《地源热泵系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地源热泵系统.docx（11页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、地源热泵系统0 前言与太阳能或地热能一样，地表热能储量格外丰富；而且地表热能不受时间、季节、地 域的限制，分布面广而且相对均匀，更具有可再生性。地源热泵技术就是地表热能利用开发 的最典型的例子。它利用地球外表浅层土壤或水源中的地热能作为冷热源，冬季通过热泵机 组将地热能传递转移到需供暖的建筑物内，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量转移到地球 土壤或水源中，从而实现冬季供暖、夏季供冷。GSHP 系统依据热源热汇不同，大致可以分为如下三种形式： GSHP 系统ground source heat pump、GWHP 系统ground water heat pump和 SWHP 系统surface w
2、ater heat pump，其中 GWHP 系统由于无法较好地解决地下水的回灌问题，在肯定程度上影响了系统的进一步推广。相比而言，随着钻井技术、土壤热性能争论的不断深入，GSHP 系统的应用越来越广泛。GSHP 系统是以大地为冷源或热源，通过中间介质通常是水或防冻液作为热载体， 并使中间介质在封闭环路(通常是塑料管组成)中循环流淌，从而实现与大地进展热量交换的 目的，并进而通过热泵实现对建筑物的空调。GSHP 空调系统主要包括三个回路：用户回路、制冷回路和地下换热器回路。依据需要也可以增加第四个回路生活热水回路。1 地源热泵系统争论现状1.1 国外争论状况土壤源热泵在国外起步较早，这要追溯到
3、 1912 年瑞士的一个专利，其进展大致可以分为以下三个阶段：第一阶段，1912 年，瑞士人佐伊利(H.ZOELLY)提出了利用土壤作为热泵热源的专利设想，但是，直到二战完毕后，才在欧洲与北美兴起对其大规模的争论与开发，这一阶段主要是对土壤源热泵进展了一系列根底性的试验争论，包括土壤源热泵运行的试验争论，埋地盘 管的试验争论，埋地盘管的数学模型的建立，同时也对土壤的热流理论方面作过争论，如开 尔文线源理论；然而，由于土壤源热泵的高投资及当时廉价的能源资源，这一阶段的争论高 潮持续到 20 世纪 50 年月中期便根本停顿了。其次阶段，1973 年，由于“能源危机”的消灭，美国和欧洲又开放了对土壤
4、源热泵大规模的试验与理论争论，欧洲在 80 年月初先后召开了 5 次大型的土壤源热泵的专题国际学术会议，瑞典在短短的几年内共安装了土壤源热泵1000 多台套，美国从 1977 年开头，重开头了对土壤源热泵的大规模争论，1978 年，BNL(Brookhaven National Laboratory)制定了土壤源热泵的争论打算，调查其作为空调系统的应用状况，并发表了一些争论成果，主要 有对土壤源热泵实际运行的计算机模拟等；资料争论说明：几乎全部的有关土壤源热泵的研 究工作都是在美国能源部的支持下，由美国 Oklahoma State University 等多所大学和BNL、ORNL 等国家级
5、重点试验室进展的，可以说，土壤源热泵的绝大局部争论工作均是在这一阶段完成的。这一时期的主要工作是对埋地换热器的地下换热过程进展争论，建立相应的数学 模型并进展数值仿真，这些成果反映在J.E Bose、J. D Parker 、P.D Metz 及 V.C Mei 等人的论文和争论报告中。这一阶段的成果最终表达在两本ASHRAE 出版设计安装手册中。第三阶段，进入二十世纪九十年月，土壤源热泵的应用与进展进入了一个全快速进展的时期，土壤源热泵在欧洲和北美快速普及，针对地源热泵机组、地热换热器，系统设计和安装有一整套标准、标准、计算方法和施工工艺。土壤源热泵的争论热点照旧集中在埋地换热器的换热机理、
6、强化换热及热泵系统与埋地换热器匹配等方面。与前一阶段单纯承受的“线 源”传热模型不同，最的争论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；同时开头争论承受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正确匹配参数的争论也在开展。国际最争论动态说明，有关埋地换热器的传 热强化、土壤源热泵系统仿真及最正确匹配参数的争论都是土壤源热泵进展的“核心”技术 课题，也是涉及多个根底学科领域且极具挑战性的争论工作。在中欧和北欧地区，土壤源热泵已成为家用热泵的主要热源：在美国，土壤源热泵因其
7、节能性、舒适性正在大力推广，在美国地源热泵系统占整个空调系统的20% ，到 1997 年底， 美国有超过3 万台GSHP 系统在家庭、学校和商业建筑中应用，每年约供给8 00011 000GWh 的终端能量，另据地源热泵协会统计， 美国有 600 多所学校安装有GSHP。目前美国地源热泵的销售数量以每年 20%的速度递增，2023 年全美销售数量达 40 万台；在加拿大，从 1990 年到 1996 年家用的土壤源热泵以每年 20的递增销量而处于各种热泵系统的首位。在实际工程应用中，北美对地源热泵应用偏重于全年冷热联供，承受闭式水环热泵系统WLHP；欧洲国家偏重于冬季供暖，往往承受热泵站方式集
8、中供热供冷。我国气候条件与美国比较相像，所以北美的方式对我国更具借鉴意义。1.2 国内争论状况从 80 年月末，我国便开头了对土壤源热泵的探究争论，但其大规模的争论工作只是在近几年才开头。据文献资料报道，国内最早的土壤源热泵争论开头于1989 年，当时，青岛建筑工程学院同瑞典皇家工学院合作建立了国内第一个土壤源热泵试验室，在于立强等同志 的指导下，先后进展了水平平铺埋管土壤源热泵供冷供热的性能及垂直U 型埋管土壤源热泵的供热供冷性能的试验争论；天津商学院制冷争论所的高祖锟等人于1989 年1993 年分别 对塑料管和铜管的水平蛇管型、螺旋管型土壤源热泵进展了冬季供温存夏季空调的性能研 究；华中
9、科技大学从 90 年月开头，在国家自然科学基金的资助下先后进展了水平单管换热的争论、地下浅层井水用于供暖空调的争论；1998 年，湖南大学开头对多层水平埋管换热特性进展了争论；同济大学张旭等人从 1999 年开头，在联合技术公司(UTC)的资助下进展了土壤太阳能复合热源的争论，主要针对长江中下游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进 行测试；重庆建筑大学的刘宪英等人从 1999 年开头，在国家自然科学基金的资助下对浅埋竖直管换热器的采暖、供热特性进展了争论。此外，清华大学、天津大学、山东建筑工程学院及中科院广州能源争论所等高校和科研单位也对土壤源热泵进展过争论，并取碍了肯定的 成果。在争论领域，过
10、去几年里国内很多大学先后建立了地源热泵试验台，进展了地下埋管换热器与地面热泵设备联合运行的试验。试验争论的重点均放在土壤热泵的地下埋管换热器 上，主要争论：单位管长的放热量和吸热量确定；系统的COP 和 EER 确定；换热器合理管间距确实定；土壤热物性参数确实定等。理论争论主要集中在埋地换热器的传热模型与管间距和大地初始温度的争论。虽然国内开头了对土壤源热泵的探究性争论，但在如何有效地降低系统初投资、保证系统的牢靠运行等方面的争论始终没有突破。其主要的缘由是已开展的争论绝大多数都局限于对所建立的试验系统进展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
11、。由于缺乏对埋地换热器在土壤中简单的传热、传质综合传递过程的深入争论，使得这些结论只适用于某一具体试验系统，所供给的根底数据较少而不能作为设计依据。综合国内外土壤源热泵的争论现状，可以觉察影响土壤热源热泵广泛应用的主要缘由 是：1缺少针对不同土壤特性或回填材料所进展的热物性试验争论；2缺少用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缺少依据不同冷、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正确匹配参数相结合的争论；4冬季从地下连续取热时，难以保证埋地换热器与四周的土壤有足够的传热温差。在工程应用方面，1996 年至今，地源热泵系统突破了以往国外应用于小规模别墅的限制，
12、得到了蓬勃的进展，地源热泵技术正被越来越多的人们所了解。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争论，在地源热泵系统中，埋地换热器始终是地源热泵技术的难点，同时也是该项技术争论的核心和应用根底。所以，针对目前工程所作的争论均围绕埋地换热器进展，其主要内容为：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；热响应测试的不确定性分析等。同时，地源热泵在国内别墅中应用时常与辐射吊顶系统相结合。1.3 对地源热泵的评价目前我国南方地区空调系统主
13、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。依据热力学原理，假设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。为此假设能查找到更抱负的热源形式取代或局部取代目前多承受的空气热源，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，地下土壤温度全年相对稳定且略高于年平均气温，可以分别 在夏冬两季供给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。已有的争论说明土壤热源热泵主要优点有:节能效果明
14、显，可比空气源热泵系统节能约20%；埋地换热器不需要除霜，削减了冬季除霜的能耗；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。所以假设能用土壤热源热泵局部取代 空气源热泵，则必定节约能源并有可能形成的空调产品系列。从目前已有的使用状况分析， 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2040Wm-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
15、为房间面积的2倍左右。尽管土壤热源存在以上缺乏，但World Energy Conference, International Energy Agency, International Institute of Refrigeration等国际著名组织及从事热泵的争论者都普遍认为 ,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。2 地热换热器模型（1） 土壤初始温度场分布在理论模型计算中, 需要大地初始温度. 常用的两种模型如下：A 土壤初始温度均匀全都
16、。B 土壤初始温度按深度方向呈现三个分区。变温带：由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化；由于受地表温度年周期性变化和日周期性变化的影响, 大地初始温度Ts 也具有周期性特点, 并且其变化的幅值随地层深度的增加呈自然指数规律减小. 考虑到日周期性波动的周期较小, 工程上一般无视地表温度日周期性变化对地温的影响. 地温 Ts(x, ) 随地层深度 x 和时间 的变化按Kusuda 分析模型为：式中: x 为从地外表算起的地层深度,m； 为从地外表温度年波幅消灭算起的时间,h；ts(x , ) 为在 时该深度 x 处的地温, ；t 为地外表年平均温度, ；Am 为地
17、外表年周期性m波动波幅, ；w 为温度年周期性波动频率,w = 2 /T = 0. 00071725；T 为温度年波动周期, T = 8760h；为大地导温系数,m2/s。恒温带：其温度变化幅度几乎等于零；增温带：在恒温带以下，温度随深度增加而上升，其热量的主要来源是地球内部的热能。例如，天津的变温带约在 15m 左右，1530m 为恒温带，恒温带温度为 13.5，30m以下为增温带。另外，夏热冬冷地区地温平均温度在15 - 20左右。（2） 土壤及回填材料热物性土壤的热物性密度、含水率、饱和度、比热容、导热系数等是设计的根本参数，土壤传热特征、温度及其变化、冻结与解冻规律等是计算的重要依据。
18、土壤的热物性打算了土壤的蓄热性能及土壤温度场的分布，进一步打算了土壤热源热泵 系统的效率凹凸、埋地换热器的尺寸大小。由于土壤质地、土壤潮湿程度、土壤透气性，在不同的国家、不同的地区、不同的城市、甚至是同一城市的不同的片区是互不一样，造成了 土壤热物性的随机性和不确定性。加之目前我国尚缺乏具体的城市土壤地质实测数据，这些 均给我国土壤热源热泵的应用和推广造成了很大的困难。早期的传热模型都是无视回填土的影响，80 年月后期在试验中觉察，回填土的性能对埋地换热器换热的影响不能无视。1999 年 Kavabaugh 对回填土的性能进展了测试，觉察一种添加粘合剂的砂土比传统使用的高密度泥土作回填土导热性
19、能高34 倍。美国电力争论院对回填土的性能也做过大量的争论。尽管在国外有较完整的数据和计算方法，但在我国尚处于开发争论阶段，宜有小型建筑起步，结合各地的地质特征，不断总结设计与施工的阅历。（3） 地热换热器模型 地热换热器的类型水平埋管就是将塑料管水平敷设在离地面1 2m 的地沟内. 水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响, 效率较低, 而且占地的面积比较大, 在国内建筑物比较密集的状况下, 它的使用受到肯定的限制. 水平埋管的地热换热器有以下几种形式: (1) 水平单管; (2) 水平双管; (3) 水平四管; (4) 水平六管5开发的水平螺旋状和扁平曲线状。实践证明, 水平换热器的寿命较
20、长。竖直埋管就是在地层中垂直钻孔, 孔的深度一般在 30 150 米. 在竖直埋管方式中,由于地下深层土壤温度比较恒定, 占地面积小, 因此在地源热泵工程中得到了广泛的应用. 竖直埋管的地热换热器的形式有以下几种: (1) 单U 型管; (2) 双U 型管或W 型管; (3) 小直径螺旋盘管; (4) 大直径的螺旋盘管; (5) 立式柱状; (6) 蜘蛛状. 在竖直埋管换热器中, 目前应用最为广泛的是单U 型管。GSHP 系统与建筑构造的完善结合桩埋管系统桩埋换热器作为一种特别的垂直埋管形式，在建筑物打地基桩时把U 型 PE 管设置在混凝土桩中，管内液体通过 U 型管与混凝土桩进展换热，继而与
21、大地进展热交换，从而削减了接触热阻。这种埋地换热器方式充分利用了建筑物的占的面积，削减了钻孔费用。国外对桩 埋地源热泵系统应用开头于上世纪八十年月，Naegelebau 公司首次在奥地利将此技术投人实际应用。自此以后，这种经济的方式在公共建筑、办公大楼、文化中心、商业用房和工业厂房等方面得到了大量的应用。确定地热换热器的长度有两种方法 : 一是估算法; 二是计算机模拟法. 所谓估算法就是首先依据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出地热换热器的放热量或吸热量 , 然后确定地热换热器的布置方式, 再依据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需地热换热器的长度. 这种方法简洁, 比较适合工
22、程设计, 但是系统的负荷大局部时间是处于局部负荷状态, 因此依据峰值负荷确定的地热换热器的长度往往过于保守, 这也增加了地热换热器的投资. 另外由于国内对地源热泵方面所做的争论工作多数仍处于试验争论阶段, 有关地热换热器在不同土壤温度和不同类型土壤的传热特性的数据比较缺乏, 因此目前还无法利用该方法准确确定换热器的长度.计算机模拟法是依据建立的地热换热器的传热模型编制出相应的计算软件 , 通过输入土壤的热物性参数和建筑物的负荷来确定地热换热器的长度.钻孔间距的大小是由钻孔的传热半径打算的, 而钻孔单位长度的换热量、连续运行时间及土壤的热物性打算了钻孔的传热半径的大小. 抱负状况是钻孔间距应大于
23、连续运行时间内钻孔的传热半径. 钻孔的传热半径可通过模拟软件计算.竖直埋管地热换热器的传热模型对于地热换热器，其整个传热过程是一个简单的非稳态的传热过程，诸如土壤的热物性、含水量、土壤温度、埋管材料、管子直径、管内流体的物性、流速等都对地热换热器的传热产生影响。在工程实际应用的模型中，通常都以钻孔壁为界，把所涉及的空间区域化分为钻 孔以外的岩土局部和钻孔内部区域两局部, 承受不同的简化假定分别进展分析。热阻分析：热流从管内流体传到远离钻孔的恒温地层中需要抑制的热阻由四局部组成：a.流体至管道内壁的对流换热热阻；b.塑料管壁的导热热阻；c.钻孔内部的导热热阻，即由管道外壁到钻孔壁的热阻；d.地层
24、的热阻，即由钻孔壁到地层远处的热阻。有关地埋管换热器的传热，迄今为止还没有普遍公认的模型和标准。国际上现有的传热模型大体上可分为两大类。第一类是以热阻概念为根底的解析解模型，其次类是以离散化数值计算为根底的数值解模型。第一类模型通常都是以钻孔壁为界将地埋管换热器传热区域分为两个区域。地埋管换热器传热模型的理论根底是：11948 年 Ingersoll 和 Plass 提出的线热源理论。该理论是把埋地换热器的埋管中心轴视为一线热源，以该轴为中心呈辐射状以定热流形式向四周土壤传热。该模型对小管径、长时间运行的系统具有较高的精度，是目前大多数土壤源热泵系统设计的理论根底。2Carslaw 和Jaeg
25、er 提出的圆柱热源理论(包括定壁温顺定热流两种模型)。该模型理论实际上是一种改进了的线热源理论，它和线热源理论的不同点在于它考虑了盘管内流体的流淌性能特征。Deerman 和 Kavanaugh 把这一理论进展为变热流的状况，使得对埋管换热器长期运行工况的模拟结果更加准确。31986 年 V. C. Mei 等人提出的建立在能量平衡根底上的三维瞬态远边界传热模型。该模型有别于线热源理论，考虑了土壤冻结相界面的移动以及回填土等因素的影响。4建立在能量平衡和质量平衡根底上，综合考虑传热传湿相互藕合过程的瞬态传热模型。A 钻孔壁以外区域的传热模型目前, 国内外学者提出了不同的简化传热模型。对钻孔以
26、外局部，代表性的模型有无限长线热源模型、有限长线热源模型和柱热源模型。实际工程中，由于每年向地下排放的热量 和提取的热量的不平衡，而导致地下土壤温度的变化。无限长线热源模型和无限长柱热源模 型均未考虑到地表边界的传热影响，有限长线热源模型更接近于实际状况。B 钻孔内区域的传热模型钻孔内的区域, 包括回填材料，管壁和管内传热介质，与钻孔外的传热过程相比较，由于其几何尺度和热容量要小得多，而且温度变化较为缓慢，因此在运行数小时后，通常可按 稳态传热过程来考虑其热阻。在钻孔内的传热模型可以归结为以下几种：一维模型、二维模 型。一维模型就是依据当量直径法将钻孔内U 型管简化为一根管子。 二维模型，就是
27、将U 型管的两根支管看作两个线热源, 钻孔壁的稳态温度场应当是这两个线热源产生的过余温度场的迭加。一维和二维模型由于均未考虑钻孔内U 型管两支管之间的热短路, 因此模型过于粗糙也不合理，也无法将地热换热器的换热量与 U 型管内流体温度联系起来。为此提出了准三维模型，即在二维模型的根底上，考虑流体温度沿深度方向的变化，此模型即为准三 维模型。钻孔内的传热模型针对U 型管、W 型管、套管式换热器各有其具体的表达式。其次类模型是离散数值计算为根底的传热模型 ，可以考虑更接近现实的状况，承受有限元或有限容积法求解地下的温度响应并进展传热分析。随着计算机技术的进步，数值方法以其适应性强的特点已成为传热分
28、析的根本手段，和进展地埋管换热器理论争论的重要工 具。（4） 管群的热分析模拟计算是解决多热源群井应用中简单因素交织关联关系的重要手段。通过充分生疏多热源群井的特性关系, 诸如初始温度、井径、热负荷、排列布置等影响特性和规律, 建立群井适配掌握方法和技术, 提出合理布置、优化系统运行模式的掌握方法。实现地域空间的地能充分利用。(1) 群井系统运行时, 各单井四周温度变化规律与一样条件下的单井系统运行时四周温度变化规律相近, 不同之处在于群井间可能发生传热交互影响, 引起整个布井区域温度场变化。随系统在供暖工况下运行, 整个温度场温度总体趋势下降,且渐渐趋于平稳。(2) 大地初始温度是打算土壤源
29、热泵运行的重要因素 , 初始温度提高 1 倍(12 24 ) , 系统运行至商定极限温度时, 运行时间和输出总热量增加约24 倍, 整体温度场降幅明显, 地能利用更加充分, 换热过程中地温下降平缓, 有利于机组运行性能提高。(3) 在输出一样功率条件下, 增大井径使井壁单位面积热负荷变小, 井壁四周地温变化趋缓, 有利于系统更长时间保持较地温。大负荷运行时, 井径影响尤为明显。(4) 对不同井径系统转变负荷, 小井径系统负荷因素影响更加敏感。承受低负荷大井径方式有利于系统高效运行和能量利用, 但不利于经济性的提高。(5) 总负荷一样时, 小间距密排布井使整体温度场变化明显 , 地域空间利用率提
30、高, 但应避开井间过分传热交互干预。（5） 影响因素分析在肯定的假设条件下，建立地埋管传热传质的数学模型，借助于计算机程序或者软件进展影响因素分析：土壤初始温度分布；土壤及回填材料热物性；管中流量对埋管换热性能的影响； 管长对埋管换热性能的影响；进水温度对埋管换热性能的影响； 埋管形式对埋管换热性能的影响；支管的间距等构造尺寸对埋管换热性能的影响； 地下渗流对埋管换热性能的影响；3 土壤热平衡问题（1） 土壤热源热泵系统的合理配置目前运行的土壤热源热泵系统普遍存在一个问题系统的配置不合理。同济大学张 旭、周亚素等争论了热泵机组各局部参数之间的匹配问题，建立了适合工程应用的动态数学模型，供给了与
31、埋地换热器运行参数关联的土壤热源热泵系统的动态仿真模型，模拟了各种环境条件下土壤热源热泵机组的工作特性。对地源热泵机组, 假设仅仅以国标名义工况标定的容量来选配压缩机, 无论是冬季或夏季均达不到设计要求。在实际计算时,应以热泵系统实际的运行工况作为设计工况来选配压缩机。在我国的南方地区,一般以冷负荷为主,在选配压缩机时,应以夏季运行工况作为设计工 况。在冷、热负荷相差不大的地区,应以冬、夏季的最不利工况作为设计工况来匹配压缩机, 在热负荷较大,且热负荷为主的地区(如我国的东北地区) , 压缩机的选择应以冬季工况作为设计工况。（2） 土壤热平衡问题因 GSHP 的自身特点而有其适用的最正确地域范
32、围,即夏热冬冷且冬夏冷热负荷相当的地区。在严寒地区由于其冬季供热负荷大于夏季供冷负荷,造成热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量,致使土壤温度有可能渐渐降低,造成冬季使用时地源热泵机组的蒸发 温度降低,致使系统供热量下降,耗功率上升,供热系数 COP 降低,一般状况下,土壤温度降低 1,会使制取同样热量的能耗增加 34 %。同理,对于南方地区,由于夏季空调冷负荷大于冬季供暖负荷,可能造成地下土壤的温度越来越高,造成机组的冷凝温度提高,致使制冷量削减,耗功率上升。因此,维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的牢靠保证。对于水平埋管的地源热泵,由于水平管埋深
33、浅,可以与地面进展充分地热交换,因此不存 在地下土壤的热平衡问题。对于垂直埋管,一般埋深大多数 30100m ,此时与地面及四周土壤的热交换量较小,依据实测和理论计算,建议冬夏向土壤的吸排热量平衡差不大于 20%为好。只要在此范围内，由于系统吸热、排热对大地温度场造成的年转变将可通过土壤的蓄热、传热以及热衰减等加以恢复。假设热平衡性相差较大,可以实行关心加热(或冷却) 方式,有的把这种带有关心加热(或冷却) 的系统称为混合式地源热泵系统。如对于南方地区，夏季炎热、冬季温存，则系统运行时夏季排热量必定远大于冬季吸热量，为保证地源热泵系统长 期稳定运行，可承受加冷却塔的方式进展关心散热。而对于北方
34、地区，冬季严寒、夏季温度 适宜，则系统运行时，冬季吸热量必定远大于夏季排热量，因此为保证地源热泵系统长期稳 定运行，可承受关心热源方式 如太阳能、生产生活废热、锅炉等供给热量。上述两种热泵系统在肯定的气候地区,与单独的GSHP 相比,一般具有节约投资和降低运行费等优点。地下渗流对土壤热平衡的影响： 在上述分析中，未考虑地下水流淌的影响。假设地下水流淌活泼，每年都可以把负荷不平衡导致的那局部多余的热量中的大局部带走，使得大地温度的变化减缓，那么负荷不平衡的影响将大大减弱。由上述可知，地源热泵系统应依据动态负荷计算选型，需进展冬夏吸放热的平衡分析。4 影响地源热泵性能的动态负荷特性参数影响地源热泵
35、性能的动态负荷特性参数：（1） 历年负荷总量的累积特性，对应的特性参数是：历年净累计排热量 Q1；历年净累计取热量 Q2。特性参数值可通过对地埋管换热器的历年累计排热量和取热量取代数和获得，排热为正，取热为负。（2） 负荷强度变化特性，对应的特性参数是负荷强度的峰谷比R ：其定义为在地源热泵系qq统的某持续运行时间段内峰值负荷qH与低谷负荷qL的比值，即 R =HqqL（3） 负荷的持续性，对应的特征参数：负荷持续时间等于地源热泵机组不连续地持续运行的时间，负荷的中断时间等于地源热泵机组两次连续运行之间的停机时间，负abt荷持续系数 Rt= ta ，Rb越大，负荷的持续性越强。5 地源热泵系统
36、的技术经济性问题影响地源热泵安装及使用经济性的因素很多，不同地区、不同地质条件、不同的能源 价格构造等都讲直接影响到其经济性。仅依据几个实际工程和几年的测试数据远不能说明一 切问题。美国等兴旺国家在地源热泵的工程应用方面已有十余年的历史，其运行数据说明： 地源热泵技术在为家庭居民带来舒适、牢靠和高效节能的同时，将成为降低国家能源消耗和 环境污染的一个主要力气。平均来说，该系统比传统空调可以节约30%40%的运行费用。尽管系统本身突出的节能环保功能, 从经济性角度来看,该系统在国内应用存在着巨大的潜在市场,但是由于受到诸多客观条件的限制,肯定程度上影响了地源热泵空调系统的进展速度。当前需要解决的
37、问题主要有:(1) 开发与地源热泵空调系统相配套的系列管材、管路配件及熔接设备和技术,这样会降低系统的初投资;(2) 形成特地的钻井、下管、及封井的设备和技术,并形成标准,进一步缩短施工周期,从而降低施工费用;(3) 由于冬季热泵的出水温度较低(约 45 ) ,因此特别适用与地板采暖系统联合运行;6 地源热泵联合系统A、太阳能与土壤热源热泵的联合运行鉴于太阳能、地热能两种低位热源热泵单独运行的缺乏，两者联合运行是一种比较合理的方案，取长补短，弥补单一热源热泵的缺乏，提高热泵系统的COP。充分利用土壤具有良好的蓄热性，储存热量供太阳能不充分时使用，同时太阳能的关心供热作用，使得埋地换热器间歇运行
38、，土壤温度场能够得到准时恢复，蒸发温度及冷凝温度波动不大，从而使热泵运行稳定。该系统可通过阀门的掌握来实现太阳能直接供暖,太阳能热泵供暖,地源热泵供暖及太 阳能集热器集热土壤蓄热的运行流程等。冬季采暖时,以太阳能及土壤中夏季蓄存的局部热量作为低位热源直接或间接通过热泵提升后供给采暖用户,同时,在土壤蓄存局部冷量以备 夏季空调用。夏季与过渡季节,太阳能集热器主要用于供给生活用热水。B、土壤蓄冷与GSHP集成系统近年来，国内有些高校开头研发土壤蓄冷与GSHP集成系统：将地源热泵技术及蓄冷技术结合在一起，取长补短，充分利用冻土蓄冷技术及地源热泵系统的优点，将蓄冷装置转移到地下换热系统中，与蓄冷装置合
39、二为一，免除了传统蓄冷系统中占地面积大、耗资较多的蓄冷装置蓄冰桶、蓄冰槽。在工程实际中，可以选用制冷、制热、蓄冰三工况机组实现地源热泵系统和冰蓄冷系统的结合。7 地源热泵的运用与前景A 地源热泵应用于北方地区时应留意的问题在南方地区,由于地温高,冬季地下埋管进水温度在 0以上,因此多承受水作为工作流体;北方地区,冬季地温低,地下埋管进水温度一般均低于 0 ,一般均使用防冻液。防冻液一般应具有使用安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、本钱低、寿命长等特点。目前应用较多的有: 盐类溶液有氯化钙和氧化钠水溶液; 乙二醇水溶液; 酒精水溶液等。承受不同的不冻液时，其热物性参数各异,导致相应的埋管内最小流速,
40、流体管内换热系数、流体阻力均与水有很大的不同,设计中应充分留意。在北方严寒地区,冬季进入地下埋管换热器的液体温度一般均在 0以下,换热器四周含湿量的土壤可能冻结。依据定性分析,水分冻结时,有大量的潜热被释放出来,因此在吸取同等 数量的热量状况下,土壤降低的温度幅度小, 水分越多,释放的潜热越多,温度降低幅度越小, 在邻近换热器埋管的土壤温度越高。假设设计中不考虑土壤中水分冻结的影响,计算出的地 下埋管四周的温度场偏低与实际状况偏差较大, 水分越多,差异越大,因此设计中应考虑水 分冻结的影响。但目前有关岩土冻结和其计算方法方面的争论文献不多,但可以确定土壤冻 结对地下埋管换热是有利的。B 地源热
41、泵空调技术的争论开发与应用前景地源热泵系统争论开发的主要内容：（1） 土地换热器的设计计算方法及其优化空调系统的设计虽然有多种多样的型式，但承受传统的锅炉和制冷机还是承受地源热泵为冷热源对建筑物内部空调系统的设计影响不大。系统与传统系统的差异在于增加了地热 换热器。这种换热器与工程中通常遇到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋 管中的流体与固体地层的换热。由于这一传热过程涉及的物理模型很简单，现有的设计计算方法得出的结论相差很大。我们要结合中国的国情建立传热模型和设计计算方法；并进 一步研制计算机关心设计和优化的软件。埋地换热器作为热泵与土壤进展热交换的唯一设备，其传热效果对热泵的性
42、能系数起打算性的作用，因此，必需进下研制与开发各种形式的高效埋地换热器，提高换热效率，并加强其在建筑物中的合理布置及应用。开发成熟的可供工程设计参考的设计计算方法。（2） 确定土地地层热物理性质的方法土壤作为热泵的排热与吸热场所，其物理特性对对热泵运行效率起着关键性的作用，因此，必需进一步加强对各种土壤构造和地层状况的换热过程的试验争论和模拟分析，深入探究各种土壤状况下不同埋地换热器在不同埋管方式下的换热过程及换热机理，并建立相应的传热模型。（3） 地源热泵空调系统的仿真及其优化在地源热泵空调系统中土地换热器与热泵是和建筑物内部的空调系统共同组成一个大系统而共同工作的。而这样的空调系统又与传统
43、的空调系统有一些不同的特点。为了充分发挥地源热泵系统的节能优势，需要对整个空调系统进展仿真，以便在设计和运行这样的空调系统时能够得到优化。进一步完善埋地换热器与热泵机组的匹配技术，合理确定埋地换热器的形式、大小及热泵机组的功率；加强土壤源热泵系统自动掌握技术的争论，实现埋地换热器工作特性与热泵系统的自动匹配。（4） 相关设备及技术的开发在进展地源热泵的初期曾承受金属埋管，因此产生了耐久性的问题。随着塑料工业的进展，现在地源热泵的地热换热器已普遍承受高密度聚乙烯或聚丙烯管。假设要推广地源热泵技术，就需要开发与之相配套的系列管材、管路配件以及熔接设备和技术，并需要有特地的钻井、下管及封井的技术标准
44、及相应的施工设备等。同时，还需要研制和开发具有加热生活用水功能、适用于地热换热器循环水参数的热泵系列。地热是一种可再生的自然能源。据估量,全世界地热资源总量约为 1. 45 1026J ,相当于4 9481012t 标准煤。依据地源热泵 20 年来的进展趋势,其系统技术的进展大致有如下三个方向：(1) 综合利用热能的趋势。将来的地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和 制冷,更趋向于将供热的废弃能量(冷能) 和制冷的废弃能量(热能) 综合利用,比方用供热的废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等,用制冷的废弃热能供给温室养殖、种植和生活热水等。(2) 一体化趋势。随着材料和工艺的开发,将来的地源
45、热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化,使取热和传热的效率更高。(3) 实地建筑的趋势。随着人们对居住和生活环境要求的不断提高,越来越多的建筑物需要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此,充分利用建筑物的空间和周边的自然环境和自然能源,因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热泵系统也将是一个进展方向。地源热泵系统有可能成为的经济增长点随着我国经济的进展和人民生活水平的提高，供热和空调已成为城镇居民的根本生活需求，并渐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。而地源热泵由于其技术上的优势，将成为中小型生态建筑空调冷热源合理可行的选择方案之一。用一席之地，得冷暖两供，将成为越来越多的建筑业主和
46、一般百姓的共识。在将来的日子, 中国面临着巨大的能源和环保压力, 中国的经济要保持较高速度的增长, 同时又必需考虑环保和可持续进展问题, 因此要求调整能源构造, 提高能源利用效率。地源热泵空调技术以其节能、环保和可持续进展的突出优点, 已成为空调供暖工程优先选择的方案之一。地源热泵的大力推广需要政府的政策引导及公众对地源热泵技术的更多了解,信任通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,地源热泵肯定能在我国得到较快的推广和进展。参考文献1S. Kavanaugh. Design consideration for ground and water source heat pump s in
47、 southern climates J . ASHRAE Transact ions, 1989, 95 (1) : 113921148.2 Per Eskillson. Thermal Analysis of Heat Extract ion Bore holesM. Dep. Of Mathematical Physics University of L und, Sweden, 1987.3 Cane R L D, Forgas D A. Modeling of GSHP performance. In: ASHRAE Trans. 19，9197(1). 909-925 4Inger
48、soll L R, Plass H J. Theory of the ground pipe heat source for the heat pump. HPAC, 1948,20(7):119-1225 Ingersoll L R, Zobel O J, Ingersoll A C. Heat Conduction with Engineering, Geological and Other Applications. New York: McGraw-Hill Co, 1956 Carslaw H S, Jaeger J C.Conduction of Heat in Solids. Oxford: Claremore Press, 1947.