地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究*

重慶大學(xué)  連大旗  丁勇*  李百戰(zhàn)  劉憲英

摘要：隨著當(dāng)今傳統(tǒng)能源的日趨枯竭及環(huán)境污染的加劇，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)因其節(jié)能、環(huán)保的突出優(yōu)點受到人們的青睞，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要從地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗研究、地下?lián)Q熱器的設(shè)計、地埋管換熱量測試儀的研發(fā)、實際工程應(yīng)用等方面，介紹了重慶大學(xué)在近二十年的關(guān)于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方面的研究工作及所取得的主要成果，以期這些研究結(jié)果將對地源熱泵在實際工程中的應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地源熱泵系統(tǒng)  工程應(yīng)用  研究成果

Application and Research on Ground-Source Heat Pump Air-conditioning System

Abstract: With today's traditional energy resources increasingly depleting and environmental pollution intensifying, ground-source heat pump air-conditioning system which has prominent advantages of energy conservation and environmental protection, has attracted people's attention，and has broad application prospects. From the aspects of experiment of winter warming and summer cooling by ground-source heat pump, the design of the underground heat exchanger, the research and development of buried pipe exchanged heat tester, the actual engineering applications and so on, the paper introduces the research works and the main achieved results of the Chongqing University about ground-source heat pump air-conditioning systems in the past two decades. And these research results will play a guiding significance in the actual engineering applications of ground-source heat pump.

Keywords:  ground-source heat pump system  engineering applications  research results

序言
隨著當(dāng)今傳統(tǒng)能源的日趨枯竭與及環(huán)境污染愈來愈嚴(yán)重的加劇，并在“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、高效益用等特點而愈來愈愈加受到人們的重視。地源熱泵技術(shù)自上世紀(jì)90年代在國內(nèi)展開地源熱泵技術(shù)研究以來，已經(jīng)過了約二十年的研究發(fā)展里程歷程，。結(jié)合吸收了國外的應(yīng)用研究成果，應(yīng)該說地源熱泵技術(shù)在國內(nèi)的研究已取得了一定的研發(fā)研究成果進展。在國內(nèi)外的眾多研究之中，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踐研究，積累了大量設(shè)計、施工及運行的數(shù)據(jù)資料，以及實際工程方面的經(jīng)驗。本文主要對近幾年重慶大學(xué)科研組在地源熱泵系統(tǒng)方面所做的研究做一進行綜述。

1地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗研究
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)的逐步推行逐漸普及，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)境進行了研究[1]。到上世紀(jì)90年代末，由重慶大學(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，進行了為期四年的冬季、夏季連續(xù)間歇運行、變水量運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算過渡季大地溫度場的恢復(fù)情況，并將數(shù)學(xué)模型計算值與實測值進行了比較[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行開展了研究，進行了為期一個月的原始地溫測試和長達(dá)三個月的供熱運行測試[10]。

在理論研究的同時，課題組開展記錄了冬、夏季定水量的運行效果和變水量運行時各性能指標(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）、冬季運行測試結(jié)果表明，在保持室溫17～22 ℃情況下，其土壤源熱泵系統(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）、埋管單位埋管深度的換熱量qL，是衡量地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)的的一個重要技術(shù)和經(jīng)濟性能指標(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)，建立的了淺埋豎管地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)傳熱模型。經(jīng)與實測值比較，計算值比實測值偏低10 %左右。若適當(dāng)加以修正，對地?zé)嵩礋岜孟到y(tǒng)的設(shè)計及運行具有重要的參考價值。

2地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計的研究
隨著地源熱泵技術(shù)的不斷成熟與應(yīng)用的不斷逐漸廣泛，對地源熱泵技術(shù)的研究也隨之向著更深層次的方向發(fā)展。在2001~2003年，課題組根據(jù)當(dāng)時的工程應(yīng)用需要，重新搭建了U形管深埋為50m深埋U形管、制冷量為7kW的地源熱泵性能實驗平臺。通過此試驗平臺，由此開展了整個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熱情況進行數(shù)值模擬、并編制了埋地U形管地下?lián)Q熱的通用性計算程序等。通過試驗研究，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)累計運行時間的增加而遞減，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)累計運行時間有關(guān)，運行時間越長，冷積聚程度越嚴(yán)重，埋地U形管進、回水管間的熱短路現(xiàn)象也越明顯。供回水管間的熱短路導(dǎo)致地下?lián)Q熱器的換熱量減少，即熱短路導(dǎo)致的熱損失，其所占埋管總換熱量的百分比，從開始的2.0%增長到最后的7.1%。

2）、通過建立的三維瞬態(tài)傳熱模型對實驗涉及的四種不同工況進行了模擬，將計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果進行比較，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)計中的關(guān)鍵問題進行了詳細(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[6]~[9]中就上述問題在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中的重要作用進行了分析，為系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。

3地源熱泵地埋管換熱量測試儀的研發(fā)
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由地下?lián)Q熱器、熱泵機組和空調(diào)末端三部分組成，其中地下?lián)Q熱器設(shè)計與施工是整個地源熱泵空調(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：軟件計算法和現(xiàn)場測試法。軟件計算法是根據(jù)土壤及回填料熱物性參數(shù)，采用專用軟件進行計算，國外的計算軟件如有瑞典隆德Lund大學(xué)開發(fā)的EED程序，美國威斯康星Wisconsin-Madison大學(xué)Solar Energy實驗室開發(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)的計算軟件有如山東建筑學(xué)院山東建筑大學(xué)開發(fā)的G-Stars計算程序、重慶大學(xué)研發(fā)的GSHP和JSW計算程序等。軟件計算法主要基于土壤的熱物性參數(shù)能，而土壤的熱物性存在很大的不確定性，土壤是一個多孔介質(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)和、比熱容與土壤含水率之間的變化規(guī)律還具有一定難度，因此這給土壤熱物性能參數(shù)的確定測定帶來了一定困難，從而影響到了軟件的計算結(jié)果。

相比于軟件計算法，現(xiàn)場測試法更為科學(xué)，準(zhǔn)確?，F(xiàn)場測試法是模擬土壤源熱泵實際運行工況，對實驗孔進行放熱或吸熱實驗，通過分析測試得到的數(shù)據(jù)，得出測試井試孔的換熱量。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井鉆孔的單位管井長度換熱量，找出最優(yōu)的工況，計算出鉆井鉆孔的數(shù)量和埋深深度。此種方法不僅簡單易行，測量準(zhǔn)確、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)果對實際工程的應(yīng)用具有較強的指導(dǎo)性。

4實際工程的測試研究
按照上述方法，課題組先后對重慶大學(xué)城環(huán)學(xué)院實驗樓地源熱泵實驗室、重慶市解放軍后勤工程學(xué)院外訓(xùn)樓等多個實際工程進行了單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，。通過上述項目的實測數(shù)據(jù)分析，得知，對于單U形管和雙U形管對于在相同流速的情況，流速同為0.58m/s時，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，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[y1] [微軟用戶2] ：由于在流速較低時，實驗所采用的雙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的情況，當(dāng)流速較低時，這一影響由于流速較低而顯得更加突出，而相比之下，單U形管由于管間的影響較少，因此可實現(xiàn)比雙U形管較為充分的換熱，故在流速較低時，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，可增強換熱效果增強的比例增大，因此又重新出現(xiàn)雙U形管的地下?lián)Q熱器換熱量大于單U形地下?lián)Q熱器管的換熱量。

2、地埋管管徑的大小對換熱量的影響

 同的深換熱量在近似團隊都會隨含水率的變化而發(fā)生改變。根據(jù)《地下建筑暖通空調(diào)設(shè)計手冊》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算參數(shù)，。分析兩項目所在地的土壤熱物性參數(shù)可知，其熱工參數(shù)可以看出兩者導(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，而通過實測得到的單位井深孔深換熱量在相同流速下相差約為16w/m。

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)分析，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，也產(chǎn)生了負(fù)面影響：管徑增大同時也使得管間距減小，從而增加了管間熱影響；管內(nèi)流體在流速較低時，并不一定能實現(xiàn)與壁面的充分熱交換。因此，應(yīng)對地埋管的管徑進行恰當(dāng)?shù)眠x擇。

5 結(jié)束語
以上所討論的是重慶大學(xué)地源熱泵課題組在長達(dá)近二十年中的關(guān)于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究成果匯總，其中匯集了多位專家教授的科研結(jié)晶，在此基礎(chǔ)之上，本課題組正在積極結(jié)合國家法規(guī)要求以及實際工程需求，進一步發(fā)展推廣地源熱泵工程實用技術(shù)的應(yīng)用。

參考文獻：

[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[J].太陽能學(xué)報，1994，15（4）：380-385.

[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[J].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├湓囼炑芯?暖通空調(diào)HV&AC[J]，2000，30(4)：1-4.

[4] 劉憲英，張素云，丁勇.地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗[J].實驗與研究：20-25.

[5] 劉憲英，張素云，胡鳴明，丁勇.地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗研究[J].水利電力施工機械，2000，21（1）：14-22.

[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)計計算[J].特約專稿，2004：26-32.

[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(1)[J].暖通空調(diào)HV&AC，2005，35（3）：86-89.

[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(2)[J].暖通空調(diào)HV&AC，2005，35（11）：76-79.

[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)計討論[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2005，（12）：10-14.

[10] 胡彥輝.垂直深埋U型管大地耦合式地源熱泵冬季實驗研究與三維數(shù)值模擬[D]．重慶：重慶大學(xué)，2003.

[11] 曾淼.地源熱泵地下?lián)Q熱器換熱計算模擬和試驗研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，1999.

[12] 王勇.地源熱泵研究（1）[D]．重慶：重慶大學(xué)，1998.

[13] 張素云，孫純武，劉憲英.地?zé)嵩礋岜盟铰窆軗Q熱器實驗研究[J].制冷空調(diào)與電力機械，2001，22（4）：24-28.

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*國家科技支撐計劃重大項目課題（2006BAJ02A09、2006BAJ02A13-4）資助

通信作者：丁勇，男，1975年9月生，博士研究生，副教授，重慶大學(xué)B區(qū)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，400045，（023）66820522，E－mail：zhengqq12@sina.com