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1、地源热泵系统0 前言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 wat
2、er 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。GSHP系统是以大地为冷源（或热源），通过中间介质（通常是水或防冻液）作为热载体，并使中间介质在封闭环路(通常是塑料管组成)中循环流动，从而实现与大地进行热量交换的目的，并进而通过热泵实现对建筑物的空调。GSHP空调系统主要包括三个回路：用户回路、制冷回路和地下换热器回路。根据需要也可以增加第四个回路生活热水回路。1 地源热泵系统研究现状1.1国外研究状况土壤源热泵在国外起步较早，这要追溯到1912年
3、瑞士的一个专利，其发展大致可以分为以下三个阶段：第一阶段，1912年，瑞士人佐伊利(H.ZOELLY)提出了利用土壤作为热泵热源的专利设想，但是，直到二战结束后，才在欧洲与北美兴起对其大规模的研究与开发，这一阶段主要是对土壤源热泵进行了一系列基础性的实验研究，包括土壤源热泵运行的实验研究，埋地盘管的实验研究，埋地盘管的数学模型的建立，同时也对土壤的热流理论方面作过研究，如开尔文线源理论；然而，由于土壤源热泵的高投资及当时廉价的能源资源，这一阶段的研究高潮持续到20世纪50年代中期便基本停止了。第二阶段，1973年，由于“能源危机”的出现，美国和欧洲又展开了对土壤源热泵大规模的实验与理论研究，欧
4、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，瑞典在短短的几年内共安装了土壤源热泵1000多台套，美国从1977年开始，重新开始了对土壤源热泵的大规模研究，1978年，BNL(Brookhaven National Laboratory)制定了土壤源热泵的研究计划，调查其作为空调系统的应用情况，并发表了一些研究成果，主要有对土壤源热泵实际运行的计算机模拟等；资料研究表明：几乎所有的有关土壤源热泵的研究工作都是在美国能源部的支持下，由美国Oklahoma State University等多所大学和BNL、ORNL等国家级重点实验室进行的，可以说，土壤源热泵的绝大部分研究工作均
5、是在这一阶段完成的。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。第三阶段，进入二十世纪九十年代，土壤源热泵的应用与发展进入了一个全新快速发展的时期，土壤源热泵在欧洲和北美迅速普及，针对地源热泵机组、地热换热器，系统设计和安装有一整套标准、规范、计算方法和施工工艺。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
6、“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。在中欧和北欧地区，土壤源热泵已成为家用热泵的主要热源：在美国，土壤源热泵因其节能性、舒适性正在大力推广，在美国地源热泵系统占整个空调系统的20%
7、，到1997 年底，美国有超过3 万台GSHP 系统在家庭、学校和商业建筑中应用，每年约提供8 00011 000GWh 的终端能量，另据地源热泵协会统计， 美国有600 多所学校安装有GSHP。目前美国地源热泵的销售数量以每年20%的速度递增，2000 年全美销售数量达40 万台；在加拿大，从1990年到1996年家用的土壤源热泵以每年20的递增销量而处于各种热泵系统的首位。在实际工程应用中，北美对地源热泵应用偏重于全年冷热联供，采用闭式水环热泵系统（WLHP）；欧洲国家偏重于冬季供暖，往往采用热泵站方式集中供热供冷。我国气候条件与美国比较相似，所以北美的方式对我国更具借鉴意义。1.2 国内
8、研究状况从80年代末，我国便开始了对土壤源热泵的探索研究，但其大规模的研究工作只是在近几年才开始。据文献资料报道，国内最早的土壤源热泵研究开始于1989年，当时，青岛建筑工程学院同瑞典皇家工学院合作建立了国内第一个土壤源热泵实验室，在于立强等同志的指导下，先后进行了水平平铺埋管土壤源热泵供冷供热的性能及垂直U型埋管土壤源热泵的供热供冷性能的实验研究；天津商学院制冷研究所的高祖锟等人于1989年1993年分别对塑料管和铜管的水平蛇管型、螺旋管型土壤源热泵进行了冬季供暖和夏季空调的性能研究；华中科技大学从90年代开始，在国家自然科学基金的资助下先后进行了水平单管换热的研究、地下浅层井水用于供暖空调
9、的研究；1998年，湖南大学开始对多层水平埋管换热特性进行了研究；同济大学张旭等人从1999年开始，在联合技术公司(UTC)的资助下进行了土壤太阳能复合热源的研究，主要针对长江中下游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进行测试；重庆建筑大学的刘宪英等人从1999年开始，在国家自然科学基金的资助下对浅埋竖直管换热器的采暖、供热特性进行了研究。此外，清华大学、天津大学、山东建筑工程学院及中科院广州能源研究所等高校和科研单位也对土壤源热泵进行过研究，并取碍了一定的成果。在研究领域，过去几年里国内许多大学先后建立了地源热泵实验台，进行了地下埋管换热器与地面热泵设备联合运行的实验。实验研究的重点均放在土壤热
10、泵的地下埋管换热器上，主要研究：单位管长的放热量和吸热量确定；系统的COP 和EER 确定；换热器合理管间距的确定；土壤热物性参数的确定等。理论研究主要集中在埋地换热器的传热模型与管间距和大地初始温度的研究。虽然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
11、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。在工程应用方面，1996 年至今，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，地源热泵技术正被越来越多的人们所了解。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
12、，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；热响应测试的不确定性分析等。同时，地源热泵在国内别墅中应用时常与辐射吊顶系统相结合。1.3 对地源热泵的评价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
13、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，地下土壤温度全年相对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
14、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 Energ
15、y 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。2 地热换热器模型（1）土壤初始温度场分布在理论模型计算中, 需要大地初始温度. 常用的两种模型如下：A 土壤初始温度均匀一致。B 土壤初始温度按深度方向呈现三个分区。变温带：由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化；由于受地表温度年周期性
16、变化和日周期性变化的影响, 大地初始温度Ts也具有周期性特点, 并且其变化的幅值随地层深度的增加呈自然指数规律减小. 考虑到日周期性波动的周期较小, 工程上一般忽略地表温度日周期性变化对地温的影响. 地温Ts(x,) 随地层深度x和时间的变化按Kusuda分析模型为：式中: x 为从地表面算起的地层深度,m；为从地表面温度年波幅出现算起的时间,h； ts(x ,) 为在时该深度x 处的地温, ；tm为地表面年平均温度, ；Am为地表面年周期性波动波幅, ；w 为温度年周期性波动频率,w = 2/T = 0. 00071725；T 为温度年波动周期, T = 8760h；为大地导温系数,m2/s。恒温带：其温度变化幅度几乎等于零；增温带：在恒温带以下，温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。例如，天津的变温带约在15m左右，1530m为恒温带，恒温带温度为13.5，30m以下为增温带。另外，夏热
