地源热泵技术应用问题(应用前景、制约条件、技术动态)

地源热泵技术、应用问题（应用前景、制约条件、技术动态）地下换热器设计地下换热器设计是地源热泵系统有别于其他系统之所在。地下换热器的设计是否合理直接影响到热泵的性能和运行的经济性。（1）确定地下换热器埋管形式：地下换热器的埋管主要有两种形式,即竖直埋管和水平埋管。选择哪种方式主要取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。在各种竖直埋管换热器中,目前应用最为广泛的是单U 形管。（2）确定管路的连接方式：地下换热器管路连接有串联方式与并联方式两种。采用何种方式,主要取决于安装成本与运行费。对竖直埋管系统,并联方式的初投资及运行费均较经济。且为保持各环路之间的水力平衡,常采用同程式系统。（3）选择地下换热器管材及竖埋管直径：目前国外广泛采用高密度聚乙烯作为地下换热器的管材,推荐按SDR11 管材选取壁厚,管径(内径) 通常为2040 mm ,而国内大多采用国产高密度聚乙烯管材。流速大小按以下原则选取:对于内径小于50 mm 的管子,管内流速应在0. 6m/ s1. 2 m/ s 范围内;对于内径大于50 mm 的管子,管内流速应小于1. 8 m/ s。（4）地下换热器的尺寸确定及布置：确定地下换热器换热量夏季与冬季地下换热器的换热量可分别根据以下计算式确定： （1） （2）式中Q0 为热泵机组制冷量,kW; Qk 为热泵机组制热量,kW; COP1 , COP2 分别为热泵机组制冷、制热时的性能系数。地源热泵系统COP在3.54.4之间。确定地下换热器长度地下换热器的长度与地质、地温参数及进入热泵机组的水温有关。在缺乏具体数据时,可依据国内外实际工程经验,按每m管长换热量3555 W来确定地下换热器所需长度。确定地下换热器钻孔数及孔深等参数竖埋管管径确定后,可根据（3）式来确定钻孔数: （3）式中n 为钻孔数; W为机组水流量,L/s; v 为竖埋管管内流速,m/s , di为竖埋管管内径,mm。各孔中心间距一般取4. 5 m左右。对竖直单U 形管,埋管深度一般为4090 m ,孔深h可根据式(4) 确定: （4）地下换热器阻力计算：地下换热器阻力包括沿程阻力和局部阻力。地下换热器环路水泵选型地下换热器水管承压能力校核地源热泵系统的运行性能与地下埋管的设计及施工质量有密切关系,因此要提高设计人员的设计能力,并不断完善地下换热器的安装、施工技术。地源热泵的大力推广需要政府的政策引导及公众对地源热泵技术的更多了解,相信通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,地源热泵一定能在我国得到较快的推广和发展。地源热泵技术（GSHP）与太阳能或地热能一样，地表热能储量十分丰富；而且地表热能不受时间、季节、地域的限制，分布面广而且相对均匀，更具有可再生性。地源热泵技术就是地表热能利用开发的最典型的例子。它利用地球表面浅层土壤或水源中的地热能作为冷热源，冬季通过热泵机组将地热能传递转移到需供暖的建筑物内，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量转移到地球土壤或水源中，从而实现冬季供暖、夏季供冷。GSHP系统按照热源（热汇）不同，大致可以分为如下三种形式： GSHP系统（ground source heat pump）、GWHP系统（ground water heat pump）和SWHP系统（surface water heat pump），其中GWHP系统由于无法较好地解决地下水的回灌问题，在一定程度上影响了系统的进一步推广。相比而言，随着钻井技术、土壤热性能研究的不断深入，GSHP系统的应用越来越广泛。土壤源热泵研究现状分析目前我国南方地区空调系统主要用空气源热泵作为冷热源，由于其“室外机”受环境空气季节性温度变化规律的制约，夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高；而冬季供热负荷越大时对应的蒸发温度越低，为此增加了大量能耗。根据热力学原理，若降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率并节约能源。为此若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前多采用的空气热源，无疑将有广泛的应用前景和明显的节能效果。与地面上环境空气相比，地下5米以下全年土壤温度稳定且略高于年平均气温，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。所以从原理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。已有的研究表明土壤热源热泵主要优点有:节能效果明显，可比空气源热泵系统节能约20%；埋地换热器不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗；由于土壤具有较好的蓄热性能，可与太阳能联用改善冬季运行条件；埋地换热器在地下静态的吸放热，减小了空调系统对地面空气的热及噪音的污染。所以若能用土壤热源热泵部分取代空气源热泵，则必然节约能源并有可能形成新的空调产品系列。从目前已有的使用情况分析，它的主要缺点是：埋地换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小而使埋地换热器的持续吸热速率仅为2040Wm-2，一般吸热速率为25 Wm-2 ，导致埋地换热器的面积较大，如平面布置的埋地换热器的面积约为房间面积的2倍左右。尽管土壤热源存在以上不足，但World Energy Conference, International Energy Agency, International Institute of Refrigeration等国际著名组织及从事热泵的研究者都普遍认为,在目前和将来土壤热源热泵是最有前途的节能装置和系统，是国际空调和制冷行业前沿课题之一，也是地热利用的重要形式。1998年美国暖通空调工程师学会的ASHRAE技术奖就授予土壤热源热泵系统。从70年代末开始，土壤源热泵的研究逐渐活跃。欧洲在80年代初先后召开了5次大型的土壤源热泵的专题国际学术会议，瑞典已安装了1000多台（套）土壤源水热泵装置。美国从80年代初开始，在能源部（DOE）的直接资助下由ORNL（橡树岭）、BNL（布鲁克黑文）等国家实验室和Oklahoma State University等研究机构开展了大规模的研究，为土壤源热泵的推广起到了重要的作用。这一时期的主要工作是对埋地换热器的地下换热过程进行研究，建立相应的数学模型并进行数值仿真，这些成果反映在J.E Bose、J. D Parker 、P.D Metz 及V.C Mei等人的论文和研究报告中。这一阶段的成果最终体现在两本ASHRAE出版设计安装手册中。90年代以来，土壤源热泵的研究热点依然集中在埋地换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与埋地换热器匹配等方面。与前一阶段单纯采用的“线源”传热模型不同，最新的研究更多地关注相互耦合的传热、传质模型，以便更好的模拟埋地换热器的真实换热状况；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，以强化埋管在土壤中的导热过程，从而降低系统用于安装埋管的初投资；为进一步优化系统，有关埋地换热器与热泵装置的最佳匹配参数的研究也在开展。国际最新研究动态表明，有关埋地换热器的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究都是土壤源热泵发展的“核心”技术课题，也是涉及多个基础学科领域且极具挑战性的研究工作。自90年代初期以来，在国家自然科学基金委员会的资助下，国内开始了对土壤源热泵的探索性研究，但在如何有效地降低系统初投资、保证系统的可靠运行等方面的研究一直没有突破。其主要的原因是已开展的研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行性能测试并与传统的空气热源热泵性能进行技术经济比较，从而得出土壤源热泵节能的一般性结论。由于缺乏对埋地换热器在土壤中复杂的传热、传质综合传递过程的深入研究，使得这些结论只适用于某一具体实验系统，所提供的基础数据较少而不能作为设计依据。综合国内外土壤源热泵的研究现状，可以发现影响土壤热源热泵广泛应用的主要原因是：（1）缺少针对不同土壤特性或回填材料所进行的热物性实验研究；（2）缺少用新的理论描述埋地换热器传热传质机理及强化传热过程的理论模型；（3）缺少根据不同冷、热负荷确定合理埋地换热器形式并把此与土壤热泵系统最佳匹配参数相结合的研究；（4）冬季从地下连续取热时，难以保证埋地换热器与周围的土壤有足够的传热温差。目前，地源热泵系统突破了以往国外应用于小规模别墅的限制，得到了蓬勃的发展。在我国，已有多处大规模地源热泵工程实例，例如南京某工程，占地面积16万平房米，采用了新式的桩基式地源热泵系统，利用建筑现有桩基埋设换热器，从而节约了系统初投资。另外，上海、武汉、西安、南京等地的一些实际工程，也都采用了地源热泵系统，埋孔数量200600不等。大规模地源热泵系统的广泛应用，促进了对于地源热泵的理论研究，在地源热泵系统中，埋地换热器一直是地源热泵技术的难点，同时也是该项技术研究的核心和应用基础。所以，针对目前工程所作的研究均围绕埋地换热器进行，其主要内容为：新型的桩基式埋地换热器与传统的埋管式换热器换热性能的差异；大规模地源热泵系统对土壤温度场的影响，土壤的恢复时间，以及合理的埋管间距等；U型管与W型管的换热性能比较；U型管内部热干扰的影响等。同济大学地源热泵研究情况地源热泵自上世纪80年代末引入中国以来，同济大学就开始了对于地源热泵的研究。1997年在美国联合技术公司容闳科技教育奖的资助下，在同济大学建成当时国内规模最大，可测项目最多的太阳能-土壤源热泵综合实验台，所进行的相关基础研究处于国内领先，内容主要为地源热泵系统冬夏季启动工况的研究以及土壤类型对于换热过程的影响研究，并发表了相关论文。近期，同济大学暖通研究所参加了“南京朗诗”、“武汉清江花园”，“西安都市之门”、“上海明园森林花园”、“张家港杨舍镇”等地源热泵系统的设计、施工咨询等。针对目前国内地源热泵系统规模大，埋地换热器数量多的特点，进行了大规模地源热泵系统对土壤温度场影响及恢复特性的模拟研究。培养的博士及硕士研究生如下：1 周亚素 土壤热源热泵动态特性与能耗分析研究 博士论文 2001.112 李元旦 土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究3 高晓兵 华东地区土壤及土沙混合物导热系数的实验研究4 徐琳 土壤热源热泵有效导热系数的分形研究及节能分析 硕士论文 20045 李雅昕 桩基式土壤源热泵系统管群换热及恢复特性研究 硕士论文 预答辩时间2007.1发表的论文如下：1.李元旦，张旭，周亚素，陈沛霖， 土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究，暖通空调，2001（1），vol 31,17-20.2.张旭，高晓兵 华东地区土壤及土沙混合物导热系数的实验研究，暖通空调，2004(5)，vol 34,83-89.3.徐琳，张旭 土壤热源热泵系统节能分析，煤气与热力，2006（3），vol 26,42-44.3.2.1 GSHP系统推广应用急需解决的关键技术作为一项横跨土壤环境学、钻探、热质交换、制冷供暖、材料学等多学科的新技术，其关键技术的突破需要多学科的技术人员跨学科相互合作。（1）埋地换热器传热模型的研究埋地换热器传热模型的主要目的是建立热泵运行期间土壤温度场的分布，目前主要的基础理论是线源理论、BNL修正的线源理论，基于此，相继发展了著名的V.C.Mei、IGSHPA、NWWA埋地换热器传热模型。（2）回填材料的研发早期的传热模型都是忽略回填土的影响，80年代后期在实验中发现，回填土的性能对埋地换热器换热的影响不能忽略。1999年Kavabaugh对回填土的性能进行了测试，发现一种添加粘合剂的砂土比传统使用的高密度泥土作回填土导热性能高34倍。美国电力研究院EPRI(1981),(197)对回填土的性能也做过大量的研究。（3）土壤热源热泵系统的合理配置目前运行的土壤热源热泵系统普遍存在一个问题系统的配置不合理。周亚素研究了热泵机组各部分参数之间的匹配问题，建立了适合工程应用的动态数学模型，提供了与埋地换热器运行参数关联的土壤热源热泵系统的动态仿真模型，模拟了各种环境条件下土壤热源热泵机组的工作特性。（4）土壤热物性的研究土壤的热物性决定了土壤的蓄热性能及土壤温度场的分布，进一步决定了土壤热源热泵系统的效率高低、埋地换热器的尺寸大小。由于土壤质地、土壤潮湿程度、土壤透气性，在不同的国家、不同的地区、不同的城市、甚至是同一城市的不同的片区是互不相同，造成了土壤热物性的随机性和不确定性。加之目前我国尚缺乏详细的城市土壤地质实测数据，这些均给我国土壤热源热泵的应用和推广造成了很大的困难。此外，GSHP系统的成功应用还与政府政策引导、地下管井的设计与施工、地质探测技术、地下水水质处理技术、地下水的回罐技术等分不开的。总之，GSHP系统是一个整体设计，需要从政府政策、主机设计制造、系统的设计和运行管理等各个方面来共同参与。3.2.2 GSHP系统与建筑结构的完美结合桩埋管系统在GSHP系统中，埋地换热器有两种常见的方式：水平埋设和垂直埋设。前者埋地浅，单位管长换热能力低，占地面积大；后者换热能力高，但也增加了钻孔的费用。桩埋换热器作为一种特殊的垂直埋管形式，在建筑物打地基桩时把U型PE管设置在混凝土桩中，管内液体通过U型管与混凝土桩进行换热，继而与大地进行热交换，从而减少了接触热阻。这种埋地换热器方式充分利用了建筑物的占的面积，减少了钻孔费用。国外对桩埋地源热泵系统应用开始于上世纪八十年代，Naegelebau公司首次在奥地利将此技术投人实际应用。自此以后，这种经济的方式在公共建筑、办公大楼、文化中心、商业用房和工业厂房等方面得到了大量的应用。3.2.3 土壤蓄冷与GSHP集成系统将地源热泵技术及蓄冷技术结合在一起，取长补短，充分利用冻土蓄冷技术及地源热泵系统的优点，将蓄冷装置转移到地下换热系统中，与蓄冷装置合二为一，免除了传统蓄冷系统中占地面积大、耗资较多的蓄冷装置（蓄冰桶、蓄冰槽）。【复合式地源热泵系统】太阳能与土壤热源热泵的联合运行鉴于太阳能、地热能两种低位热源热泵单独运行的不足，两者联合运行是一种比较合理的方案，取长补短，弥补单一热源热泵的不足，提高热泵系统的COP。充分利用土壤具有良好的蓄热性，储存热量供太阳能不充足时使用，同时太阳能的辅助供热作用，使得埋地换热器间歇运行，土壤温度场能够得到及时恢复，蒸发温度及冷凝温度波动不大，从而使热泵运行稳定。热响应测试地源热泵在国内别墅中应用时常与辐射吊顶系统相结合。地源热泵系统应依据动态负荷计算选型，需进行冬夏吸放热的平衡分析。参考文献王鹏英，上海地区别墅建筑地源热泵空调系统设计，暖通空调，2003/33/6 张旭，太阳能土壤源热泵及其相关基础理论研究，同济大学博士后报告，1999.123、太阳能土壤源热泵从节约能源，保护环境，开发利用新能源和可再生能源的角度出发，考虑综合利用太阳能和土壤热，以太阳能、土壤热作为热泵的复合低位热源。 3.1两者结合的背景（1）太阳能热泵是以太阳辐射能作为低位热源的热泵。太阳辐射强度随着季节、早晚、昼夜有规律地变化，因此它具有很大的不稳定性，所以利用太阳能必须解决太阳能的间歇性和不可取性问题。这就需要设有一定容量的蓄热装置或其他形式的辅助热源。（2）将太阳能利用系统的集热器安装在土壤源热泵环路中，集热器向传热介质供热，可以减小土壤源热泵的尺寸，提高热泵效率。（3）太阳能集热器和埋地盘管的组合，具有很大的灵活性，弥补了单独热源热泵的不足。一年四季可以利用，提高了装置的利用系数。3.2两者结合的工作原理（1）当太阳能集热器所提供的热量能满足建筑物的热需要时，可以由太阳能集热器直接将热量供给采暖系统或用太阳能热泵采暖；（2）当集热器提供的热量富余时，可用储热器储存起来供夜间或阴雨天使用；（3）当集热器供给的热量不足以建筑物的需热量时，可以用热泵来降低集热器的温度，提高集热器的集热效率，可以获得更多的热量；（4）若还不能满足要求，则太阳能热泵供热不足的时间由土壤源热泵或储热装置补足，太阳能热泵装置与供暖季节需热率不一致的缺点，正是土壤源热泵的优点；同时对土壤源热泵，也由于太阳能热泵的加入，便可实现间歇运行，使土壤源热泵性能系数得以提高。在太阳能土壤源热泵的设计中，需考虑太阳能和土壤作为热泵热源时的谁主谁辅以及太阳能集热装置容量的确定等问题，这需要从系统的初投资、所在地区太阳能资源的情况、土壤的热物性参数、系统运行的可取性等方面加以考虑。3.3研究方向及问题所在（1）太阳能土壤源热泵系统的初投资较高，研究如何提高系统运行的可靠性及如何实现太阳能与土壤热源的最佳结合。（2）传统的埋地换热器传热模型忽略了潮湿土壤的热湿迁移对地下埋管换热器的传热性能的影响，因此需要建立新的换热器传热传质模型，研究提高换热器换热性能的方法。（3）针对不同的冷、热负荷，不同的地区，不同的运行形式下，研究如何合理地确定地下埋管换热器、太阳能集热器的形式及容量并将它与太阳能土壤源热泵系统的最佳匹配参数相结合。（4）对这种新的空调系统形式进行计算机运行能耗模拟分析，预测在全国各地使用这种新系统的运行能耗情况，推动这种新系统在实际工程中的应用。（5）太阳的能源密度、土壤的热流率低，因此需要的换热器及太阳能集热器的面积大，应用受建筑物的环境条件及建筑物的负荷量大小的限制。（6）太阳能土壤源热泵系统的研究还没有形成一套完整的理论体系，应用基础数据不足，还不能为太阳能土壤源热泵的应用提供充足的理论依据。