法智彤 褚曉麗

人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì),能源的緊張成為人類社會(huì)面臨的一大難題。節(jié)能環(huán)保型空調(diào)產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已引起世界各國(guó)的高度重視。地球表面淺層土壤吸收大量的太陽(yáng)能而形成了低位熱能資源。它常年保持恒定的溫度,遠(yuǎn)高于冬季室外溫度,又低于夏季的室外溫度。熱泵是通過(guò)做功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。以建筑物的空調(diào)為目的的熱泵系統(tǒng),在供熱時(shí)將低溫?zé)嵩粗械臒崃咳〕鰜?lái),連同所消耗的高品位能一起,向建筑物供熱;在制冷時(shí),提取建筑物中的熱量,釋放到環(huán)境熱源中去。在冷暖空調(diào)領(lǐng)域中,作為一種清潔可再生能源,地源熱泵系統(tǒng)是當(dāng)今世界上增長(zhǎng)最快的方式之一[1-3]。

1 土壤源熱泵系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

1.1 土壤源熱泵的原理

地源熱泵是一個(gè)廣義術(shù)語(yǔ),其包括以土壤、地下水和地表水為冷熱源的熱泵,即地下耦合熱泵(Ground Coupled Heat Pump,GCHP)、地下水熱泵(Ground Water Heat Pump,GWHP)、地表水熱泵(Surface Water Heat Pump,SWHP)。通常地下耦合熱泵也稱為土壤源熱泵。根據(jù)地下熱交換器的布置形式,主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇形埋管三類。垂直埋管換熱器通常采用的是U形方式,按其埋管深度可分為淺層(＜30 m),中層(30 m～100 m)和深層(＞100 m)三種。夏季制冷時(shí),大地作為排熱場(chǎng)所,把室內(nèi)熱量以及壓縮機(jī)耗能通過(guò)埋地盤(pán)管排入大地中,再通過(guò)土壤的導(dǎo)熱和土壤中水分的遷移把熱量擴(kuò)散出去。冬季供熱時(shí),大地作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩?通過(guò)埋地盤(pán)管獲取土壤中熱量為室內(nèi)供熱。兩個(gè)換熱器都既可作冷凝器又可作蒸發(fā)器,只是因季節(jié)不同而功能不同。它們之間功能的轉(zhuǎn)換由四通閥門(mén)(換向閥)控制。

1.2 土壤源熱泵的優(yōu)點(diǎn)[4,5]

1)節(jié)省占地空間。2)機(jī)組性能系數(shù)高,節(jié)能效果好。3)地下?lián)Q熱器與土壤換熱不受外界環(huán)境的影響,由于土壤溫度全年波動(dòng)很小,使土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)高40%～60%,因此能耗少,運(yùn)行工況穩(wěn)定,比傳統(tǒng)集中式空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用30%～60%[6]。4)環(huán)保、無(wú)污染。5)運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用低。6)系統(tǒng)可靠性強(qiáng),使用壽命長(zhǎng)。

1.3 土壤源熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)

1)土壤源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí),熱泵的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化的影響而波動(dòng),導(dǎo)致熱泵運(yùn)行效率下降。2)地下?lián)Q熱器的傳熱性能受土壤性質(zhì)影響較大。3)由于土壤熱導(dǎo)率較低,地下?lián)Q熱器與周?chē)寥赖膫鳠崃枯^少,因此與空氣源熱泵相比,土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)換熱面積較大。

2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與研究狀況

2.1 國(guó)外的發(fā)展與研究狀況

1912年,瑞士的H.Zoelly在一項(xiàng)專利中描述了利用土壤作為熱源的熱泵計(jì)劃[7],但是由于當(dāng)時(shí)一次能源充足,熱泵技術(shù)沒(méi)有得到重視與發(fā)展。從1974年起,瑞典、瑞士、荷蘭等國(guó)政府資助的示范工程逐步建立起來(lái),實(shí)施了30個(gè)工程開(kāi)發(fā)研究項(xiàng)目,使得地源熱泵技術(shù)日趨完善。1971年～1978年,美國(guó)進(jìn)行了多種形式地下?lián)Q熱器的測(cè)試,并引入太陽(yáng)能集熱器,組成混合土壤源熱泵系統(tǒng)。這一時(shí)期開(kāi)始采用塑料盤(pán)管代替金屬盤(pán)管。20世紀(jì)70年代末～90年代初,冷熱聯(lián)供地源熱泵的研究工作在美國(guó)率先展開(kāi)。這一時(shí)期,地源熱泵技術(shù)飛速發(fā)展并趨于成熟。目前,國(guó)外對(duì)土壤源熱泵的研究仍集中在地下?lián)Q熱器的傳熱性能上。地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)、計(jì)算模型約30多種,對(duì)所有模型的建立,關(guān)鍵是求解巖土溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化,最基本的模型可以概括為兩種:1)1948年,L.R.Ingersoll提出線熱源模型[8]。2)圓柱熱源模型。

2.2 國(guó)內(nèi)的研究與發(fā)展?fàn)顩r[8]

20世紀(jì)50年代,天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁開(kāi)展了國(guó)內(nèi)最早的熱泵研究[12],并論證了熱泵系統(tǒng)是提高低溫地?zé)崂寐屎统鞘泄┡挠行Х绞?同時(shí)介紹了地源熱泵模擬試驗(yàn),并于1965年研制了我國(guó)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)組。1989年青島建筑工程學(xué)院建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)土壤源熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái),高祖錕教授對(duì)北方地區(qū)利用水平盤(pán)管地下?lián)Q熱器的土壤源熱泵系統(tǒng)用于冬季供暖進(jìn)行了一些研究。劉憲英等從1999年開(kāi)始在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下進(jìn)行了淺埋垂直盤(pán)管地下?lián)Q熱器和水平盤(pán)管地下?lián)Q熱器的特性研究,采用系統(tǒng)能量平衡結(jié)合傳熱方程建立了垂直套管管群換熱器傳熱模型,并模擬了過(guò)渡季節(jié)大地的溫度場(chǎng)。

3 土壤源熱泵技術(shù)展望

3.1 土壤源熱泵發(fā)展面臨的問(wèn)題

1)觀念方面:空氣源熱泵和燃?xì)狻⑷济汗峒夹g(shù)相對(duì)成熟,使得人們選擇土壤源熱泵系統(tǒng)時(shí)會(huì)面臨阻力。2)土壤特性:土壤的特性隨地點(diǎn)的變化而有所差別,在一地區(qū)的研究結(jié)果可能完全不適用于另一地區(qū),必須進(jìn)行相應(yīng)的修正甚至重新研究。3)暖通空調(diào)技術(shù)與其他技術(shù)的配合:土壤源熱泵技術(shù)是暖通空調(diào)技術(shù)與鉆井技術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù),兩者缺一不可,這要求工程組織者和工程技術(shù)人員能夠合理協(xié)調(diào)、做好充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。4)初投資問(wèn)題:并不是所有的地源熱泵系統(tǒng)都是經(jīng)濟(jì)合理的,由于鉆井費(fèi)用可能占到整個(gè)系統(tǒng)初投資的50%以上,有些投資者可能會(huì)回到傳統(tǒng)的空調(diào)。5)對(duì)環(huán)境的影響:土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)鉆井對(duì)土壤熱、濕及鹽分遷移的影響研究有待進(jìn)一步深入,如何使不利因素減少到最小是必須考慮的問(wèn)題。6)地下?lián)Q熱器傳熱機(jī)理的理論研究繁多,但缺乏理論與實(shí)踐的有效結(jié)合,缺乏多環(huán)境下應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)研究以及實(shí)際有效的強(qiáng)化傳熱方法。不同冷、熱負(fù)荷下,地下?lián)Q熱器與熱泵系統(tǒng)最佳匹配技術(shù)的研究不夠。

3.2 土壤源熱泵發(fā)展的前景

地源熱泵系統(tǒng)作為一種新技術(shù),目前取得了很大的發(fā)展,雖然有許多問(wèn)題尚待解決,但是,其應(yīng)用前景非常廣闊。我國(guó)地域遼闊,各地的氣候條件和土壤條件各不相同,其中大部分地區(qū)夏熱冬冷,適合地源熱泵的使用范圍。加之我國(guó)采暖和制冷基礎(chǔ)還相對(duì)薄弱,將來(lái)需求量無(wú)可比擬,被認(rèn)為是世界上直接利用地?zé)釢摿ψ畲蟮膰?guó)家。隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)的深入人心和節(jié)能意識(shí)的加強(qiáng),建筑環(huán)境和生活水平的不斷提高,土壤源熱泵系統(tǒng)因其節(jié)約常規(guī)能源、充分利用可再生能源以及減少環(huán)境污染和資源破壞等顯著優(yōu)點(diǎn),將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)之一。

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