隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)已成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國家中，供熱和空調(diào)的能耗可占到社會(huì)總能耗的25%-30%。 我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒產(chǎn)生的大量污染物，包括大量SO2、NOX等有害氣體以及CO2等溫室效應(yīng)氣體。大量燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的環(huán)境問題已日益成為各國政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。我國的供熱已經(jīng)歷了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在又進(jìn)一步禁止在城鎮(zhèn)建設(shè)中小型燃煤 鍋爐房，體現(xiàn)了政府對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境的高度重視。因此，除了集中供熱的型式以外，急需發(fā)展其他的替代供熱方式。熱泵就是能有效節(jié)省能源、減少大氣污染和CO2排放的供熱和空調(diào)新技術(shù)。

    地源熱泵是一種與大地進(jìn)行能量交換的空調(diào)系統(tǒng)，它是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的；即把傳統(tǒng)空調(diào)器的外側(cè)換熱器直接埋入地下，使其與大地進(jìn)行熱交換， 或通過中間介質(zhì)作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過大地循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行熱交換的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源，可以取代鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水 放熱給建筑物制冷。同時(shí),它還可供應(yīng)生活用水，可謂一舉三得，是一種有效地利用能源的方式。其性能系數(shù)受土壤、巖土、原始地溫、日照強(qiáng)度、回填材料、埋管形式、循環(huán)流量、管間距、管材等因素的影響，而這些影響因素又會(huì)決定地源熱泵埋管換熱器系統(tǒng)“熱短路”損失的大小。

    地源熱泵U型埋管換熱器的“熱短路”現(xiàn)象是指由于地源熱泵U型埋管的進(jìn)回水管內(nèi)流體之間存在溫差，且相距較近，就導(dǎo)致了埋管不僅與周圍的土壤進(jìn)行熱傳導(dǎo)，而且兩管間同時(shí)也發(fā)生著熱傳導(dǎo)，從而引起了兩管間發(fā)生的直接及間接熱交換所產(chǎn)生的熱量(冷量)損失，使埋管出水溫度在供熱工況(制冷工況)下，低于(高 于)理想的出水溫度。熱短路現(xiàn)象會(huì)使地下?lián)Q熱器的換熱量減小，降低系統(tǒng)的換熱效率。熱短路主要受管內(nèi)流體溫度、流量、流態(tài)、管徑大小、回填材料、地溫、管間距、土壤特性、運(yùn)行時(shí)間等因素的影響[1]。

    本文針對(duì)河北工程大學(xué)埋深120m的地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行邯鄲地區(qū)冬季性能測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)的研究目標(biāo)是：

    (1)測(cè)試該系統(tǒng)在冬季工況下地源熱泵系統(tǒng)的熱短路損失；
    (2)得到地源熱泵系統(tǒng)在不同工況下的換熱量；
    (3)為今后地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

    河北工程大學(xué)的U型埋管地源熱泵系統(tǒng)地下埋管系統(tǒng)設(shè)有兩眼埋管主井，鉆孔直徑為170mm，鉆孔深度120m，埋管換熱器以水為循環(huán)介質(zhì)，采用高密度聚乙 烯塑料管(HDPE)U型埋管換熱器，直徑分別為25mm和32mm。兩組地下埋管換熱器在地面以上采用PPR管并聯(lián)連接，與兩臺(tái)并聯(lián)的DF40-80/2型管道離心循環(huán)水泵、熱泵機(jī)組的冷凝器(夏季)或蒸發(fā)器(冬季)和高位水箱組成閉式循環(huán)，環(huán)路可通過閥門之間的切換，埋管換熱器可獨(dú)立運(yùn)行，也可改為串聯(lián)運(yùn)行。兩臺(tái)循環(huán)水泵由FRENIC 5000G11S型變頻調(diào)速器控制可以調(diào)節(jié)循環(huán)流量。系統(tǒng)設(shè)置的渦輪流量傳感器和旋翼式流量計(jì)可分別測(cè)量系統(tǒng)循環(huán)流量，除此以外，系統(tǒng)還布置了若干溫度和壓力測(cè)點(diǎn)來觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況[2]。

    為測(cè)試地下溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，另設(shè)有4眼測(cè)溫井，其中1、2、3號(hào)測(cè)溫井鉆孔直徑為100mm，孔深為90m；4號(hào)測(cè)溫井鉆孔深度為120m。埋管井和測(cè)溫井的平面布置見圖1。

    (1)冬季地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地下?lián)Q熱器進(jìn)出水溫測(cè)試；
    (2)冬季地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地下埋管壁溫的測(cè)試；
    (3)地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三種變流量工況的測(cè)試、比較，以求熱泵的熱短路損失[2]；
    (4)地源熱泵冬季運(yùn)行期間的單位井深的換熱量。

    本實(shí)驗(yàn)對(duì)地源熱泵U型埋管系統(tǒng)分別進(jìn)行4t/h、3.5t/h、3t/h變流量運(yùn)行，每個(gè)流量分別運(yùn)行五天，然后根據(jù)各流量下的熱短路損失的大小，從中可以選定運(yùn)行的最佳方案。

    地源熱泵系統(tǒng)以流量4t/h運(yùn)行時(shí)，平均井深換熱量為51.60W/m；系統(tǒng)以流量3.5t/h運(yùn)行時(shí)，平均井深換熱量為50.65 W/m；系統(tǒng)以流量3t/h運(yùn)行時(shí)，平均井深換熱量為41.89 W/m。地下埋管單位井深換熱量(W/m)，ql=Qk*1000/n(L*h)[3]（式中n-鉆井?dāng)?shù)；L-埋管深度，本實(shí)驗(yàn)為120米；h-熱泵壓縮機(jī)日運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h。）。由于流 量的減少，流速的減小，使得地下埋管日換熱量減小，導(dǎo)致了地下埋管單位井深換熱量的減小。

    熱短路的分析

    (1)換熱器效能的概念

    本文使用換熱器效能[4]來衡量熱短路，換熱器效能是指在同樣的腿溫下，U型埋管換熱器的實(shí)際換熱量與最大換熱量之比。實(shí)際換熱量是U型管兩腿存在熱短路現(xiàn)象時(shí)計(jì)算出的換熱量；最大換熱量是假設(shè)U型管兩腿相距足夠遠(yuǎn)，不存在相互間熱短路影響而計(jì)算出的換熱量。換熱器效能與管壁到土壤的換熱量有直接的關(guān)系。當(dāng)增加時(shí)換熱量也增加，當(dāng)沒有熱短路發(fā)生時(shí)，等于1，也即通常小于1。

     (2)換熱器效能的計(jì)算[5]
         
     (3)熱短路分析

     表1 1#埋管井并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的熱短路分析

 
    由表1可以得到以下結(jié)論：

    ①地下U型埋管中的流量變化對(duì)熱短路有影響；
    ②地下U型埋管中的換熱量的大小對(duì)熱短路有影響；
    ③本試驗(yàn)中的熱短路損失比較大，主要由U型埋管的兩支管距離較近造成的。

    從表1中也可以發(fā)現(xiàn)，熱短路嚴(yán)重的影響了U型埋管的地下?lián)Q熱量，熱短路的損失在28%～50%之間，這與U型埋管的兩支管距離有一定的關(guān)系。

    為了減少熱短路損失可以采取以下措施：

    ①在埋管直徑一定的前提下，盡量使U型埋管的兩支管靠近井壁處，使兩管盡量分開；
    ②增加U型管內(nèi)的流體流量、流速，減少溫度差；
    ③通過改變鉆孔中U型埋管間的回填材料來減少熱短路損失。

    結(jié)論

    本文通過對(duì)三口測(cè)溫井、兩口埋管井進(jìn)行單位井深換熱量的計(jì)算比較，通過熱短路分析，證實(shí)了熱短路的存在，并提出了解決的方法。

    地源熱泵作為一項(xiàng)新興的節(jié)能環(huán)保技術(shù)正在被人們接受和使用。地源熱泵是以大地中的低品位熱源為能源的熱泵系統(tǒng)，冬季通過熱泵將大地中的低品位熱能提升，對(duì)建筑供暖，同時(shí)將冷量?jī)?chǔ)存在大地中，以備夏季制冷用。夏季通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到大地中，對(duì)建筑供冷，同時(shí)將熱量?jī)?chǔ)存在大地中，以備冬季供暖用。

    地源熱泵可充分發(fā)揮大地儲(chǔ)能作用，并能減少熱污染，是一種節(jié)能且對(duì)環(huán)境無害的綠色供暖空調(diào)技術(shù)，并符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。由于地源熱泵本身的優(yōu)越性，以及人們環(huán)保、節(jié)能意識(shí)的日益增強(qiáng)，地源熱泵在我國必將有著廣闊的發(fā)展前景。怎樣能夠更好的設(shè)計(jì)并使用地源熱泵系統(tǒng)，盡量減少熱損失是我們所面臨的關(guān) 鍵問題。

    參考文獻(xiàn)

    [1] ASHRAE編著，徐偉等譯.地源熱泵工程技術(shù)指南[M].中國建筑工業(yè)出版社，北京:2001.
    [2] 侯立泉. U型垂直埋管式土壤源熱泵運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].太原大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.
    [3] 程群英. 50米深埋U型管地源熱泵夏季性能測(cè)試及圓柱源理論模型[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004
    [4]V C.Mei.Performance of a Ground-Coupled Heat Pump with Multiple Dissimilar U-Tube Coils in Series[J].ASHRAE trans.92(A).30~42
    [5] Svec O.J., Potential of ground-coupled heat source system[J].International Journal of Energy Research.1987,4.571～581