地埋管地源熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用
方肇洪1，2 刁乃仁1，2 于明志1 崔萍1
山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院
山東方亞地源熱泵空調(diào)技術(shù)有限公司
摘要：本文綜述了作者近年來(lái)在豎直埋管式地源熱泵技術(shù)方面的研究：改進(jìn)和深化了現(xiàn)有的地?zé)釗Q熱器傳熱模型，在國(guó)際上首次求得有關(guān)地?zé)釗Q熱器傳熱的三個(gè)重要問(wèn)題的解析解，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算軟件“地?zé)嶂?rdquo;；研制了測(cè)定深層巖土熱物性的方法和儀器；開(kāi)發(fā)了鉆孔高性能回填材料和相關(guān)的施工技術(shù)、配件和設(shè)備；同時(shí)進(jìn)行了地源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)的工程應(yīng)用和推廣。實(shí)踐表明，地源熱泵系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)建筑供熱和空調(diào)節(jié)能的有效和可行的技術(shù)。
關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能 供熱空調(diào) 地源熱泵 地?zé)釗Q熱器
引言
節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)今世界科技與社會(huì)發(fā)展的兩大潮流。建筑能耗，其中特別是建筑供熱與空調(diào)的能耗，在社會(huì)總能耗中占有很大的份額，因此發(fā)展建筑節(jié)能已經(jīng)成為我國(guó)政府和社會(huì)公眾的共識(shí)和緊迫需要。在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)可以合理利用環(huán)境中的低品位熱能，提高建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)的一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體CO2和其它燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。
地埋管地源熱泵系統(tǒng)通過(guò)在地下埋管，構(gòu)成“地?zé)釗Q熱器”，使大地成為熱泵系統(tǒng)的冷熱源。由于較深的地層中常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵系統(tǒng)的效率大大提高，具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。地源熱泵技術(shù)在北美和歐洲的一些國(guó)家已應(yīng)用了幾十年，是一種比較成熟的供熱空調(diào)系統(tǒng)[1,2]。近年來(lái)，隨著政府及社會(huì)公眾對(duì)建筑節(jié)能的認(rèn)識(shí)不斷提高，地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用正在形成熱潮，并已有了一定的工程項(xiàng)目實(shí)踐和研究成果，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)在于地埋管換熱器的設(shè)計(jì)及施工，我國(guó)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)隊(duì)伍還不能適應(yīng)推廣應(yīng)用地源熱泵新技術(shù)的要求。因此，有必要通過(guò)系統(tǒng)的研究、示范和技術(shù)集成，在消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成適合我國(guó)國(guó)情的、系統(tǒng)的地源熱泵技術(shù)體系，以促進(jìn)地源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)在我國(guó)更加健康的發(fā)展，并得到更廣泛的應(yīng)用。
作者在消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持基礎(chǔ)理論的研究創(chuàng)新和工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用并舉的方針，在地源熱泵領(lǐng)域不斷探索，積累了一些經(jīng)驗(yàn)[3,4]。本文簡(jiǎn)要小結(jié)我們?cè)谶@方面的主要?jiǎng)?chuàng)新和成果。
地?zé)釗Q熱器傳熱理論及設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算軟件
地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。建立較為準(zhǔn)確的地下傳熱模型是合理地設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器的前提。由于地下傳熱的復(fù)雜性，地?zé)釗Q熱器傳熱模型的研究一直是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)用基礎(chǔ)。
地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是要保證在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，循環(huán)液的溫度保持在限定的范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。地?zé)釗Q熱器中的傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，所涉及的時(shí)間尺度很長(zhǎng)，空間區(qū)域很大。因此在工程實(shí)際應(yīng)用的模型中通常都以鉆孔壁為界，把所涉及的空間區(qū)域劃分為鉆孔以外的巖土部分和鉆孔內(nèi)部?jī)刹糠?，采用不同的?jiǎn)化假定分別進(jìn)行分析。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊(cè)和教科書(shū)中只能推薦以一維的線熱源或圓柱模型為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)公式[1, 2]。在我們近年來(lái)的研究中，突破了美國(guó)和歐洲研究者未能解決的障礙，導(dǎo)得了地?zé)釗Q熱器的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)的二維或準(zhǔn)三維傳熱問(wèn)題的解析解[3,4]。由于取消有關(guān)的簡(jiǎn)化假設(shè)，提高了模型的精度；而且這些顯式的函數(shù)關(guān)系式可以直接應(yīng)用于地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算，使計(jì)算工作量大大減少。立足于這些創(chuàng)新性的研究成果，我們開(kāi)發(fā)了有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算軟件“地?zé)嶂?rdquo;，并已得到推廣應(yīng)用。
（責(zé)編：zyl）
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