李國一

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，中國 天津300456）

1 國內(nèi)外發(fā)展歷程

地源熱泵具有初投資少、運行費用低 （耗電量只有電熱耗電量20%-25%）、運行安全可靠、無污染和可再生能源合理利用等特點。“十二五”規(guī)劃中提出：非化石能源在未來能源結(jié)構(gòu)中將占15%以上。隨著地?zé)崮苓\用技術(shù)快速進步，在我國未來能源利用中，地?zé)崮艿睦帽貙⒄加懈鼮橹匾牡匚弧?/p>

1.1 國外發(fā)展歷程

1998年，美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19%，新建筑中占30%。而中、北歐（如瑞典、瑞士、奧地利、德國等）國家利用淺層地?zé)豳Y源主要用于室內(nèi)地板輻射供暖和提供生活熱水。1999年統(tǒng)計地源熱泵為家用的供熱裝置中所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。

截至2004年，全球的地源熱泵機組大約在1,100,000臺左右，并且以每年10%的速度增長，其中美國和歐洲的增長速度最快。目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的方式是將地源熱泵與各種其他形式的散熱(吸熱)設(shè)施結(jié)合起來，即采用混合式地源熱泵系統(tǒng)，按照一定的控制策略運行，以彌補單獨采用地源熱泵時所存在的缺陷。最優(yōu)化的混合式地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)相比，可以節(jié)省35%的初投資，在最初5年可以節(jié)省20.79%的運行費用，在運行10年后可以節(jié)省44.69%的運行費用和40.05%的總投資。Cui等人對一個住宅建筑帶生活熱水熱回收的混合式地源熱泵系統(tǒng)進行了模擬分析。結(jié)果表明混合式地源熱泵系統(tǒng)有效的緩解了地埋管換熱器的熱不平衡性，并能提供95%的生活熱水需求；與電熱水器相比可以節(jié)省79%的生活熱水能源消耗。

1.2 國內(nèi)發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代，天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授就展開了我國熱泵的最早研究，并于1965年研制了我國第一臺水冷式熱泵空調(diào)機組。1978-1999年，中國制冷學(xué)會第二專業(yè)委員會舉辦了9屆“全國余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會議”，1988年中國科學(xué)院廣州能源研究所舉辦了“熱泵在我國應(yīng)用與問題專家研討會”，而且中國建筑學(xué)會暖通空調(diào)委員會、中國制冷學(xué)會第五專業(yè)委員會舉辦的各屆“全國暖通制冷學(xué)術(shù)年會”上增設(shè)熱泵專題。1997年中國國家科學(xué)技術(shù)委員會和美國能源部簽署了《中華人民共和國國家科學(xué)技術(shù)委員會和美利堅合眾國能源部能源效率和可再生能源技術(shù)發(fā)展與利用領(lǐng)域合作議定書》其中主要內(nèi)容之一就是地源熱泵的開發(fā)利用。2009年左右，我國已有160余項土壤源熱泵的典型工程。國家建設(shè)部、科技部、財政部等部門以及省市地方各級人民政府積極倡導(dǎo)并制定政策大力推廣該項技術(shù)，2006年1月l日起實施國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005)，進一步挖掘該項節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用潛力，使其在建筑節(jié)能中的作用不斷擴大。

2 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與運行研究進展

受傳統(tǒng)老技術(shù)的制約，大多熱泵冷暖機組實際應(yīng)用效果并不夠理想，節(jié)能效果與設(shè)計前相比存在一定誤差。因此，根據(jù)不同環(huán)境選擇特定熱泵機組，以及前期的精準(zhǔn)設(shè)計和全方位服務(wù)顯得極為重要。在某些程度上看，國內(nèi)大型地源熱泵的發(fā)展是起源于國外小型地源熱泵機組的引進和應(yīng)用，之前大型地源熱泵在全世界各國均未得到大量開發(fā)和使用，大部分是以商家宣傳的使用效果為主，真正對工程設(shè)計人員有參考價值的資料較少，因此，埋地傳熱器性能優(yōu)化技術(shù)，熱泵工質(zhì)、驅(qū)動設(shè)備、智能控制系統(tǒng)優(yōu)化，以及地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能量計算方法均需要進行相關(guān)研究。

2.1 換熱器的傳熱效果優(yōu)化與評價

埋管換熱器可分為水平埋管，垂直埋管和螺旋形埋管三大類。水平埋管形式適合于有足夠空閑場地的地方，其埋管深度通常在1.2-3米。垂直埋管適合于10-100米埋深的U型垂直埋管或套管。螺旋型埋管形式結(jié)合了兩者的優(yōu)點，占地面積小，安裝費用低，但其管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜管道加工困難，且系統(tǒng)運行阻力大，能耗偏高。

李凡等應(yīng)用有限單元法對土壤熱源地下U型垂直埋管周圍土壤的非穩(wěn)態(tài)溫度場進行了數(shù)值模擬，其結(jié)果與試驗測試值吻合良好，為U型垂直管埋深、數(shù)量及間距的設(shè)計提供了參考依據(jù)。丁力等針對影響土壤源熱泵垂直埋管單管換熱性能的幾種因素進行分析研究，得到盤管物理特性與換熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，并利用數(shù)值計算方法進行數(shù)值模擬，計算值與實測值吻合的較好。趙軍等采用能量平衡法建立了土壤層內(nèi)U型管樁埋換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并以天津市某地源熱泵實際工程為背景，模擬計算了管腳熱影響因子、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等對U型管樁埋換熱器的傳熱性的影響。

2.2 各種土壤狀況下不同埋地換熱器在不同埋管方式下的換熱過程及換熱機理分析

土壤的溫度、熱特性、熱傳導(dǎo)性、熱傳導(dǎo)性、密度、濕度等也是影響系統(tǒng)性能的因素。例如，卵石性土壤導(dǎo)熱系數(shù)高，但施工費用大，因此，粘土和沙地是埋管系統(tǒng)較合適的土壤類型，另外，土壤潮濕可以加大土壤導(dǎo)熱系數(shù)。熱泵在運行期間會在盤管周圍因土壤的凍結(jié)出現(xiàn)土壤凍土層，試土壤膨脹，與管道接觸緊密而傳熱系數(shù)增大，但熱泵一旦停止運行，凍土融化，就會使土壤位移。從而在土壤與盤管間出現(xiàn)空隙，由于空氣的存在，使導(dǎo)熱系數(shù)大幅下降。為避免這種情況發(fā)生，應(yīng)采用沙土回填。范萍萍等提出在地源熱泵運行過程中，利用間歇過程，彌補土壤傳熱慢的缺點。土壤源熱泵間歇運行時間可以改變土壤溫度的變化規(guī)律，增強傳熱并實現(xiàn)更佳的熱泵運行工況。

2.3 埋地換熱器與熱泵裝置的耦合過程研究與效果評價

研究與熱泵裝置的耦合過程的目的在于優(yōu)化熱泵裝置子系統(tǒng)的性能。周亞素等通過分析熱泵機組各部件參數(shù)間的相互關(guān)系和運行特性，建立了可快速準(zhǔn)確地模擬熱泵機組動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型。通過模擬結(jié)果，表明上海地區(qū)土壤源熱泵機組的制熱性能系數(shù)COP為3.1左右，優(yōu)于風(fēng)冷熱泵機組，是一項有效的節(jié)能技術(shù)，而且對環(huán)境沒有污染，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

2.4 土壤源與其他熱源聯(lián)合使用與效果評價

對于南方地區(qū)，由于冷負荷大，熱負荷小，夏季可采用冷卻塔和土壤源聯(lián)合使用，冬季只使用土壤源；對于北方地區(qū)，由于熱負荷大、冷負荷小，冬季可采用土壤源與太陽能聯(lián)合使用，夏季只使用土壤源。余延順等通過控制容積法，模擬了系統(tǒng)在30個運行周期內(nèi)，在不同的運停比下，土壤溫度場的分布情況及土壤溫度場的恢復(fù)率。由此得出結(jié)論:在太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)中，土壤源熱泵在以一天為周期的運行時間分配比例為33%-50%左右為宜，并以此反推，推算出哈爾濱地區(qū)最佳的太陽能保證率為50%-70%左右，以此作為確定太陽能集熱器集熱面積的依據(jù)。

［1］高青,于鳴.效率高、環(huán)保效能好的供熱制冷裝置——地源熱泵的開發(fā)與利用 [J].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2001,31(2):96-102.

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