序言
隨著當(dāng)今傳統(tǒng)能源的日趨枯竭及環(huán)境污染的加劇，在“節(jié)能減排”的國策指導(dǎo)下，地源熱泵系統(tǒng)因其顯著的節(jié)能、環(huán)保、高效益用等特點(diǎn)而愈加受到人們的重視。自上世紀(jì)90年代國內(nèi)展開地源熱泵技術(shù)研究以來，已經(jīng)過了約二十年的發(fā)展歷程。吸收了國外的應(yīng)用研究成果，地源熱泵技術(shù)在國內(nèi)已取得了一定的研發(fā)進(jìn)展。重慶大學(xué)自上世紀(jì)90年代開始，也在此領(lǐng)域開展了一系列的理論與實(shí)踐研究，積累了大量設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行的數(shù)據(jù)資料及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。本文主要對近幾年重慶大學(xué)科研組在地源熱泵系統(tǒng)方面所做的研究進(jìn)行綜述。
1地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗(yàn)研究
早在1990年前后，隨著國外的地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用研究成果在國內(nèi)逐漸普及，原重慶建筑大學(xué)（現(xiàn)重慶大學(xué)B區(qū)）的馮雅就對利用淺地層蓄能的橫埋管道冷卻或加熱空氣以改善室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了研究[1]。到上世紀(jì)90年代末，重慶大學(xué)劉憲英教授帶領(lǐng)課題組成員，在自行建設(shè)的10kW淺埋豎直套管式地下?lián)Q熱器地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)上，進(jìn)行了為期四年的冬季、夏季連續(xù)間歇運(yùn)行、變水量運(yùn)行以及淺埋水平埋管的換熱研究，以及過渡季大地溫度場測試，得到了大量實(shí)測數(shù)據(jù)[2] ~[4][11]~ [13]。重慶大學(xué)的胡鳴明、丁勇等采用能量平衡結(jié)合熱傳導(dǎo)方程，并輔以管群修正系數(shù)，建立了淺埋豎管地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)的傳熱模型，并按徑向和管長方向建立了二維傳熱方程用于計(jì)算過渡季大地溫度場的恢復(fù)情況，并將數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行了比較 [5]。在2001~2003年，重慶大學(xué)孫純武、丁勇、胡彥輝等人新搭建了制冷量為7Kw的U形管地下?lián)Q熱器地源熱泵系統(tǒng)，圍繞50m垂直深埋U型管地源熱泵冬季運(yùn)行開展了研究，進(jìn)行了為期一個(gè)月的原始地溫測試和長達(dá)三個(gè)月的供熱運(yùn)行測試[10]。
在理論研究的同時(shí)，課題組記錄了冬、夏季定水量的運(yùn)行效果和變水量運(yùn)行時(shí)各性能指標(biāo)的變化。通過地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)冬夏冷暖聯(lián)供測試，針對具體工程初步獲得了如下結(jié)論：
1）、冬季運(yùn)行測試結(jié)果表明，在保持室溫 17～22 ℃情況下，土壤源熱泵系統(tǒng)供熱性能系數(shù) COP = 3.06，單位埋管深度換熱量qL =77.93W/ m。夏季連續(xù)運(yùn)行，保持室溫21～27 ℃情況下，其系統(tǒng)制冷能效比 EER = 3. 46，單位埋管深度換熱量qL =90.6W/ m。
2）、埋管單位深度的換熱量qL，是衡量地源熱泵系統(tǒng)的重要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。系統(tǒng)水流量是影響qL大小的重要因素，通過變水量測試，得到了該系統(tǒng)每組套管式換熱器管流量 600L/ h 左右時(shí)為最佳流量，在此流量下，熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)及qL值為最大。
3）、采用能量平衡結(jié)合熱傳導(dǎo)方程，并輔以管群修正系數(shù)，建立了淺埋豎管地源熱泵系統(tǒng)傳熱模型。經(jīng)與實(shí)測值比較，計(jì)算值比實(shí)測值偏低10 %左右。若適當(dāng)加以修正，對地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有重要的參考價(jià)值。
2.地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)的研究
隨著地源熱泵技術(shù)的不斷成熟與應(yīng)用的逐漸廣泛，對地源熱泵技術(shù)的研究向著更深層次的方向發(fā)展。在2001~2003年，課題組根據(jù)當(dāng)時(shí)的工程應(yīng)用需要，重新搭建了U形管深埋為50m、制冷量為7kW的地源熱泵性能實(shí)驗(yàn)平臺。由此開展了整個(gè)冬季的供熱工況測試及換熱分析、多流量變工況測試及確定換熱效果較優(yōu)的埋管水流量、建立三維瞬態(tài)傳熱模型對深埋U形管的地下?lián)Q熱情況進(jìn)行數(shù)值模擬、并編制了埋地U形管換熱的通用性計(jì)算程序等。通過試驗(yàn)研究，得到了如下結(jié)論[10]：
1）、地下埋管的換熱量與系統(tǒng)供熱性能系數(shù)隨系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的增加而遞減，并逐漸趨于穩(wěn)定。在供熱工況下，埋管周圍土壤的冷積聚程度與系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，運(yùn)行時(shí)間越長，冷積聚程度越嚴(yán)重，埋地U型管進(jìn)、回水管間的熱短路現(xiàn)象也越明顯。熱短路導(dǎo)致的熱損失占埋管換熱量的份額，從開始的2.0%增長到最后的7.1%。
2）、通過建立三維瞬態(tài)傳熱模型對實(shí)驗(yàn)涉及的四種不同工況進(jìn)行了模擬，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好，最大相對誤差在9.1%以內(nèi)；最小相對誤差在4.1%以內(nèi)。
經(jīng)過課題組多年來的潛心研究和技術(shù)總結(jié)，課題組就地下埋管換熱器在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)討論，這些問題包括巖土熱物性參數(shù)的確定、垂直豎井的回填材料、巖土凍結(jié)對埋管換熱器的影響、埋管形式及埋管深度的選擇、地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式、埋管材料、埋管間距、埋管內(nèi)工作流體的確定、季節(jié)性地下巖土熱平衡等十大問題，在文獻(xiàn)[6]~[9]中就上述問題在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要作用進(jìn)行了分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由地下?lián)Q熱器、熱泵機(jī)組和空調(diào)末端三部分組成，其中地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)與施工是整個(gè)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，而地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)依據(jù)主要是地下?lián)Q熱量的確定。目前關(guān)于地下?lián)Q熱器的換熱量的確定方法主要有兩種：軟件計(jì)算法和現(xiàn)場測試法。軟件計(jì)算法是根據(jù)土壤及回填料熱物性參數(shù)，采用專用軟件進(jìn)行計(jì)算，國外的計(jì)算軟件有瑞典隆德Lund大學(xué)開發(fā)的EED程序，美國威斯康星Wisconsin-Madison大學(xué)Solar Energy實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的TRNSYS程序、美國俄克拉荷馬州Oklahoma大學(xué)開發(fā)的GLHEPRO程序等。國內(nèi)的計(jì)算軟件有山東建筑大學(xué)開發(fā)的G-Stars計(jì)算程序、重慶大學(xué)研發(fā)的GSHP和JSW計(jì)算程序等。軟件計(jì)算法主要基于土壤的熱物性參數(shù)，而土壤的熱物性存在很大的不確定性，土壤是一個(gè)多孔介質(zhì)，土壤中的含水率會隨著熱量的傳遞而發(fā)生變化，而土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容都會隨含水率的變化而發(fā)生改變，然而目前用函數(shù)關(guān)系來描述土壤導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容與土壤含水率之間的變化規(guī)律還具有一定難度，這給土壤熱物性參數(shù)的測定帶來了一定困難，從而影響到了軟件的計(jì)算結(jié)果。
相比于軟件計(jì)算法，現(xiàn)場測試法更為科學(xué)，準(zhǔn)確。現(xiàn)場測試法是模擬土壤源熱泵實(shí)際運(yùn)行工況，對實(shí)驗(yàn)孔進(jìn)行放熱或吸熱實(shí)驗(yàn)，通過分析測試得到的數(shù)據(jù)，得出測試孔的換熱量。通過此思路，重慶大學(xué)的劉憲英、李百戰(zhàn)、丁勇等人自主研發(fā)了地源熱泵地埋管換熱量測試儀。通過地源熱泵地埋管換熱量測試儀可以進(jìn)行夏季工況和冬季工況換熱量的測試，能夠較精確地測得在不同工況下鉆孔的單位長度換熱量，找出最優(yōu)的工況，計(jì)算出鉆孔的數(shù)量和深度。此種方法不僅簡單易行，精度高，而且能夠考慮到地下水的徑流對換熱的影響，測試結(jié)果對實(shí)際工程的應(yīng)用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。
課題組先后對重慶大學(xué)城環(huán)學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓地源熱泵實(shí)驗(yàn)室、重慶市解放軍后勤工程學(xué)院外訓(xùn)樓等多個(gè)實(shí)際工程進(jìn)行了單U形管和雙U形管的多工況換熱量測試。通過兩工程的測試數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)如下值得討論的問題：
1、單U形管和雙U形管的換熱能力對比
傳統(tǒng)認(rèn)為，雙U形管地下?lián)Q熱器比單U形管地下?lián)Q熱器的換熱能力較強(qiáng)。通過上述項(xiàng)目的實(shí)測數(shù)據(jù)分析得知，在流速同為0.58m/s時(shí)，單U形管的單位井深換熱量為74.15w/m，雙U形管的單位井深換熱量為68.44w/m，雙U形管的單位井深換熱量反而比單U形管的單位井深換熱量小約8.3%；在流速為0.8m/s時(shí)，雙U形管單位井深換熱量為62.20w/m，單U形管單位井深換熱量為60.30w/m，雙U形管稍高。
這一現(xiàn)象與常規(guī)的認(rèn)識不太一致，分析認(rèn)為：實(shí)驗(yàn)所采用的雙U形管由于構(gòu)造的原因使得換熱各管間存在較明顯的換熱影響，從而造成換熱不充分，當(dāng)流速較低時(shí)，這一影響顯得更加突出，而相比之下，單U形管由于管間的影響較少，因此可實(shí)現(xiàn)比雙U形管較為充分的換熱，故在流速較低時(shí)，單U形管比雙U形管的換熱效果好；當(dāng)流速增大后，管間的傳熱影響所占的比例減少，而雙U形管由于有較多的與土壤接觸的換熱面積，換熱效果增強(qiáng)的比例增大，因此雙U形管的換熱量大于單U形管的換熱量。
2、地埋管管徑的大小對換熱量的影響
根據(jù)《地下建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》中的巖石和土壤熱物性能表可以查得巖石和土壤熱物性參數(shù)，并通過分析得到其計(jì)算參數(shù)。分析兩項(xiàng)目所在地的土壤熱物性參數(shù)可知，兩者導(dǎo)熱系數(shù)相差0.23w/（m•℃），密度相差137 kg/m3，比熱相差300 J/（kg•℃），總體說來兩者熱物性能相差不大，而通過實(shí)測得到的單位孔深換熱量在相同流速下相差約為16w/m。
除土壤熱工性能的差別外，影響測試結(jié)果的主要是埋管的管徑。根據(jù)測試結(jié)果分析，由于管徑加大，在加大與土壤熱接觸面積的同時(shí)，也產(chǎn)生了負(fù)面影響：管徑增大同時(shí)也使得管間距減小，從而增加了管間熱影響；管內(nèi)流體在流速較低時(shí)，并不一定能實(shí)現(xiàn)與壁面的充分熱交換。因此，應(yīng)對地埋管的管徑進(jìn)行恰當(dāng)?shù)眠x擇。
5 結(jié)束語
[1] 馮雅，陳啟高. 利用淺地表層所蓄太陽能改善室內(nèi)熱環(huán)境的埋管熱過程研究 太陽能學(xué)報(bào)，1994年第15卷第 4期
[2]魏唐棣，胡鳴明，丁勇等. 地源熱泵冬季供暖測試及傳熱模型.暖通空調(diào).2000,30(1):12-14
[3] 劉憲英，丁勇，胡鳴明. 淺埋豎管換熱器地?zé)嵩礋岜孟募竟├湓囼?yàn)研究 暖通空調(diào) HV&AC
[4]劉憲英，張素云，丁勇. 地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)與研究
[5]劉憲英，張素云，胡鳴明，丁勇. 地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗(yàn)研究 水利電力施工機(jī)械，2000年第21卷第 1期
[6]劉憲英，丁勇. 地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)形式及設(shè)計(jì)計(jì)算 特約專稿，2004年4月刊
[7] 丁勇，李百戰(zhàn)，盧軍，孫純武，劉憲英. 地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器設(shè)計(jì)(1) 暖通空調(diào) 2005年35卷第3期
[8] 丁勇，李百戰(zhàn)，盧軍，孫純武，劉憲英. 地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器設(shè)計(jì)(2) 暖通空調(diào) 2005年35卷第11期
[9] 丁勇，李百戰(zhàn)，盧軍，孫純武，劉憲英. 地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)討論 工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2005年第12期
[10]胡彥輝. 垂直深埋U型管大地耦合式地源熱泵冬季實(shí)驗(yàn)研究與三維數(shù)值模擬 重慶大學(xué)碩士論文，2003
[11]曾淼. 地源熱泵地下?lián)Q熱器換熱計(jì)算模擬和試驗(yàn)研究 重慶建筑大學(xué)碩士論文，1999
[12]王勇. 地源熱泵研究（1）重慶建筑大學(xué)碩士論文，1998
[13]張素云，孫純武，劉憲英. 地?zé)嵩礋岜盟铰窆軗Q熱器實(shí)驗(yàn)研究 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2001年（4）
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