以技術(shù)進步推動行業(yè)發(fā)展
——訪山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院院長、地源熱泵研究所副所長刁乃仁
平日里，既活躍于三尺講臺之上，承擔(dān)著為行業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀后繼人才的重任；又專著于理論研究和工程實踐，以驕人的學(xué)術(shù)成就和成功的工程案例推動著行業(yè)前行，這就是山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院院長、地源熱泵研究所副所長刁乃仁。近日，記者采訪了這位業(yè)內(nèi)專家，針對我國地源熱泵行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和問題、前景和方向，他都談出了自己獨到的看法。同時，他也以自己的發(fā)明專利和研究成果說明了技術(shù)進步對行業(yè)帶來的推動力量。
《地源熱泵》：請介紹一下我國地源熱泵行業(yè)發(fā)展的基本狀況。從全球著眼，我國地源熱泵行業(yè)在理論和實踐方面，有哪些優(yōu)勢和不足，還需要向其他國家借鑒些什么。
刁乃仁：我國地源熱泵行業(yè)發(fā)展迅速，為建筑節(jié)能減排做出了貢獻，并形成了新的經(jīng)濟增長點。從水源熱泵主機產(chǎn)業(yè)到地源熱泵系統(tǒng)集成企業(yè)都實現(xiàn)快速發(fā)展擴容。地源熱泵技術(shù)業(yè)已成為研究開發(fā)領(lǐng)域的熱點之一。
我國地源熱泵行業(yè)在理論方面，尤其是在地下?lián)Q熱器傳熱分析方面，在國際上保持著優(yōu)勢，同時在地源熱泵技術(shù)應(yīng)用的范圍和大體量、中、大型單體建筑地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用上，也遠遠超過歐美國家。但在快速發(fā)展的背后，也存在著隱憂。一是某些地源熱泵項目的方案設(shè)計與施工圖設(shè)計不到位，甚至設(shè)計主體不明確，尤其是一些中、大型地源熱泵項目缺乏科學(xué)的方案論證，導(dǎo)致系統(tǒng)建成后低效運行或無法正常運行；二是地源熱泵系統(tǒng)施工，尤其是地埋管施工資質(zhì)與質(zhì)量有待提升；三是地源熱泵系統(tǒng)高效可靠運行的監(jiān)測、監(jiān)控體系有待完善。歐美國家地源熱泵產(chǎn)業(yè)化程度高，回填材料、回填機械由專業(yè)廠家生產(chǎn)，甚至鉆孔施工現(xiàn)場中的泥漿也有專用機械處理。更為可取的是國外地埋管施工質(zhì)量高，都是放心工程。在這些方面，值得我們學(xué)習(xí)借鑒。
《地源熱泵》：山東作為我國中部一個大省，近些年來地源熱泵行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀如何？呈現(xiàn)出哪些自身特點，今后的發(fā)展方向又會是怎樣？
刁乃仁：山東地源熱泵產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，地源熱泵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用較早，擁有一大批優(yōu)秀的研發(fā)團隊、技術(shù)集成企業(yè)和熱泵生產(chǎn)廠家。山東省的氣候條件比較適合應(yīng)用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。公共建筑夏季向地下釋放的熱量與冬季從地下提取的熱量基本平衡。天時、地利、人和造就了山東省地源熱泵行業(yè)的快速發(fā)展。另一方面，山東省地下水資源不豐富，地下水及地表水地源熱泵系統(tǒng)受水資源的制約較大。山東省東臨渤海，環(huán)抱著渤海灣，但因冬季沿海海水溫度較低，海水源熱泵的應(yīng)用條件不很理想。鑒于這些特點，這些年來，山東省地埋管地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，應(yīng)用建筑類型由別墅、中小型建筑擴展到公共建筑以至大型住宅小區(qū)。地表水、污水及海水源熱泵適度應(yīng)用，地下水資源的開采管理越來越嚴(yán)，因此山東省地下水地源熱泵系統(tǒng)難以也不應(yīng)該大面積推廣。
近年來，山東省新農(nóng)村建設(shè)和城區(qū)周邊農(nóng)村改造，為地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了新的契機。今后一段時期內(nèi)在解決好冬夏季冷熱負(fù)荷平衡的基礎(chǔ)上，地源熱泵系統(tǒng)在新農(nóng)村住宅小區(qū)建設(shè)中將得到進一步的應(yīng)用，與此同時有效解決好地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計、施工質(zhì)量，建設(shè)能夠長期高效穩(wěn)定運行的中、大型地源熱泵系統(tǒng)，也是今后的重要發(fā)展方向之一。
《地源熱泵》：由于地源熱泵涉及到對地下資源的開采和利用，在這一過程中如何實現(xiàn)科學(xué)和可持續(xù)發(fā)展，既不浪費資源、破壞環(huán)境，又能促進行業(yè)進步。
刁乃仁：對于地下資源的開采和利用，應(yīng)嚴(yán)格遵守國家的相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的規(guī)定。應(yīng)將國家利益與部門利益、社會效益與經(jīng)濟效益、長遠利益與短期利益統(tǒng)一起來。當(dāng)二者產(chǎn)生矛盾時，應(yīng)服從于前者。尤其是抽取地下水的地源熱泵的應(yīng)用，應(yīng)慎之又慎。中國目前面臨水災(zāi)害加劇、水資源短缺、水環(huán)境惡化、水生態(tài)失衡四大水問題，解決這些問題已成為刻不容緩的重要任務(wù)。2011年中央一號文件第一次將水的作用提升到了國家安全層面。將實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，確立水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污的“三條紅線”，因此對地下水地源熱泵的應(yīng)用來說，還是應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，以無污染、全部、同層回灌為前提。
《地源熱泵》：應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)是否需要冬夏負(fù)荷平衡，一直是業(yè)內(nèi)很多專家爭論的焦點問題，對此，您如何理解？
刁乃仁：對于地埋管地源熱泵系統(tǒng)的“冬夏季負(fù)荷是否需要平衡”問題，不能簡單的回答“是”還是“不是”。對于幾百平方米建筑的小型地埋管地源熱泵系統(tǒng)，冬夏負(fù)荷可以不平衡，甚至單一的采暖都是可行的。如北歐挪威、瑞典等國較早使用的地埋管地源熱泵系統(tǒng)，幾乎就是只制熱，不制冷，照樣能夠長期穩(wěn)定運行；再者如果地埋管區(qū)域地下水豐盈，地下水滲流強度大，也會大大增強恢復(fù)熱平衡的能力。但毋庸置疑，對于絕大部分中、大型地埋管地源熱泵系統(tǒng)來說，地埋管區(qū)域冷熱負(fù)荷的基本平衡是必須的。對于幾十萬或上百萬立方米的蓄熱體，僅靠原有的蓄熱量或其周邊巖土體與其內(nèi)部的熱交換量，是不能夠維持系統(tǒng)長期高效運行的。
《地源熱泵》：對地?zé)豳Y源進行前期勘探對于整個系統(tǒng)運行的意義何在，地源熱泵能否長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵在何處？
刁乃仁：一般來說，地?zé)豳Y源分為淺層地?zé)崤c深層地?zé)醿煞N。二者最主要的區(qū)別之一是前者不能直接利用。深層地?zé)岬墓芾須w屬明確，相關(guān)法規(guī)完善。而淺層地?zé)岬睦眯枰柚?ldquo;外力”——熱泵，將低品位能量提升后方可利用。這就形成了基于水源熱泵的淺層地?zé)崮芾孟到y(tǒng)。因此，對淺層地?zé)豳Y源進行勘察或勘探不無好處，但據(jù)此推算淺層巖土體所蓄能量能夠承擔(dān)多少平方米的建筑采暖或那些地區(qū)適用地埋管地源熱泵，就勉為其難了。淺層巖土體在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中主要用作蓄熱體，對大、中型系統(tǒng)來說，能否長期穩(wěn)定運行，一要靠水源熱泵的做功，二要靠建筑物或系統(tǒng)自身的冷熱負(fù)荷平衡，而初始巖土體蓄熱的影響很小。離開了熱泵系統(tǒng)、建筑物負(fù)荷特性及其周邊地埋管區(qū)域情況，是難以確定淺層地?zé)峥捎没虿豢捎玫?。因此淺層地?zé)豳Y源的科學(xué)管理與利用，我認(rèn)為主要應(yīng)從地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計評審和地埋管施工企業(yè)準(zhǔn)予及資質(zhì)等管理入手。
《地源熱泵》：技術(shù)進步對于行業(yè)發(fā)展的推動力量是巨大的，請介紹一下您具有代表性的發(fā)明專利和典型工程，以及他們破解了哪些領(lǐng)域的問題。
刁乃仁：我們的研發(fā)團隊在所長方肇洪教授的帶領(lǐng)下，采用理論研究與工程實踐相結(jié)合的技術(shù)路線，系統(tǒng)深入地研究了地埋管淺層地?zé)崮芾弥械責(zé)釗Q熱器的傳熱機理與優(yōu)化設(shè)計方法，揭示了深層巖土傳熱規(guī)律，開拓出大空間多維非穩(wěn)態(tài)地下傳熱分析與工程應(yīng)用的新途徑，形成了系統(tǒng)的地埋管淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)體系。開發(fā)了地?zé)釗Q熱器優(yōu)化設(shè)計模擬軟件，提高了計算精度，便于設(shè)計優(yōu)化；研發(fā)了能夠用于現(xiàn)場確定深層巖土熱物性的測試方法和測試儀；開發(fā)了基于水泥砂漿、石英砂和改性添加劑的高性能回填材料；獲得了4項發(fā)明專利和1項自主知識產(chǎn)權(quán)。研究成果在北京奧林匹克公園、武漢新建火車站及濟南奧體中心等500余項工程中應(yīng)用。
研究所曾于2003年3月17日在山東建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)報告廳舉行了“國際地源熱泵空調(diào)技術(shù)報告會”，會上全面系統(tǒng)介紹了研究所在地源熱泵技術(shù)方面的研究成果：地?zé)釗Q熱器理論分析與設(shè)計方法、設(shè)計軟件、彈性分隔器、深層巖土熱物性測試方法、儀器和工程應(yīng)用實例。當(dāng)年參會的100多人中，相當(dāng)一部分成為了今天地源熱泵行業(yè)的主力軍。有效地促進了我國地源熱泵空調(diào)技術(shù)研究、應(yīng)用的發(fā)展。
值得一提的是2005年我們研究所實施的濟南市西區(qū)工程建設(shè)指揮部地源熱泵空調(diào)工程。根據(jù)建筑的動態(tài)負(fù)荷，采用我們研發(fā)的“地?zé)嶂?rdquo;軟件對地埋管換熱器進行設(shè)計計算，并對系統(tǒng)20年內(nèi)的運行進行模擬計算；系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了地埋管換熱器全年的熱平衡。該系統(tǒng)自2006年投入運行以來，已連續(xù)運行了5個冬夏，完全滿足建筑供熱和空調(diào)要求；運行記錄表明，該系統(tǒng)運行的實際情況與設(shè)計、模擬的結(jié)果很好地相符。
我們的研究成果為淺層地?zé)崮芾眠@一節(jié)能減排新技術(shù)的進步及其推廣應(yīng)用做出了應(yīng)有貢獻。作為主要成果之一，該研究2009年榮獲國家科技進步二等獎。
刁乃仁簡介
刁乃仁，山東建筑大學(xué)教授、工學(xué)博士、熱能工程學(xué)院院長，山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所副所長，山東方亞地源熱泵空調(diào)技術(shù)有限公司總工程師，山東省暖通空調(diào)學(xué)會副主任委員，山東省有突出貢獻的中青年專家。
1997～1998年作為國家留學(xué)基金資助的高級訪問學(xué)者赴法國國家應(yīng)用科學(xué)學(xué)院熱能研究中心進行了為期一年的研究工作，完成法國國家課題中的一個子課題“道路疲勞測試機中補償加熱系統(tǒng)的研究與設(shè)計”。2000年以來，作為地源熱泵研究應(yīng)用團隊的主要研究者，在地源熱泵空調(diào)技術(shù)的理論基礎(chǔ)、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用三個方面都取得了重要成果。出版了專著《地埋管地源熱泵技術(shù)》。在International Journal of Heat and Mass Transfer 和International Journal of HVAC&R Research等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文40余篇，在國際上產(chǎn)生重要影響。參與起草了國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366－2005》，并執(zhí)筆編寫了其中的“地埋管換熱系統(tǒng)”部分。
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