適性正在大力推廣，在美國地源熱泵系統(tǒng)占整個空調(diào)系統(tǒng)的20%

7、，到1997 年底，美國有超過3 萬臺gshp 系統(tǒng)在家庭、學校和商業(yè)建筑中應用，每年約提供8 00011 000gwh 的終端能量，另據(jù)地源熱泵協(xié)會統(tǒng)計， 美國有600 多所學校安裝有gshp。目前美國地源熱泵的銷售數(shù)量以每年20%的速度遞增，2000 年全美銷售數(shù)量達40 萬臺；在加拿大，從1990年到1996年家用的土壤源熱泵以每年20的遞增銷量而處于各種熱泵系統(tǒng)的首位。在實際工程應用中，北美對地源熱泵應用偏重于全年冷熱聯(lián)供，采用閉式水環(huán)熱泵系統(tǒng)（wlhp）；歐洲國家偏重于冬季供暖，往往采用熱泵站方式集中供熱供冷。我國氣候條件與美國比較相似，所以北美的方式對我國更具借鑒意義。1.2 國內(nèi)

8、研究狀況從80年代末，我國便開始了對土壤源熱泵的探索研究，但其大規(guī)模的研究工作只是在近幾年才開始。據(jù)文獻資料報道，國內(nèi)最早的土壤源熱泵研究開始于1989年，當時，青島建筑工程學院同瑞典皇家工學院合作建立了國內(nèi)第一個土壤源熱泵實驗室，在于立強等同志的指導下，先后進行了水平平鋪埋管土壤源熱泵供冷供熱的性能及垂直u型埋管土壤源熱泵的供熱供冷性能的實驗研究；天津商學院制冷研究所的高祖錕等人于1989年1993年分別對塑料管和銅管的水平蛇管型、螺旋管型土壤源熱泵進行了冬季供暖和夏季空調(diào)的性能研究；華中科技大學從90年代開始，在國家自然科學基金的資助下先后進行了水平單管換熱的研究、地下淺層井水用于供暖空調(diào)

9、的研究；1998年，湖南大學開始對多層水平埋管換熱特性進行了研究；同濟大學張旭等人從1999年開始，在聯(lián)合技術公司(utc)的資助下進行了土壤太陽能復合熱源的研究，主要針對長江中下游地區(qū)含水率較高的土壤的蓄放熱特性進行測試；重慶建筑大學的劉憲英等人從1999年開始，在國家自然科學基金的資助下對淺埋豎直管換熱器的采暖、供熱特性進行了研究。此外，清華大學、天津大學、山東建筑工程學院及中科院廣州能源研究所等高校和科研單位也對土壤源熱泵進行過研究，并取礙了一定的成果。在研究領域，過去幾年里國內(nèi)許多大學先后建立了地源熱泵實驗臺，進行了地下埋管換熱器與地面熱泵設備聯(lián)合運行的實驗。實驗研究的重點均放在土壤熱

10、泵的地下埋管換熱器上，主要研究：單位管長的放熱量和吸熱量確定；系統(tǒng)的cop 和eer 確定；換熱器合理管間距的確定；土壤熱物性參數(shù)的確定等。理論研究主要集中在埋地換熱器的傳熱模型與管間距和大地初始溫度的研究。雖然國內(nèi)開始了對土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統(tǒng)初投資、保證系統(tǒng)的可靠運行等方面的研究一直沒有突破。其主要的原因是已開展的研究絕大多數(shù)都局限于對所建立的實驗系統(tǒng)進行性能測試并與傳統(tǒng)的空氣熱源熱泵性能進行技術經(jīng)濟比較，從而得出土壤源熱泵節(jié)能的一般性結論。由于缺乏對埋地換熱器在土壤中復雜的傳熱、傳質(zhì)綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結論只適用于某一具體實驗系統(tǒng)，所提供的基礎數(shù)據(jù)較少

11、而不能作為設計依據(jù)。綜合國內(nèi)外土壤源熱泵的研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)影響土壤熱源熱泵廣泛應用的主要原因是：（1）缺少針對不同土壤特性或回填材料所進行的熱物性實驗研究；（2）缺少用新的理論描述埋地換熱器傳熱傳質(zhì)機理及強化傳熱過程的理論模型；（3）缺少根據(jù)不同冷、熱負荷確定合理埋地換熱器形式并把此與土壤熱泵系統(tǒng)最佳匹配參數(shù)相結合的研究；（4）冬季從地下連續(xù)取熱時，難以保證埋地換熱器與周圍的土壤有足夠的傳熱溫差。在工程應用方面，1996 年至今，地源熱泵系統(tǒng)突破了以往國外應用于小規(guī)模別墅的限制，得到了蓬勃的發(fā)展，地源熱泵技術正被越來越多的人們所了解。大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)的廣泛應用，促進了對于地源熱泵的理論研究

12、，在地源熱泵系統(tǒng)中，埋地換熱器一直是地源熱泵技術的難點，同時也是該項技術研究的核心和應用基礎。所以，針對目前工程所作的研究均圍繞埋地換熱器進行，其主要內(nèi)容為：新型的樁基式埋地換熱器與傳統(tǒng)的埋管式換熱器換熱性能的差異；大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場的影響，土壤的恢復時間，以及合理的埋管間距等；u型管與w型管的換熱性能比較；u型管內(nèi)部熱干擾的影響；熱響應測試的不確定性分析等。同時，地源熱泵在國內(nèi)別墅中應用時常與輻射吊頂系統(tǒng)相結合。1.3 對地源熱泵的評價目前我國南方地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)主要用空氣源熱泵作為冷熱源，由于其“室外機”受環(huán)境空氣季節(jié)性溫度變化規(guī)律的制約，夏季供冷負荷越大時對應的冷凝溫度越高；而冬

13、季供熱負荷越大時對應的蒸發(fā)溫度越低，為此增加了大量能耗。根據(jù)熱力學原理，若降低冷凝溫度或提高蒸發(fā)溫度都將提高制冷循環(huán)效率并節(jié)約能源。為此若能尋找到更理想的新熱源形式取代或部分取代目前多采用的空氣熱源，無疑將有廣泛的應用前景和明顯的節(jié)能效果。與地面上環(huán)境空氣相比，地下土壤溫度全年相對穩(wěn)定且略高于年平均氣溫，可以分別在夏冬兩季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。所以從原理上講，土壤是一種比環(huán)境空氣更好的熱泵系統(tǒng)的冷熱源。已有的研究表明土壤熱源熱泵主要優(yōu)點有:節(jié)能效果明顯，可比空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能約20%；埋地換熱器不需要除霜，減少了冬季除霜的能耗；由于土壤具有較好的蓄熱性能，可與太陽能聯(lián)用改善冬

14、季運行條件；埋地換熱器在地下靜態(tài)的吸放熱，減小了空調(diào)系統(tǒng)對地面空氣的熱及噪音的污染。所以若能用土壤熱源熱泵部分取代空氣源熱泵，則必然節(jié)約能源并有可能形成新的空調(diào)產(chǎn)品系列。從目前已有的使用情況分析，它的主要缺點是：埋地換熱器受土壤性質(zhì)影響較大；連續(xù)運行時，熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化的影響而發(fā)生波動；土壤導熱系數(shù)小而使埋地換熱器的持續(xù)吸熱速率僅為2040wm-2，一般吸熱速率為25 wm-2 ，導致埋地換熱器的面積較大，如平面布置的埋地換熱器的面積約為房間面積的2倍左右。盡管土壤熱源存在以上不足，但world energy conference, international energ

15、y agency, international institute of refrigeration等國際著名組織及從事熱泵的研究者都普遍認為,在目前和將來土壤熱源熱泵是最有前途的節(jié)能裝置和系統(tǒng)，是國際空調(diào)和制冷行業(yè)前沿課題之一，也是地熱利用的重要形式。1998年美國暖通空調(diào)工程師學會的ashrae技術獎就授予土壤熱源熱泵系統(tǒng)。2 地熱換熱器模型（1）土壤初始溫度場分布在理論模型計算中, 需要大地初始溫度. 常用的兩種模型如下：a 土壤初始溫度均勻一致。b 土壤初始溫度按深度方向呈現(xiàn)三個分區(qū)。變溫帶：由于受太陽輻射的影響，其溫度有著晝夜、年份、世紀、甚至更長的周期性變化；由于受地表溫度年周期性

16、變化和日周期性變化的影響, 大地初始溫度ts也具有周期性特點, 并且其變化的幅值隨地層深度的增加呈自然指數(shù)規(guī)律減小. 考慮到日周期性波動的周期較小, 工程上一般忽略地表溫度日周期性變化對地溫的影響. 地溫ts(x,) 隨地層深度x和時間的變化按kusuda分析模型為：式中: x 為從地表面算起的地層深度,m；為從地表面溫度年波幅出現(xiàn)算起的時間,h； ts(x ,) 為在時該深度x 處的地溫, ；tm為地表面年平均溫度, ；am為地表面年周期性波動波幅, ；w 為溫度年周期性波動頻率,w = 2/t = 0. 00071725；t 為溫度年波動周期, t = 8760h；為大地導溫系數(shù),m2/s

17、。恒溫帶：其溫度變化幅度幾乎等于零；增溫帶：在恒溫帶以下，溫度隨深度增加而升高，其熱量的主要來源是地球內(nèi)部的熱能。例如，天津的變溫帶約在15m左右，1530m為恒溫帶，恒溫帶溫度為13.5，30m以下為增溫帶。另外，夏熱冬冷地區(qū)地溫平均溫度在15 - 20左右。（2）土壤及回填材料熱物性土壤的熱物性（密度、含水率、飽和度、比熱容、導熱系數(shù)等）是設計的基本參數(shù)，土壤傳熱特征、溫度及其變化、凍結與解凍規(guī)律等是計算的重要依據(jù)。土壤的熱物性決定了土壤的蓄熱性能及土壤溫度場的分布，進一步?jīng)Q定了土壤熱源熱泵系統(tǒng)的效率高低、埋地換熱器的尺寸大小。由于土壤質(zhì)地、土壤潮濕程度、土壤透氣性，在不同的國家、不同的地

18、區(qū)、不同的城市、甚至是同一城市的不同的片區(qū)是互不相同，造成了土壤熱物性的隨機性和不確定性。加之目前我國尚缺乏詳細的城市土壤地質(zhì)實測數(shù)據(jù)，這些均給我國土壤熱源熱泵的應用和推廣造成了很大的困難。早期的傳熱模型都是忽略回填土的影響，80年代后期在實驗中發(fā)現(xiàn)，回填土的性能對埋地換熱器換熱的影響不能忽略。1999年kavabaugh對回填土的性能進行了測試，發(fā)現(xiàn)一種添加粘合劑的砂土比傳統(tǒng)使用的高密度泥土作回填土導熱性能高34倍。美國電力研究院對回填土的性能也做過大量的研究。盡管在國外有較完整的數(shù)據(jù)和計算方法，但在我國尚處于開發(fā)研究階段，宜有小型建筑起步，結合各地的地質(zhì)特征，不斷總結設計與施工的經(jīng)驗。（3

19、）地熱換熱器模型 地熱換熱器的類型水平埋管就是將塑料管水平敷設在離地面1 2m的地溝內(nèi). 水平埋管的地熱換熱器受地表氣候變化的影響, 效率較低, 而且占地的面積比較大, 在國內(nèi)建筑物比較密集的情況下, 它的使用受到一定的限制. 水平埋管的地熱換熱器有以下幾種形式: (1) 水平單管; (2) 水平雙管; (3) 水平四管; (4) 水平六管（5）新開發(fā)的水平螺旋狀和扁平曲線狀。實踐證明, 水平換熱器的壽命較長。豎直埋管就是在地層中垂直鉆孔, 孔的深度一般在30 150 米. 在豎直埋管方式中,由于地下深層土壤溫度比較恒定, 占地面積小, 因此在地源熱泵工程中得到了廣泛的應用. 豎直埋管的地熱換

20、熱器的形式有以下幾種: (1) 單u型管; (2) 雙u型管（或w型管）; (3) 小直徑螺旋盤管; (4) 大直徑的螺旋盤管; (5) 立式柱狀; (6) 蜘蛛狀. 在豎直埋管換熱器中, 目前應用最為廣泛的是單u型管。gshp系統(tǒng)與建筑結構的完美結合樁埋管系統(tǒng)樁埋換熱器作為一種特殊的垂直埋管形式，在建筑物打地基樁時把u型pe管設置在混凝土樁中，管內(nèi)液體通過u型管與混凝土樁進行換熱，繼而與大地進行熱交換，從而減少了接觸熱阻。這種埋地換熱器方式充分利用了建筑物的占的面積，減少了鉆孔費用。國外對樁埋地源熱泵系統(tǒng)應用開始于上世紀八十年代，naegelebau公司首次在奧地利將此技術投人實際應用。自此

21、以后，這種經(jīng)濟的方式在公共建筑、辦公大樓、文化中心、商業(yè)用房和工業(yè)廠房等方面得到了大量的應用。確定地熱換熱器的長度有兩種方法: 一是估算法; 二是計算機模擬法. 所謂估算法就是首先根據(jù)建筑物的峰值冷負荷或熱負荷確定出地熱換熱器的放熱量或吸熱量, 然后確定地熱換熱器的布置方式, 再根據(jù)手冊中給定的單位管長或單位埋管深度的放熱量即可求出所需地熱換熱器的長度. 這種方法簡單, 比較適合工程設計, 但是系統(tǒng)的負荷大部分時間是處于部分負荷狀態(tài), 因此按照峰值負荷確定的地熱換熱器的長度往往過于保守, 這也增加了地熱換熱器的投資. 另外由于國內(nèi)對地源熱泵方面所做的研究工作多數(shù)仍處于實驗研究階段, 有關地熱換

22、熱器在不同土壤溫度和不同類型土壤的傳熱特性的數(shù)據(jù)比較缺乏, 因此目前還無法利用該方法準確確定換熱器的長度.計算機模擬法是根據(jù)建立的地熱換熱器的傳熱模型編制出相應的計算軟件, 通過輸入土壤的熱物性參數(shù)和建筑物的負荷來確定地熱換熱器的長度.鉆孔間距的大小是由鉆孔的傳熱半徑?jīng)Q定的, 而鉆孔單位長度的換熱量、連續(xù)運行時間及土壤的熱物性決定了鉆孔的傳熱半徑的大小. 理想情況是鉆孔間距應大于連續(xù)運行時間內(nèi)鉆孔的傳熱半徑. 鉆孔的傳熱半徑可通過模擬軟件計算.豎直埋管地熱換熱器的傳熱模型對于地熱換熱器，其整個傳熱過程是一個復雜的非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，諸如土壤的熱物性、含水量、土壤溫度、埋管材料、管子直徑、管內(nèi)流體

23、的物性、流速等都對地熱換熱器的傳熱產(chǎn)生影響。在工程實際應用的模型中，通常都以鉆孔壁為界，把所涉及的空間區(qū)域化分為鉆孔以外的巖土部分和鉆孔內(nèi)部區(qū)域兩部分, 采用不同的簡化假定分別進行分析。熱阻分析：熱流從管內(nèi)流體傳到遠離鉆孔的恒溫地層中需要克服的熱阻由四部分組成：a.流體至管道內(nèi)壁的對流換熱熱阻；b.塑料管壁的導熱熱阻；c.鉆孔內(nèi)部的導熱熱阻，即由管道外壁到鉆孔壁的熱阻；d.地層的熱阻，即由鉆孔壁到地層遠處的熱阻。有關地埋管換熱器的傳熱，迄今為止還沒有普遍公認的模型和規(guī)范。國際上現(xiàn)有的傳熱模型大體上可分為兩大類。第一類是以熱阻概念為基礎的解析解模型，第二類是以離散化數(shù)值計算為基礎的數(shù)值解模型。第

24、一類模型通常都是以鉆孔壁為界將地埋管換熱器傳熱區(qū)域分為兩個區(qū)域。地埋管換熱器傳熱模型的理論基礎是：（1）1948年ingersoll和plass提出的線熱源理論。該理論是把埋地換熱器的埋管中心軸視為一線熱源，以該軸為中心呈輻射狀以定熱流形式向周圍土壤傳熱。該模型對小管徑、長時間運行的系統(tǒng)具有較高的精度，是目前大多數(shù)土壤源熱泵系統(tǒng)設計的理論基礎。（2）carslaw和jaeger提出的圓柱熱源理論(包括定壁溫和定熱流兩種模型)。該模型理論實際上是一種改進了的線熱源理論，它和線熱源理論的不同點在于它考慮了盤管內(nèi)流體的流動性能特征。deerman和kavanaugh把這一理論發(fā)展為變熱流的情況，使得

25、對埋管換熱器長期運行工況的模擬結果更加精確。（3）1986年v. c. mei等人提出的建立在能量平衡基礎上的三維瞬態(tài)遠邊界傳熱模型。該模型有別于線熱源理論，考慮了土壤凍結相界面的移動以及回填土等因素的影響。（4）建立在能量平衡和質(zhì)量平衡基礎上，綜合考慮傳熱傳濕相互藕合過程的瞬態(tài)傳熱模型。a鉆孔壁以外區(qū)域的傳熱模型目前, 國內(nèi)外學者提出了不同的簡化傳熱模型。對鉆孔以外部分，代表性的模型有無限長線熱源模型、有限長線熱源模型和柱熱源模型。實際工程中，由于每年向地下排放的熱量和提取的熱量的不平衡，而導致地下土壤溫度的變化。無限長線熱源模型和無限長柱熱源模型均未考慮到地表邊界的傳熱影響，有限長線熱源模

26、型更接近于實際情況。b鉆孔內(nèi)區(qū)域的傳熱模型鉆孔內(nèi)的區(qū)域, 包括回填材料，管壁和管內(nèi)傳熱介質(zhì)，與鉆孔外的傳熱過程相比較，由于其幾何尺度和熱容量要小得多，而且溫度變化較為緩慢，因此在運行數(shù)小時后，通常可按穩(wěn)態(tài)傳熱過程來考慮其熱阻。在鉆孔內(nèi)的傳熱模型可以歸結為以下幾種：一維模型、二維模型。一維模型就是依據(jù)當量直徑法將鉆孔內(nèi)u型管簡化為一根管子。 二維模型，就是將u 型管的兩根支管看作兩個線熱源, 鉆孔壁的穩(wěn)態(tài)溫度場應該是這兩個線熱源產(chǎn)生的過余溫度場的迭加。一維和二維模型由于均未考慮鉆孔內(nèi)u型管兩支管之間的熱短路, 因此模型過于粗糙也不合理，也無法將地熱換熱器的換熱量與u型管內(nèi)流體溫度聯(lián)系起來。為此提

27、出了準三維模型，即在二維模型的基礎上，考慮流體溫度沿深度方向的變化，此模型即為準三維模型。鉆孔內(nèi)的傳熱模型針對u型管、w型管、套管式換熱器各有其具體的表達式。第二類模型是離散數(shù)值計算為基礎的傳熱模型，可以考慮更接近現(xiàn)實的情況，采用有限元或有限容積法求解地下的溫度響應并進行傳熱分析。隨著計算機技術的進步，數(shù)值方法以其適應性強的特點已成為傳熱分析的基本手段，和進行地埋管換熱器理論研究的重要工具。（4）管群的熱分析模擬計算是解決多熱源群井應用中復雜因素交織關聯(lián)關系的重要手段。通過充分認識多熱源群井的特性關系, 諸如初始溫度、井徑、熱負荷、排列布置等影響特性和規(guī)律, 建立群井適配控制方法和技術, 提出

28、合理布置、優(yōu)化系統(tǒng)運行模式的控制方法。實現(xiàn)地域空間的地能充分利用。(1) 群井系統(tǒng)運行時, 各單井周圍溫度變化規(guī)律與相同條件下的單井系統(tǒng)運行時周圍溫度變化規(guī)律相近, 不同之處在于群井間可能發(fā)生傳熱交互影響, 引起整個布井區(qū)域溫度場變化。隨系統(tǒng)在供暖工況下運行, 整個溫度場溫度總體趨勢下降,且逐漸趨于平穩(wěn)。(2) 大地初始溫度是決定土壤源熱泵運行的重要因素, 初始溫度提高1倍(12 24 ) , 系統(tǒng)運行至約定極限溫度時, 運行時間和輸出總熱量增加約24倍, 整體溫度場降幅明顯, 地能利用更加充分, 換熱過程中地溫下降平緩, 有利于機組運行性能提高。(3) 在輸出相同功率條件下, 增大井徑使井壁

29、單位面積熱負荷變小, 井壁周圍地溫變化趨緩, 有利于系統(tǒng)更長時間保持較地溫。大負荷運行時, 井徑影響尤為明顯。(4) 對不同井徑系統(tǒng)改變負荷, 小井徑系統(tǒng)負荷因素影響更加敏感。采用低負荷大井徑方式有利于系統(tǒng)高效運行和能量利用, 但不利于經(jīng)濟性的提高。(5) 總負荷相同時, 小間距密排布井使整體溫度場變化明顯, 地域空間利用率提高, 但應避免井間過分傳熱交互干涉。（5）影響因素分析在一定的假設條件下，建立地埋管傳熱傳質(zhì)的數(shù)學模型，借助于計算機程序或者軟件進行影響因素分析：土壤初始溫度分布；土壤及回填材料熱物性；管中流量對埋管換熱性能的影響；管長對埋管換熱性能的影響；進水溫度對埋管換熱性能的影響；

30、埋管形式對埋管換熱性能的影響；支管的間距等結構尺寸對埋管換熱性能的影響；地下滲流對埋管換熱性能的影響；3 土壤熱平衡問題（1）土壤熱源熱泵系統(tǒng)的合理配置目前運行的土壤熱源熱泵系統(tǒng)普遍存在一個問題系統(tǒng)的配置不合理。同濟大學張旭、周亞素等研究了熱泵機組各部分參數(shù)之間的匹配問題，建立了適合工程應用的動態(tài)數(shù)學模型，提供了與埋地換熱器運行參數(shù)關聯(lián)的土壤熱源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，模擬了各種環(huán)境條件下土壤熱源熱泵機組的工作特性。對地源熱泵機組, 若僅僅以國標名義工況標定的容量來選配壓縮機, 無論是冬季或夏季均達不到設計要求。在實際計算時,應以熱泵系統(tǒng)實際的運行工況作為設計工況來選配壓縮機。在我國的南方地區(qū)

31、,一般以冷負荷為主,在選配壓縮機時,應以夏季運行工況作為設計工況。在冷、熱負荷相差不大的地區(qū),應以冬、夏季的最不利工況作為設計工況來匹配壓縮機,在熱負荷較大,且熱負荷為主的地區(qū)(如我國的東北地區(qū)) , 壓縮機的選擇應以冬季工況作為設計工況。（2）土壤熱平衡問題因gshp 的自身特點而有其適用的最佳地域范圍,即夏熱冬冷且冬夏冷熱負荷相當?shù)牡貐^(qū)。在寒冷地區(qū)由于其冬季供熱負荷大于夏季供冷負荷,造成熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量,致使土壤溫度有可能逐漸降低,造成冬季使用時地源熱泵機組的蒸發(fā)溫度降低,致使系統(tǒng)供熱量下降,耗功率上升,供熱系數(shù)cop 降低,一般情況下,土壤溫度降低1,會使制取

32、同樣熱量的能耗增加34 %。同理,對于南方地區(qū),由于夏季空調(diào)冷負荷大于冬季供暖負荷,可能造成地下土壤的溫度越來越高,造成機組的冷凝溫度提高,致使制冷量減少,耗功率上升。因此,維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運行的可靠保證。對于水平埋管的地源熱泵,由于水平管埋深淺,可以與地面進行充分地熱交換,因此不存在地下土壤的熱平衡問題。對于垂直埋管,一般埋深大多數(shù)30100m ,此時與地面及附近土壤的熱交換量較小,根據(jù)實測和理論計算,建議冬夏向土壤的吸排熱量平衡差不大于20%為好。只要在此范圍內(nèi)，由于系統(tǒng)吸熱、排熱對大地溫度場造成的年改變將可通過土壤的蓄熱、傳熱以及熱衰減

33、等加以恢復。如果熱平衡性相差較大,可以采取輔助加熱(或冷卻) 方式,有的把這種帶有輔助加熱(或冷卻) 的系統(tǒng)稱為混合式地源熱泵系統(tǒng)。如對于南方地區(qū)，夏季炎熱、冬季暖和，則系統(tǒng)運行時夏季排熱量必然遠大于冬季吸熱量，為保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，可采用加冷卻塔的方式進行輔助散熱。而對于北方地區(qū)，冬季寒冷、夏季溫度適宜，則系統(tǒng)運行時，冬季吸熱量必然遠大于夏季排熱量，因此為保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，可采用輔助熱源方式（ 如太陽能、生產(chǎn)生活廢熱、鍋爐等）提供熱量。上述兩種熱泵系統(tǒng)在一定的氣候地區(qū),與單獨的gshp 相比,一般具有節(jié)省投資和降低運行費等優(yōu)點。地下滲流對土壤熱平衡的影響：在上述分析中，

34、未考慮地下水流動的影響。如果地下水流動活躍，每年都可以把負荷不平衡導致的那部分多余的熱量中的大部分帶走，使得大地溫度的變化減緩，那么負荷不平衡的影響將大大減弱。 由上述可知，地源熱泵系統(tǒng)應依據(jù)動態(tài)負荷計算選型，需進行冬夏吸放熱的平衡分析。4影響地源熱泵性能的動態(tài)負荷特性參數(shù)影響地源熱泵性能的動態(tài)負荷特性參數(shù)：（1）歷年負荷總量的累積特性，對應的特性參數(shù)是：歷年凈累計排熱量；歷年凈累計取熱量。特性參數(shù)值可通過對地埋管換熱器的歷年累計排熱量和取熱量取代數(shù)和獲得，排熱為正，取熱為負。（2）負荷強度變化特性，對應的特性參數(shù)是負荷強度的峰谷比rq：其定義為在地源熱泵系統(tǒng)的某持續(xù)運行時間段內(nèi)峰值負荷qh與

35、低谷負荷ql的比值，即（3）負荷的持續(xù)性，對應的特征參數(shù)：負荷持續(xù)時間（等于地源熱泵機組不間斷地持續(xù)運行的時間a），負荷的中斷時間（等于地源熱泵機組兩次連續(xù)運行之間的停機時間b），負荷持續(xù)系數(shù)，r越大，負荷的持續(xù)性越強。5 地源熱泵系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性問題影響地源熱泵安裝及使用經(jīng)濟性的因素很多，不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同的能源價格結構等都講直接影響到其經(jīng)濟性。僅依據(jù)幾個實際工程和幾年的測試數(shù)據(jù)遠不能說明一切問題。美國等發(fā)達國家在地源熱泵的工程應用方面已有十余年的歷史，其運行數(shù)據(jù)表明：地源熱泵技術在為家庭居民帶來舒適、可靠和高效節(jié)能的同時，將成為降低國家能源消耗和環(huán)境污染的一個主要力量。平均來說，

36、該系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)可以節(jié)約30%40%的運行費用。盡管系統(tǒng)本身突出的節(jié)能環(huán)保功能, 從經(jīng)濟性角度來看,該系統(tǒng)在國內(nèi)應用存在著巨大的潛在市場,但是由于受到諸多客觀條件的限制,一定程度上影響了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展速度。當前需要解決的問題主要有:(1) 開發(fā)與地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相配套的系列管材、管路配件及熔接設備和技術,這樣會降低系統(tǒng)的初投資;(2) 形成專門的鉆井、下管、及封井的設備和技術,并形成規(guī)范,進一步縮短施工周期,從而降低施工費用;(3) 由于冬季熱泵的出水溫度較低(約45 ) ,因此特別適用與地板采暖系統(tǒng)聯(lián)合運行;6 地源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)a、太陽能與土壤熱源熱泵的聯(lián)合運行鑒于太陽能、地熱能兩種

37、低位熱源熱泵單獨運行的不足，兩者聯(lián)合運行是一種比較合理的方案，取長補短，彌補單一熱源熱泵的不足，提高熱泵系統(tǒng)的cop。充分利用土壤具有良好的蓄熱性，儲存熱量供太陽能不充足時使用，同時太陽能的輔助供熱作用，使得埋地換熱器間歇運行，土壤溫度場能夠得到及時恢復，蒸發(fā)溫度及冷凝溫度波動不大，從而使熱泵運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)可通過閥門的控制來實現(xiàn)太陽能直接供暖,太陽能熱泵供暖,地源熱泵供暖及太陽能集熱器集熱土壤蓄熱的運行流程等。冬季采暖時,以太陽能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶,同時,在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)用。夏季與過渡季節(jié),太陽能集熱器主要用于提供生活用熱

38、水。b、土壤蓄冷與gshp集成系統(tǒng)近年來，國內(nèi)有些高校開始研發(fā)土壤蓄冷與gshp集成系統(tǒng)：將地源熱泵技術及蓄冷技術結合在一起，取長補短，充分利用凍土蓄冷技術及地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點，將蓄冷裝置轉移到地下?lián)Q熱系統(tǒng)中，與蓄冷裝置合二為一，免除了傳統(tǒng)蓄冷系統(tǒng)中占地面積大、耗資較多的蓄冷裝置（蓄冰桶、蓄冰槽）。在工程實際中，可以選用制冷、制熱、蓄冰三工況機組實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)的結合。7 地源熱泵的運用與前景a 地源熱泵應用于北方地區(qū)時應注意的問題在南方地區(qū),由于地溫高,冬季地下埋管進水溫度在0以上,因此多采用水作為工作流體;北方地區(qū),冬季地溫低,地下埋管進水溫度一般均低于0 ,一般均使用防凍液。

39、防凍液一般應具有使用安全、無毒、無腐蝕性、導熱性好、成本低、壽命長等特點。目前應用較多的有: 鹽類溶液有氯化鈣和氧化鈉水溶液; 乙二醇水溶液; 酒精水溶液等。采用不同的不凍液時，其熱物性參數(shù)各異,導致相應的埋管內(nèi)最小流速,流體管內(nèi)換熱系數(shù)、流體阻力均與水有很大的不同,設計中應充分注意。在北方寒冷地區(qū),冬季進入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0以下,換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結。根據(jù)定性分析,水分凍結時,有大量的潛熱被釋放出來,因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下,土壤降低的溫度幅度小, 水分越多,釋放的潛熱越多,溫度降低幅度越小,在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。如果設計中不考慮土壤中水分凍結的影響

40、,計算出的地下埋管周圍的溫度場偏低與實際情況偏差較大, 水分越多,差別越大,因此設計中應考慮水分凍結的影響。但目前有關巖土凍結和其計算方法方面的研究文獻不多,但可以肯定土壤凍結對地下埋管換熱是有利的。b 地源熱泵空調(diào)技術的研究開發(fā)與應用前景地源熱泵系統(tǒng)研究開發(fā)的主要內(nèi)容：（1）土地換熱器的設計計算方法及其優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的設計雖然有多種多樣的型式，但采用傳統(tǒng)的鍋爐和制冷機還是采用地源熱泵為冷熱源對建筑物內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)的設計影響不大。新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的差別在于增加了地熱換熱器。這種換熱器與工程中通常遇到的換熱器不同，它不是兩種流體之間的換熱，而是埋管中的流體與固體（地層）的換熱。由于這一傳熱過程涉及的

41、物理模型很復雜，現(xiàn)有的設計計算方法得出的結論相差很大。我們要結合中國的國情建立傳熱模型和設計計算方法；并進一步研制計算機輔助設計和優(yōu)化的軟件。埋地換熱器作為熱泵與土壤進行熱交換的唯一設備，其傳熱效果對熱泵的性能系數(shù)起決定性的作用，因此，必須進下研制與開發(fā)各種形式的高效埋地換熱器，提高換熱效率，并加強其在建筑物中的合理布置及應用。開發(fā)成熟的可供工程設計參考的設計計算方法。（2）確定土地（地層）熱物理性質(zhì)的方法土壤作為熱泵的排熱與吸熱場所，其物理特性對對熱泵運行效率起著關鍵性的作用，因此，必須進一步加強對各種土壤結構和地層狀況的換熱過程的實驗研究和模擬分析，深入探索各種土壤狀況下不同埋地換熱器在不

42、同埋管方式下的換熱過程及換熱機理，并建立相應的傳熱模型。（3）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的仿真及其優(yōu)化在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中土地換熱器與熱泵是和建筑物內(nèi)部的空調(diào)系統(tǒng)共同組成一個大系統(tǒng)而共同工作的。而這樣的空調(diào)系統(tǒng)又與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)有一些不同的特點。為了充分發(fā)揮地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，需要對整個空調(diào)系統(tǒng)進行仿真，以便在設計和運行這樣的空調(diào)系統(tǒng)時能夠得到優(yōu)化。進一步完善埋地換熱器與熱泵機組的匹配技術，合理確定埋地換熱器的形式、大小及熱泵機組的功率；加強土壤源熱泵系統(tǒng)自動控制技術的研究，實現(xiàn)埋地換熱器工作特性與熱泵系統(tǒng)的自動匹配。（4）相關設備及技術的開發(fā)在發(fā)展地源熱泵的初期曾采用金屬埋管，因此產(chǎn)生了耐久性的問

43、題。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在地源熱泵的地熱換熱器已普遍采用高密度聚乙烯或聚丙烯管。如果要推廣地源熱泵技術，就需要開發(fā)與之相配套的系列管材、管路配件以及熔接設備和技術，并需要有專門的鉆井、下管及封井的技術規(guī)范及相應的施工設備等。同時，還需要研制和開發(fā)具有加熱生活用水功能、適用于地熱換熱器循環(huán)水參數(shù)的熱泵系列。地熱是一種可再生的自然能源。據(jù)估計,全世界地熱資源總量約為1. 45 1026j ,相當于4 9481012t 標準煤。 根據(jù)地源熱泵20 年來的發(fā)展趨勢,其系統(tǒng)技術的發(fā)展大致有如下三個方向：(1) 綜合利用熱能的趨勢。將來的地源熱泵系統(tǒng)不僅用于一般住宅、辦公用戶的供熱和制冷,更趨向于將供熱

44、的廢棄能量(冷能) 和制冷的廢棄能量(熱能) 綜合利用,比如用供熱的廢棄冷能運轉冷藏庫、自動售貨機等,用制冷的廢棄熱能供應溫室養(yǎng)殖、種植和生活熱水等。(2) 一體化趨勢。隨著新材料和新工藝的開發(fā),將來的地源熱泵系統(tǒng)可能將熱泵的轉換系統(tǒng)與地上散熱系統(tǒng)一體化,使取熱和傳熱的效率更高。(3) 實地建造的趨勢。隨著人們對居住和生活環(huán)境要求的不斷提高,越來越多的建筑物需要常年供暖、制冷、熱水和冷藏的功能。因此,充分利用建筑物的空間和周邊的自然環(huán)境和自然能源,因地制宜地設計、制造和配套安裝相應的地源熱泵系統(tǒng)也將是一個發(fā)展方向。地源熱泵系統(tǒng)有可能成為新的經(jīng)濟增長點隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，供熱

45、和空調(diào)已成為城鎮(zhèn)居民的基本生活需求，并逐漸向農(nóng)村和南方擴展，市場前景很好。而地源熱泵由于其技術上的優(yōu)勢，將成為中小型生態(tài)建筑空調(diào)冷熱源合理可行的選擇方案之一。用一席之地，得冷暖兩供，將成為越來越多的建筑業(yè)主和普通百姓的共識。在未來的日子, 中國面臨著巨大的能源和環(huán)保壓力, 中國的經(jīng)濟要保持較高速度的增長, 同時又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題, 因此要求調(diào)整能源結構, 提高能源利用效率。地源熱泵空調(diào)技術以其節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的突出優(yōu)點, 已成為空調(diào)供暖工程優(yōu)先選擇的方案之一。地源熱泵的大力推廣需要政府的政策引導及公眾對地源熱泵技術的更多了解,相信通過政府部門、科研機構和工程技術人員的共同努力

46、,地源熱泵一定能在我國得到較快的推廣和發(fā)展。參考文獻1s. kavanaugh. design consideration for ground and water source heat pump s in southern climates j . ashrae transact ions, 1989, 95 (1) : 113921148.2per eskillson. thermal analysis of heat extract ion bore holesm. dep. of mathematical physics university of l und, sweden, 19

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48、 applications. new york: mcgraw-hill co, 1956carslaw h s, jaeger j c. conduction of heat in solids. oxford: claremore press, 1947. 260-2657carslaw h s, jaeger j c. conduction of heat in solids. 2nd ed. oxford: oxford university press,1959. 260-2658deer-man j d, kavanaugh s p. simulation of vertical u-tube ground-coupled heat pump systems using the cylindrical heat source solution. in: ashrae trans.1997, 1030). 287-2959mei v c, fischer s k. vertical concentric tube ground-coupled heat exchangers. in: ashrae trans. 1983, 89(2). 391-40610mei v c, baxter v d. perf