地源熱泵技術、應用問題

（應用前景、制約條件、技術動態）

地下換熱器設計

地下換熱器設計是地源熱泵系統有別于其他系統之所在。地下換熱器的設計是否合理直接影響到熱泵的性能和運行的經濟性。

（1）確定地下換熱器埋管形式：地下換熱器的埋管主要有兩種形式,即豎直埋管和水平埋管。選擇哪種方式主要取決于場地大小、當地巖土類型及挖掘成本。在各種豎直埋管換熱器中,目前應用最為廣泛的是單U形管。

（2）確定管路的連接方式：地下換熱器管路連接有串聯方式與并聯方式兩種。采用何種方式,主要取決于安裝成本與運行費。對豎直埋管系統,并聯方式的初投資及運行費均較經濟。且為保持各環路之間的水力平衡,常采用同程式系統。

（4）地下換熱器的尺寸確定及布置：

①確定地下換熱器換熱量

夏季與冬季地下換熱器的換熱量可分別根據以下計算式確定：

（1）

（2）

式中Q0為熱泵機組制冷量,Qk為熱泵機組制熱量,COP1,COP2分別為熱泵機組制冷、制熱時的性能系數。地源熱泵系統COP在3.5～4.4之間。

②確定地下換熱器長度

地下換熱器的長度與地質、地溫參數及進入熱泵機組的水溫有關。在缺乏具體數據時,可依據國內外實際工程經驗,按每m管長換熱量35～55W來確定地下換熱器所需長度。

③確定地下換熱器鉆孔數及孔深等參數

豎埋管管徑確定后,可根據（3）式來確定鉆孔數:

（3）

式中n為鉆孔數W為機組水流量,L/v為豎埋管管內流速,m/s,di為豎埋管管內徑,mm。

各孔中心間距一般取4.5m左右。對豎直單U形管,埋管深度一般為40～90m,孔深h可根據式(4)確定:

（4）

④地下換熱器阻力計算：

地下換熱器阻力包括沿程阻力和局部阻力。

⑤地下換熱器環路水泵選型

⑥地下換熱器水管承壓能力校核

地源熱泵系統的運行性能與地下埋管的設計及施工質量有密切關系,因此要提高設計人員的設計能力,并不斷完善地下換熱器的安裝、施工技術。

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,地源熱泵一定能在我國得到較快的推廣和發展。

地源熱泵技術（GSHP）

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、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，夏季通過熱泵機組將建筑物內的熱量轉移到地球土壤或水源中，從而實現冬季供暖、夏季供冷。GSHP系統按照熱源（熱匯）不同，大致可以分為如下三種形式：GSHP系統（groundsourceheatpump）、GWHP系統（groundwaterheatpump）和SWHP系統（surfacewaterheatpump），其中GWHP系統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系統的應用越來越廣泛。

土壤源熱泵研究現狀分析

目前我國南方地區空調系統主要用空氣源熱泵作為冷熱源，由于其“室外機”受環境空氣季節性溫度變化規律的制約，夏季供冷負荷越大時對應的冷凝溫度越高；而冬季供熱負荷越大時對應的蒸發溫度越低，為此增加了大量能耗。根據熱力學原理，若降低冷凝溫度或提高蒸發溫度都將提高制冷循環效率并節約能源。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能效果。

與地面上環境空氣相比，地下5米以下全年土壤溫度穩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溫度。所以從原理上講，土壤是一種比環境空氣更好的熱泵系統的冷熱源。已有的研究表明土壤熱源熱泵主要優點有:節能效果明顯，可比空氣源熱泵系統節能約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，可與太陽能聯用改善冬季運行條件；埋地換熱器在地下靜態的吸放熱，減小了空調系統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，則必然節約能源并有可能形成新的空調產品系列。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影響較大；連續運行時，熱泵的冷凝溫度或蒸發溫度受土壤溫度變化的影響而發生波動；土壤導熱系數小而使埋地換熱器的持續吸熱速率僅為20－40Wm-2，一般吸熱速率為25Wm-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WorldEnergyConference,InternationalEnergyAgency,InternationalInstituteofRefrigeration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能裝置和系統，是國際空調和制冷行業前沿課題之一，也是地熱利用的重要形式。1998年美國暖通空調工程師學會的ASHRAE技術獎就授予土壤熱源熱泵系統。

從70年代末開始，土壤源熱泵的研究逐漸活躍。歐洲在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，瑞典已安裝了1000多臺（套）土壤源－水熱泵裝置。美國從80年代初開始，在能源部（DOE）的直接資助下由ORNL（橡樹嶺）、BNL（布魯克黑文）等國家實驗室和OklahomaStateUniversity等研究機構開展了大規模的研究，為土壤源熱泵的推廣起到了重要的作用。這一時期的主要工作是對埋地換熱器的地下換熱過程進行研究，建立相應的數學模型并進行數值仿真，這些成果反映在、、及等人的論文和研究報告中。這一階段的成果最終體現在兩本ASHRAE出版設計安裝手冊中。

90年代以來，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與埋地換熱器匹配等方面。與前一階段單純采用的“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，從而降低系統用于安裝埋管的初投資；為進一步優化系統，有關埋地換熱器與熱泵裝置的最佳匹配參數的研究也在開展。國際最新研究動態表明，有關埋地換熱器的傳熱強化、土壤源熱泵系統仿真及最佳匹配參數的研究都是土壤源熱泵發展的“核心”技術課題，也是涉及多個基礎學科領域且極具挑戰性的研究工作。

自90年代初期以來，在國家自然科學基金委員會的資助下，國內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初投資、保證系統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都局限于對所建立的實驗系統進行性能測試并與傳統的空氣熱源熱泵性能進行技術經濟比較，從而得出土壤源熱泵節能的一般性結論。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，所提供的基礎數據較少而不能作為設計依據。

綜合國內外土壤源熱泵的研究現狀，可以發現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機理及強化傳熱過程的理論模型；（3）缺少根據不同冷、熱負荷確定合理埋地換熱器形式并把此與土壤熱泵系統最佳匹配參數相結合的研究；（4）冬季從地下連續取熱時，難以保證埋地換熱器與周圍的土壤有足夠的傳熱溫差。

目前，地源熱泵系統突破了以往國外應用于小規模別墅的限制，得到了蓬勃的發展。在我國，已有多處大規模地源熱泵工程實例，例如南京某工程，占地面積16萬平房米，采用了新式的樁基式地源熱泵系統，利用建筑現有樁基埋設換熱器，從而節約了系統初投資。另外，上海、武漢、西安、南京等地的一些實際工程，也都采用了地源熱泵系統，埋孔數量200～600不等。

大規模地源熱泵系統的廣泛應用，促進了對于地源熱泵的理論研究，在地源熱泵系統中，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，其主要內容為：新型的樁基式埋地換熱器與傳統的埋管式換熱器換熱性能的差異；大規模地源熱泵系統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型管內部熱干擾的影響等。

同濟大學地源熱泵研究情況

地源熱泵自上世紀80年代末引入中國以來，同濟大學就開始了對于地源熱泵的研究。1997年在美國聯合技術公司容閎科技教育獎的資助下，在同濟大學建成當時國內規模最大，可測項目最多的太陽能-土壤源熱泵綜合實驗臺，所進行的相關基礎研究處于國內領先，內容主要為地源熱泵系統冬夏季啟動工況的研究以及土壤類型對于換熱過程的影響研究，并發表了相關論文。近期，同濟大學暖通研究所參加了“南京朗詩”、“武漢清江花園”，“西安都市之門”、“上海明園森林花園”、“張家港楊舍鎮”等地源熱泵系統的設計、施工咨詢等。針對目前國內地源熱泵系統規模大，埋地換熱器數量多的特點，進行了大規模地源熱泵系統對土壤溫度場影響及恢復特性的模擬研究。培養的博士及碩士研究生如下：

1．周亞素土壤熱源熱泵動態特性與能耗分析研究博士論文2001.11

2．李元旦土壤源熱泵冬季工況啟動特性的實驗研究

3．高曉兵華東地區土壤及土沙混合物導熱系數的實驗研究

4．徐琳土壤熱源熱泵有效導熱系數的分形研究及節能分析碩士論文2004

5．李雅昕樁基式土壤源熱泵系統管群換熱及恢復特性研究碩士論文預答辯時間2007.1

發表的論文如下：

1.李元旦，張旭，周亞素，陳沛霖，土壤源熱泵冬季工況啟動特性的實驗研究，暖通空調，2001（1），vol31,17-20.

2.張旭，高曉兵華東地區土壤及土沙混合物導熱系數的實驗研究，暖通空調，2004(5)，vol34,83-89.

3.徐琳，張旭土壤熱源熱泵系統節能分析，煤氣與熱力，2006（3），vol26,42-44.

3.2.1GSHP系統推廣應用急需解決的關鍵技術

作為一項橫跨土壤環境學、鉆探、熱質交換、制冷供暖、材料學等多學科的新技術，其關鍵技術的突破需要多學科的技術人員跨學科相互合作。

（1）埋地換熱器傳熱模型的研究

埋地換熱器傳熱模型的主要目的是建立熱泵運行期間土壤溫度場的分布，目前主要的基礎理論是線源理論、BNL修正的線源理論，基于此，相繼發展了著名的、IGSHPA、NWWA埋地換熱器傳熱模型。

（2）回填材料的研發

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現，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，發現一種添加粘合劑的砂土比傳統使用的高密度泥土作回填土導熱性能高3～4倍。美國電力研究院[EPRI(1981),(197)]對回填土的性能也做過大量的研究。

（3）土壤熱源熱泵系統的合理配置

目前運行的土壤熱源熱泵系統普遍存在一個問題——系統的配置不合理。周亞素研究了熱泵機組各部分參數之間的匹配問題，建立了適合工程應用的動態數學模型，提供了與埋地換熱器運行參數關聯的土壤熱源熱泵系統的動態仿真模型，模擬了各種環境條件下土壤熱源熱泵機組的工作特性。

（4）土壤熱物性的研究

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，進一步決定了土壤熱源熱泵系統的效率高低、埋地換熱器的尺寸大小。由于土壤質地、土壤潮濕程度、土壤透氣性，在不同的國家、不同的地區、不同的城市、甚至是同一城市的不同的片區是互不相同，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實測數據，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。

此外，GSHP系統的成功應用還與政府政策引導、地下管井的設計與施工、地質探測技術、地下水水質處理技術、地下水的回罐技術等分不開的?？傊珿SHP系統是一個整體設計，需要從政府政策、主機設計制造、系統的設計和運行管理等各個方面來共同參與。

3.2.2GSHP系統與建筑結構的完美結合——樁埋管系統

在GSHP系統中，埋地換熱器有兩種常見的方式：水平埋設和垂直埋設。前者埋地淺，單位管長換熱能力低，占地面積大；后者換熱能力高，但也增加了鉆孔的費用。

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。自此以后，這種經濟的方式在公共建筑、辦公大樓、文化中心、商業用房和工業廠房等方面得到了大量的應用。

3.2.3土壤蓄冷與GSHP集成系統

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的優點，將蓄冷裝置轉移到地下換熱系統中，與蓄冷裝置合二為一，免除了傳統蓄冷系統中占地面積大、耗資較多的蓄冷裝置（蓄冰桶、蓄冰槽）。

【復合式地源熱泵系統】

太陽能與土壤熱源熱泵的聯合運行

鑒于太陽能、地熱能兩種低位熱源熱泵單獨運行的不足，兩者聯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，蒸發溫度及冷凝溫度波動不大，從而使熱泵運行穩定。

熱響應測試

地源熱泵在國內別墅中應用時常與輻射吊頂系統相結合。

地源熱泵系統應依據動態負荷計算選型，需進行冬夏吸放熱的平衡分析。

參考文獻

王鵬英，上海地區別墅建筑地源熱泵空調系統設計，，

張旭，太陽能－土壤源熱泵及其相關基礎理論研究，同濟大學博士后報告，1999.12

3、太陽能－土壤源熱泵

從節約能源，保護環境，開發利用新能源和可再生能源的角度出發，考慮綜合利用太陽能和土壤熱，以太陽能、土壤熱作為熱泵的復合低位熱源。

3.1兩者結合的背景

（1）太陽能熱泵是以太陽輻射能作為低位熱源的熱泵。太陽輻射強度隨著季節、早晚、晝夜有規律地變化，因此它具有很大的不穩定性，所以利用太陽能必須解決太陽能的間歇性和不可取性問題。這就需要設有一定容量的蓄熱裝置或其他形式的輔助熱源。

（2）將太陽能利用系統的集熱器安裝在土壤源熱泵環路中，集熱器向傳熱介質供熱，可以減小土壤源熱泵的尺寸，提高熱泵效率。

（3）太陽能集熱器和埋地盤管的組合，具有很大的靈活性，彌補了單獨熱源熱泵的不足。一年四季可以利用，提高了裝置的利用系數。

3.2兩者結合的工作原理

（1）當太陽能集熱器所提供的熱量能滿足建筑物的熱需要時，可以由太陽能集熱器直接將熱量供給采暖系統或用太陽能熱泵采暖；

（2）當集熱器提供的熱量富余時，可用儲熱器儲存起來供夜間或陰雨天使用；

（3）當集熱器供給的熱量不足以建筑物的需熱量時，可以用熱泵來降低集熱器的溫度，提高集熱器的集熱效率，可以獲得更多的熱量；

（4）若還不能滿足要求，則太陽能熱泵供熱不足的時間由土壤源熱泵或儲熱裝置補足，太陽能熱泵裝置與供暖季節需熱率不一致的缺點，正是土壤源熱泵的優點；同時對土壤源熱泵，也由于太陽能熱泵的加入，便可實現間歇運行，使土壤源熱泵性能系數得以提高。

在太陽能－土壤源熱泵的設計中，需考慮太陽能和土壤作為熱泵熱源時的誰主誰輔以及太陽能集熱裝置容量的確定等問題，這需要從系統的初投資、所在地區太陽能資源的情況、土壤的熱物性參數、系統運行的可取性等方面加以考慮。

3.3研究方向及問題所在

（1）太陽能－土壤源熱泵系統的初投資較高，研究如何提高系統運行的可靠性及如何實現太陽能與土壤熱源的最佳結合。

（2）傳統的埋地換熱器傳熱模型忽略了潮濕土壤的熱濕遷移對地下埋管換熱器的傳熱性能的影響，因此需要建立新的換熱器傳熱傳質模型，研究提高換熱器換熱性能的方法。

（3）針對不同的冷、熱負荷，不同的地區，不同的運行形式下，研究如何合理地確定地下埋管換熱器、太陽能集熱器的形式及容量并將它與太陽能－土壤源熱泵系統的最佳匹配參數相結合。

（4）對這種新的空調系統形式進行計算機運行能耗模擬分析，預測在全國各地使用這種新系統的運行能耗情況，推動這種新系統在實際工程中的應用。

（5）太陽的能源密度、土壤的熱流率低，因此需要的換熱器及太陽能集熱器的面積大，應用受建筑物的環境條件及建筑物的負荷量大小的限制。

（6）太陽能－土壤源熱泵系統的研究還沒有形成一套完整的理論體系，應用基礎數據不足，還不能為太陽能－土壤源熱泵的應用提供充足的理論依據。