土壤源熱泵研究現(xiàn)狀分析

1、土壤源熱泵研究現(xiàn)狀分析目前我國南方地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)主要用空氣源熱泵作為冷熱源，由于其“室外機(jī)”受環(huán)境空氣季節(jié)性溫度變化規(guī)律的制約，夏季供冷負(fù)荷越大時(shí)對(duì)應(yīng)的冷凝溫度越高；而冬季供熱負(fù)荷越大時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度越低，為此增加了大量能耗。根據(jù)熱力學(xué)原理，若降低冷凝溫度或提高蒸發(fā)溫度都將提高制冷循環(huán)效率并節(jié)約能源。為此若能尋找到更理想的新熱源形式取代或部分取代目前多采用的空氣熱源，無疑將有廣泛的應(yīng)用前景和明顯的節(jié)能效果。與地面上環(huán)境空氣相比，地下5米以下全年土壤溫度穩(wěn)定且約等于（略高于）年平均溫度，可以分別在夏冬兩季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。所以從原理上講，土壤是一種比環(huán)境空氣更好的熱泵系統(tǒng)的冷

2、熱源。已有的研究表明土壤熱源熱泵主要優(yōu)點(diǎn)有:節(jié)能效果明顯，可比空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能約20%1；埋地?fù)Q熱器不需要除霜，減少了冬季除霜的能耗；由于土壤具有較好的蓄熱性能，可與太陽能聯(lián)用改善冬季運(yùn)行條件；埋地?fù)Q熱器在地下靜態(tài)的吸放熱，減小了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地面空氣的熱及噪音的污染。所以若能用土壤熱源熱泵部分取代空氣源熱泵，則必然節(jié)約能源并有可能形成新的空調(diào)產(chǎn)品系列。從目前已有的使用情況分析，它的主要缺點(diǎn)是：埋地?fù)Q熱器受土壤性質(zhì)影響較大；連續(xù)運(yùn)行時(shí)，熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化的影響而發(fā)生波動(dòng)；土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而使埋地?fù)Q熱器的持續(xù)吸熱速率僅為2040Wm-2，一般吸熱速率為25 Wm-2 2，導(dǎo)致埋地

3、換熱器的面積較大，如平面布置的埋地?fù)Q熱器的面積約為房間面積的2倍左右。盡管土壤熱源存在以上不足，但World Energy Conference, International Energy Agency, International Institute of Refrigeration等國際著名組織及從事熱泵的研究者都普遍認(rèn)為,在目前和將來土壤熱源熱泵是最有前途的節(jié)能裝置和系統(tǒng)，是國際空調(diào)和制冷行業(yè)前沿課題之一，也是地?zé)崂玫闹匾问健?998年美國暖通空調(diào)工程師學(xué)會(huì)的ASHRAE技術(shù)獎(jiǎng)就授予土壤熱源熱泵系統(tǒng)3，從70年代末開始，土壤源熱泵的研究逐漸活躍。歐洲在80年代初先后召開了5次大型的土

4、壤源熱泵的專題國際學(xué)術(shù)會(huì)議，瑞典已安裝了1000多臺(tái)（套）土壤源水熱泵裝置。美國從80年代初開始，在能源部（DOE）的直接資助下由ORNL（橡樹嶺）、BNL（布魯克黑文）等國家實(shí)驗(yàn)室和Oklahoma State University等研究機(jī)構(gòu)開展了大規(guī)模的研究，為土壤源熱泵的推廣起到了重要的作用。這一時(shí)期的主要工作是對(duì)埋地?fù)Q熱器的地下?lián)Q熱過程進(jìn)行研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值仿真，這些成果反映在J.E Bose、J. D Parker 4、P.D Metz 5及V.C Mei6等人的論文和研究報(bào)告中。這一階段的成果最終體現(xiàn)在兩本ASHRAE出版設(shè)計(jì)安裝手冊(cè)中7、8和文獻(xiàn)9中。90年代以來

5、，土壤源熱泵的研究熱點(diǎn)依然集中在埋地?fù)Q熱器的換熱機(jī)理、強(qiáng)化換熱及熱泵系統(tǒng)與埋地?fù)Q熱器匹配等方面。與前一階段單純采用的“線源”傳熱模型不同，最新的研究更多地關(guān)注相互耦合的傳熱、傳質(zhì)模型，以便更好的模擬埋地?fù)Q熱器的真實(shí)換熱狀況10、11；同時(shí)開始研究采用熱物性更好的回填材料，以強(qiáng)化埋管在土壤中的導(dǎo)熱過程，從而降低系統(tǒng)用于安裝埋管的初投資12、13；為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，有關(guān)埋地?fù)Q熱器與熱泵裝置的最佳匹配參數(shù)的研究也在開展14、15。國際最新研究動(dòng)態(tài)表明，有關(guān)埋地?fù)Q熱器的傳熱強(qiáng)化、土壤源熱泵系統(tǒng)仿真及最佳匹配參數(shù)的研究都是土壤源熱泵發(fā)展的“核心”技術(shù)課題，也是涉及多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域且極具挑戰(zhàn)性的研究工作。

6、自90年代初期以來，在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助下，國內(nèi)開始了對(duì)土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統(tǒng)初投資、保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行等方面的研究一直沒有突破。其主要的原因是已開展的研究絕大多數(shù)都局限于對(duì)所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試并與傳統(tǒng)的空氣熱源熱泵性能進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從而得出土壤源熱泵節(jié)能的一般性結(jié)論16-19。由于缺乏對(duì)埋地?fù)Q熱器在土壤中復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結(jié)論只適用于某一具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少而不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。綜合國內(nèi)外土壤源熱泵的研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)影響土壤熱源熱泵廣泛應(yīng)用的主要原因是：（1）缺少針對(duì)不同土壤特性或回填材料所進(jìn)行的熱物性

7、實(shí)驗(yàn)研究；（2）缺少用新的理論描述埋地?fù)Q熱器傳熱傳質(zhì)機(jī)理及強(qiáng)化傳熱過程的理論模型；（3）缺少根據(jù)不同冷、熱負(fù)荷確定合理埋地?fù)Q熱器形式并把此與土壤熱泵系統(tǒng)最佳匹配參數(shù)相結(jié)合的研究；（4）冬季從地下連續(xù)取熱時(shí)，難以保證埋地?fù)Q熱器與周圍的土壤有足夠的傳熱溫差。目前，地源熱泵系統(tǒng)突破了以往國外應(yīng)用于小規(guī)模別墅的限制，得到了蓬勃的發(fā)展。在我國，已有多處大規(guī)模地源熱泵工程實(shí)例，例如南京某工程，占地面積16萬平房米，采用了新式的樁基式地源熱泵系統(tǒng)，利用建筑現(xiàn)有樁基埋設(shè)換熱器，從而節(jié)約了系統(tǒng)初投資。另外，上海、武漢、西安、南京等地的一些實(shí)際工程，也都采用了地源熱泵系統(tǒng)，埋孔數(shù)量200600不等。大規(guī)模地源熱泵

8、系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了對(duì)于地源熱泵的理論研究，在地源熱泵系統(tǒng)中，埋地?fù)Q熱器一直是地源熱泵技術(shù)的難點(diǎn)，同時(shí)也是該項(xiàng)技術(shù)研究的核心和應(yīng)用基礎(chǔ)。所以，針對(duì)目前工程所作的研究均圍繞埋地?fù)Q熱器進(jìn)行，其主要內(nèi)容為：新型的樁基式埋地?fù)Q熱器與傳統(tǒng)的埋管式換熱器換熱性能的差異；大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響，土壤的恢復(fù)時(shí)間，以及合理的埋管間距等；U型管與W型管的換熱性能比較；U型管內(nèi)部熱干擾的影響。同濟(jì)大學(xué)地源熱泵研究情況地源熱泵自上世紀(jì)80年代末引入中國以來，同濟(jì)大學(xué)就開始了對(duì)于地源熱泵的研究。1997年在美國聯(lián)合技術(shù)公司容閎科技教育獎(jiǎng)的資助下，在同濟(jì)大學(xué)建成當(dāng)時(shí)國內(nèi)規(guī)模最大，可測(cè)項(xiàng)目最多的太陽能-土壤

9、源熱泵綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所進(jìn)行的相關(guān)基礎(chǔ)研究處于國內(nèi)領(lǐng)先，內(nèi)容主要為地源熱泵系統(tǒng)冬夏季啟動(dòng)工況的研究以及土壤類型對(duì)于換熱過程的影響研究，并發(fā)表了相關(guān)論文。近期，同濟(jì)大學(xué)暖通研究所參加了“南京朗詩”、“武漢清江花園”，“西安都市之門”、“上海明園森林花園”、“張家港楊舍鎮(zhèn)”等地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工咨詢等。針對(duì)目前國內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)規(guī)模大，埋地?fù)Q熱器數(shù)量多的特點(diǎn)，進(jìn)行了大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)對(duì)土壤溫度場(chǎng)影響及恢復(fù)特性的模擬研究。培養(yǎng)的博士及碩士研究生如下：1 周亞素 土壤熱源熱泵動(dòng)態(tài)特性與能耗分析研究 博士論文 2001.112 李元旦 土壤源熱泵冬季工況啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究3 高曉兵 華東地區(qū)土壤及土沙混合物導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究4 徐琳 土壤熱源熱泵有效導(dǎo)熱系數(shù)的分形研究及節(jié)能分析 碩士論文 20045 李雅昕 樁基式土壤源熱泵系統(tǒng)管群換熱及恢復(fù)特性研究 碩士論文 預(yù)答辯時(shí)間2007.1發(fā)表的論文如下：1.李元旦，張旭，周亞素，陳沛霖， 土壤