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土壤源热泵现状分析

  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20-40Wm-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等国际着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200~600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。

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