地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與運(yùn)行研究進(jìn)展

李國(guó)一

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 天津300456）

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程

地源熱泵具有初投資少、運(yùn)行費(fèi)用低 （耗電量只有電熱耗電量20%-25%）、運(yùn)行安全可靠、無(wú)污染和可再生能源合理利用等特點(diǎn)?！笆濉币?guī)劃中提出：非化石能源在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中將占15%以上。隨著地?zé)崮苓\(yùn)用技術(shù)快速進(jìn)步，在我國(guó)未來(lái)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(guó)外發(fā)展歷程

1998年，美國(guó)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(guó)等）國(guó)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(jì)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(jī)組大約在1,100,000臺(tái)左右，并且以每年10%的速度增長(zhǎng)，其中美國(guó)和歐洲的增長(zhǎng)速度最快。目前國(guó)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(lái)，即采用混合式地源熱泵系統(tǒng)，按照一定的控制策略運(yùn)行，以彌補(bǔ)單獨(dú)采用地源熱泵時(shí)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(yùn)行費(fèi)用，在運(yùn)行10年后可以節(jié)省44.69%的運(yùn)行費(fèi)用和40.05%的總投資。Cui等人對(duì)一個(gè)住宅建筑帶生活熱水熱回收的混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)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(guó)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(kāi)了我國(guó)熱泵的最早研究，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。1978-1999年，中國(guó)制冷學(xué)會(huì)第二專業(yè)委員會(huì)舉辦了9屆“全國(guó)余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”，1988年中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所舉辦了“熱泵在我國(guó)應(yīng)用與問(wèn)題專家研討會(huì)”，而且中國(guó)建筑學(xué)會(huì)暖通空調(diào)委員會(huì)、中國(guó)制冷學(xué)會(huì)第五專業(yè)委員會(huì)舉辦的各屆“全國(guó)暖通制冷學(xué)術(shù)年會(huì)”上增設(shè)熱泵專題。1997年中國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和美國(guó)能源部簽署了《中華人民共和國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和美利堅(jiān)合眾國(guó)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(shū)》其中主要內(nèi)容之一就是地源熱泵的開(kāi)發(fā)利用。2009年左右，我國(guó)已有160余項(xiàng)土壤源熱泵的典型工程。國(guó)家建設(shè)部、科技部、財(cái)政部等部門以及省市地方各級(jí)人民政府積極倡導(dǎo)并制定政策大力推廣該項(xiàng)技術(shù)，2006年1月l日起實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005)，進(jìn)一步挖掘該項(xiàng)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(kuò)大。

2 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與運(yùn)行研究進(jìn)展

受傳統(tǒng)老技術(shù)的制約，大多熱泵冷暖機(jī)組實(shí)際應(yīng)用效果并不夠理想，節(jié)能效果與設(shè)計(jì)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(jī)組，以及前期的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和全方位服務(wù)顯得極為重要。在某些程度上看，國(guó)內(nèi)大型地源熱泵的發(fā)展是起源于國(guó)外小型地源熱泵機(jī)組的引進(jìn)和應(yīng)用，之前大型地源熱泵在全世界各國(guó)均未得到大量開(kāi)發(fā)和使用，大部分是以商家宣傳的使用效果為主，真正對(duì)工程設(shè)計(jì)人員有參考價(jià)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(dòng)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(jì)算方法均需要進(jìn)行相關(guān)研究。

2.1 換熱器的傳熱效果優(yōu)化與評(píng)價(jià)

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(chǎng)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(diǎn)，占地面積小，安裝費(fèi)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(yùn)行阻力大，能耗偏高。

李凡等應(yīng)用有限單元法對(duì)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(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值吻合良好，為U型垂直管埋深、數(shù)量及間距的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。丁力等針對(duì)影響土壤源熱泵垂直埋管單管換熱性能的幾種因素進(jìn)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(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(shí)際工程為背景，模擬計(jì)算了管腳熱影響因子、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)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?fù)Q熱器在不同埋管方式下的換熱過(guò)程及換熱機(jī)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(fèi)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(yùn)行期間會(huì)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(yùn)行，凍土融化，就會(huì)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(yùn)行過(guò)程中，利用間歇過(guò)程，彌補(bǔ)土壤傳熱慢的缺點(diǎn)。土壤源熱泵間歇運(yùn)行時(shí)間可以改變土壤溫度的變化規(guī)律，增強(qiáng)傳熱并實(shí)現(xiàn)更佳的熱泵運(yùn)行工況。

2.3 埋地?fù)Q熱器與熱泵裝置的耦合過(guò)程研究與效果評(píng)價(jià)

研究與熱泵裝置的耦合過(guò)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(guò)分析熱泵機(jī)組各部件參數(shù)間的相互關(guān)系和運(yùn)行特性，建立了可快速準(zhǔn)確地模擬熱泵機(jī)組動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)模擬結(jié)果，表明上海地區(qū)土壤源熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)COP為3.1左右，優(yōu)于風(fēng)冷熱泵機(jī)組，是一項(xiàng)有效的節(jié)能技術(shù)，而且對(duì)環(huán)境沒(méi)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(píng)價(jià)

對(duì)于南方地區(qū)，由于冷負(fù)荷大，熱負(fù)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(duì)于北方地區(qū)，由于熱負(fù)荷大、冷負(fù)荷小，冬季可采用土壤源與太陽(yáng)能聯(lián)合使用，夏季只使用土壤源。余延順等通過(guò)控制容積法，模擬了系統(tǒng)在30個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，在不同的運(yùn)停比下，土壤溫度場(chǎng)的分布情況及土壤溫度場(chǎng)的恢復(fù)率。由此得出結(jié)論:在太陽(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)中，土壤源熱泵在以一天為周期的運(yùn)行時(shí)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(yáng)能保證率為50%-70%左右，以此作為確定太陽(yáng)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(kāi)發(fā)與利用 [J].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2001,31(2):96-102.

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［3］姜寶成,王永鏢,李炳熙.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(2):71-75.

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