浅谈土壤源热泵系统的发展及其应用

法智彤 褚晓丽

人类社会已经进入21世纪,能源的紧张成为人类社会面临的一大难题。节能环保型空调产品的研制、开发与应用已引起世界各国的高度重视。地球表面浅层土壤吸收大量的太阳能而形成了低位热能资源。它常年保持恒定的温度,远高于冬季室外温度,又低于夏季的室外温度。热泵是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。以建筑物的空调为目的的热泵系统,在供热时将低温热源中的热量取出来,连同所消耗的高品位能一起,向建筑物供热;在制冷时,提取建筑物中的热量,释放到环境热源中去。在冷暖空调领域中,作为一种清洁可再生能源,地源热泵系统是当今世界上增长最快的方式之一[1-3]。

1 土壤源热泵系统的原理及特点

1.1 土壤源热泵的原理

地源热泵是一个广义术语,其包括以土壤、地下水和地表水为冷热源的热泵,即地下耦合热泵(Ground Coupled Heat Pump,GCHP)、地下水热泵(Ground Water Heat Pump,GWHP)、地表水热泵(Surface Water Heat Pump,SWHP)。通常地下耦合热泵也称为土壤源热泵。根据地下热交换器的布置形式,主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇形埋管三类。垂直埋管换热器通常采用的是U形方式,按其埋管深度可分为浅层(＜30 m),中层(30 m～100 m)和深层(＞100 m)三种。夏季制冷时,大地作为排热场所,把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中,再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时,大地作为热泵机组的低温热源,通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器,只是因季节不同而功能不同。它们之间功能的转换由四通阀门(换向阀)控制。

1.2 土壤源热泵的优点[4,5]

1)节省占地空间。2)机组性能系数高,节能效果好。3)地下换热器与土壤换热不受外界环境的影响,由于土壤温度全年波动很小,使土壤源热泵系统的运行效率比传统空调系统高40%～60%,因此能耗少,运行工况稳定,比传统集中式空调系统节省运行费用30%～60%[6]。4)环保、无污染。5)运行与维护费用低。6)系统可靠性强,使用寿命长。

1.3 土壤源热泵系统的缺点

1)土壤源热泵系统连续运行时,热泵的冷凝温度、蒸发温度受土壤温度变化的影响而波动,导致热泵运行效率下降。2)地下换热器的传热性能受土壤性质影响较大。3)由于土壤热导率较低,地下换热器与周围土壤的传热量较少,因此与空气源热泵相比,土壤源热泵地下换热器的设计换热面积较大。

2 国内外的发展与研究状况

2.1 国外的发展与研究状况

1912年,瑞士的H.Zoelly在一项专利中描述了利用土壤作为热源的热泵计划[7],但是由于当时一次能源充足,热泵技术没有得到重视与发展。从1974年起,瑞典、瑞士、荷兰等国政府资助的示范工程逐步建立起来,实施了30个工程开发研究项目,使得地源热泵技术日趋完善。1971年～1978年,美国进行了多种形式地下换热器的测试,并引入太阳能集热器,组成混合土壤源热泵系统。这一时期开始采用塑料盘管代替金属盘管。20世纪70年代末～90年代初,冷热联供地源热泵的研究工作在美国率先展开。这一时期,地源热泵技术飞速发展并趋于成熟。目前,国外对土壤源热泵的研究仍集中在地下换热器的传热性能上。地下换热器的设计、计算模型约30多种,对所有模型的建立,关键是求解岩土温度场的动态变化,最基本的模型可以概括为两种:1)1948年,L.R.Ingersoll提出线热源模型[8]。2)圆柱热源模型。

2.2 国内的研究与发展状况[8]

20世纪50年代,天津大学热能研究所吕灿仁开展了国内最早的热泵研究[12],并论证了热泵系统是提高低温地热利用率和城市供暖的有效方式,同时介绍了地源热泵模拟试验,并于1965年研制了我国第一台水冷式热泵空调机组。1989年青岛建筑工程学院建立了国内第一个土壤源热泵系统的试验台,高祖锟教授对北方地区利用水平盘管地下换热器的土壤源热泵系统用于冬季供暖进行了一些研究。刘宪英等从1999年开始在国家自然科学基金的资助下进行了浅埋垂直盘管地下换热器和水平盘管地下换热器的特性研究,采用系统能量平衡结合传热方程建立了垂直套管管群换热器传热模型,并模拟了过渡季节大地的温度场。

3 土壤源热泵技术展望

3.1 土壤源热泵发展面临的问题

1)观念方面:空气源热泵和燃气、燃煤供热技术相对成熟,使得人们选择土壤源热泵系统时会面临阻力。2)土壤特性:土壤的特性随地点的变化而有所差别,在一地区的研究结果可能完全不适用于另一地区,必须进行相应的修正甚至重新研究。3)暖通空调技术与其他技术的配合:土壤源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术相结合的综合技术,两者缺一不可,这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。4)初投资问题:并不是所有的地源热泵系统都是经济合理的,由于钻井费用可能占到整个系统初投资的50%以上,有些投资者可能会回到传统的空调。5)对环境的影响:土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入,如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。6)地下换热器传热机理的理论研究繁多,但缺乏理论与实践的有效结合,缺乏多环境下应用技术的系统研究以及实际有效的强化传热方法。不同冷、热负荷下,地下换热器与热泵系统最佳匹配技术的研究不够。

3.2 土壤源热泵发展的前景

地源热泵系统作为一种新技术,目前取得了很大的发展,虽然有许多问题尚待解决,但是,其应用前景非常广阔。我国地域辽阔,各地的气候条件和土壤条件各不相同,其中大部分地区夏热冬冷,适合地源热泵的使用范围。加之我国采暖和制冷基础还相对薄弱,将来需求量无可比拟,被认为是世界上直接利用地热潜力最大的国家。随着生态环境保护的深入人心和节能意识的加强,建筑环境和生活水平的不断提高,土壤源热泵系统因其节约常规能源、充分利用可再生能源以及减少环境污染和资源破坏等显著优点,将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术之一。

[1] 郁永章.热泵原理与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.

[2] 张 旭.热泵技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3] 马最良,吕 悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 张佩芳,袁寿其.地源热泵的特点及其在长江流域应用前景[J].流体机械,2003(2):9-12.

[5] 徐 伟.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[6] 王健敏,叶衍华.地源热泵的地热能利用方式与工程运用[J].制冷,2002(6):10.

[7] 刘 东,陈沛霖,张 旭.地源热泵的特性研究[J].流体机械,2001(7):11-13.

[8] 徐秋敏.U型垂直埋管式地源热泵地下传热特性的实验研究[D].大连:大连理工大学硕士学位论文,2005.

[9] Met Z P.Development of a validated model of ground coupling[J].Proceedings of the AnnualMeeting-American Section of the International Solar Energy Society,1980,3(1):6.

[10] Gu Y,O'Neal D L.Modeling the effect of backfills on U-tube ground coil performance[J].ASHRAE Transactions,1998,104(2):20-22.

[11] Gu Y,O'NealD L.Development of an equivalent diameter expression for vertical U-tubes used in groundcoupled heat pumps[J].ASHRAE Transactions,1998,104(2):9.

[12] 吕灿仁,马一太.运用热泵提高低温地热采暖系统能源利用率的分析[J].天津大学学报,1982(4):21-23.