地源熱泵技術、應用問題
（應用前景、制約條件、技術動態(tài)）
地下?lián)Q熱器設計
地下?lián)Q熱器設計是地源熱泵系統(tǒng)有別于其他系統(tǒng)之所在。地下?lián)Q熱器的設計是否合理直接影響到熱泵的性能和運行的經(jīng)濟性。
（1）確定地下?lián)Q熱器埋管形式：地下?lián)Q熱器的埋管主要有兩種形式,即豎直埋管和水平埋管。選擇哪種方式主要取決于場地大小、當?shù)貛r土類型及挖掘成本。在各種豎直埋管換熱器中,目前應用最為廣泛的是單U形管。
（2）確定管路的連接方式：地下?lián)Q熱器管路連接有串聯(lián)方式與并聯(lián)方式兩種。采用何種方式,主要取決于安裝成本與運行費。對豎直埋管系統(tǒng),并聯(lián)方式的初投資及運行費均較經(jīng)濟。且為保持各環(huán)路之間的水力平衡,常采用同程式系統(tǒng)。
（4）地下?lián)Q熱器的尺寸確定及布置：
①確定地下?lián)Q熱器換熱量
夏季與冬季地下?lián)Q熱器的換熱量可分別根據(jù)以下計算式確定：
（1）
（2）
式中Q0為熱泵機組制冷量,Qk為熱泵機組制熱量,COP1,COP2分別為熱泵機組制冷、制熱時的性能系數(shù)。地源熱泵系統(tǒng)COP在3.5～4.4之間。
②確定地下?lián)Q熱器長度
地下?lián)Q熱器的長度與地質(zhì)、地溫參數(shù)及進入熱泵機組的水溫有關。在缺乏具體數(shù)據(jù)時,可依據(jù)國內(nèi)外實際工程經(jīng)驗,按每m管長換熱量35～55W來確定地下?lián)Q熱器所需長度。
③確定地下?lián)Q熱器鉆孔數(shù)及孔深等參數(shù)
豎埋管管徑確定后,可根據(jù)（3）式來確定鉆孔數(shù):
（3）
式中n為鉆孔數(shù)W為機組水流量,L/v為豎埋管管內(nèi)流速,m/s,di為豎埋管管內(nèi)徑,mm。
各孔中心間距一般取4.5m左右。對豎直單U形管,埋管深度一般為40～90m,孔深h可根據(jù)式(4)確定:
（4）
④地下?lián)Q熱器阻力計算：
地下?lián)Q熱器阻力包括沿程阻力和局部阻力。
⑤地下?lián)Q熱器環(huán)路水泵選型
⑥地下?lián)Q熱器水管承壓能力校核
地源熱泵系統(tǒng)的運行性能與地下埋管的設計及施工質(zhì)量有密切關系,因此要提高設計人員的設計能力,并不斷完善地下?lián)Q熱器的安裝、施工技術。
地源熱泵的大力推廣需要政府的政策引導及公眾對地源熱泵技術的更多了解,相信通過政府部門、科研機構和工程技術人員的共同努力,地源熱泵一定能在我國得到較快的推廣和發(fā)展。
地源熱泵技術（GSHP）
與太陽能或地熱能一樣，地表熱能儲量十分豐富；而且地表熱能不受時間、季節(jié)、地域的限制，分布面廣而且相對均勻，更具有可再生性。地源熱泵技術就是地表熱能利用開發(fā)的最典型的例子。它利用地球表面淺層土壤或水源中的地熱能作為冷熱源，冬季通過熱泵機組將地熱能傳遞轉移到需供暖的建筑物內(nèi)，夏季通過熱泵機組將建筑物內(nèi)的熱量轉移到地球土壤或水源中，從而實現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷。GSHP系統(tǒng)按照熱源（熱匯）不同，大致可以分為如下三種形式：GSHP系統(tǒng)（groundsourceheatpump）、GWHP系統(tǒng)（groundwaterheatpump）和SWHP系統(tǒng)（surfacewaterheatpump），其中GWHP系統(tǒng)由于無法較好地解決地下水的回灌問題，在一定程度上影響了系統(tǒng)的進一步推廣。相比而言，隨著鉆井技術、土壤熱性能研究的不斷深入，GSHP系統(tǒng)的應用越來越廣泛。
土壤源熱泵研究現(xiàn)狀分析
目前我國南方地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)主要用空氣源熱泵作為冷熱源，由于其“室外機”受環(huán)境空氣季節(jié)性溫度變化規(guī)律的制約，夏季供冷負荷越大時對應的冷凝溫度越高；而冬季供熱負荷越大時對應的蒸發(fā)溫度越低，為此增加了大量能耗。根據(jù)熱力學原理，若降低冷凝溫度或提高蒸發(fā)溫度都將提高制冷循環(huán)效率并節(jié)約能源。為此若能尋找到更理想的新熱源形式取代或部分取代目前多采用的空氣熱源，無疑將有廣泛的應用前景和明顯的節(jié)能效果。
與地面上環(huán)境空氣相比，地下5米以下全年土壤溫度穩(wěn)定且略高于年平均氣溫，可以分別在夏冬兩季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。所以從原理上講，土壤是一種比環(huán)境空氣更好的熱泵系統(tǒng)的冷熱源。已有的研究表明土壤熱源熱泵主要優(yōu)點有:節(jié)能效果明顯，可比空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能約20%；埋地換熱器不需要除霜，減少了冬季除霜的能耗；由于土壤具有較好的蓄熱性能，可與太陽能聯(lián)用改善冬季運行條件；埋地換熱器在地下靜態(tài)的吸放熱，減小了空調(diào)系統(tǒng)對地面空氣的熱及噪音的污染。所以若能用土壤熱源熱泵部分取代空氣源熱泵，則必然節(jié)約能源并有可能形成新的空調(diào)產(chǎn)品系列。從目前已有的使用情況分析，它的主要缺點是：埋地換熱器受土壤性質(zhì)影響較大；連續(xù)運行時，熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化的影響而發(fā)生波動；土壤導熱系數(shù)小而使埋地換熱器的持續(xù)吸熱速率僅為20－40Wm-2，一般吸熱速率為25Wm-2，導致埋地換熱器的面積較大，如平面布置的埋地換熱器的面積約為房間面積的2倍左右。盡管土壤熱源存在以上不足，但WorldEnergyConference,InternationalEnergyAgency,InternationalInstituteofRefrigeration等國際著名組織及從事熱泵的研究者都普遍認為,在目前和將來土壤熱源熱泵是最有前途的節(jié)能裝置和系統(tǒng)，是國際空調(diào)和制冷行業(yè)前沿課題之一，也是地熱利用的重要形式。1998年美國暖通空調(diào)工程師學會的ASHRAE技術獎就授予土壤熱源熱泵系統(tǒng)。
從70年代末開始，土壤源熱泵的研究逐漸活躍。歐洲在80年代初先后召開了5次大型的土壤源熱泵的專題國際學術會議，瑞典已安裝了1000多臺（套）土壤源－水熱泵裝置。美國從80年代初開始，在能源部（DOE）的直接資助下由ORNL（橡樹嶺）、BNL（布魯克黑文）等國家實驗室和OklahomaStateUniversity等研究機構開展了大規(guī)模的研究，為土壤源熱泵的推廣起到了重要的作用。這一時期的主要工作是對埋地換熱器的地下?lián)Q熱過程進行研究，建立相應的數(shù)學模型并進行數(shù)值仿真，這些成果反映在、、及等人的論文和研究報告中。這一階段的成果最終體現(xiàn)在兩本ASHRAE出版設計安裝手冊中。
90年代以來，土壤源熱泵的研究熱點依然集中在埋地換熱器的換熱機理、強化換熱及熱泵系統(tǒng)與埋地換熱器匹配等方面。與前一階段單純采用的“線源”傳熱模型不同，最新的研究更多地關注相互耦合的傳熱、傳質(zhì)模型，以便更好的模擬埋地換熱器的真實換熱狀況；同時開始研究采用熱物性更好的回填材料，以強化埋管在土壤中的導熱過程，從而降低系統(tǒng)用于安裝埋管的初投資；為進一步優(yōu)化系統(tǒng)，有關埋地換熱器與熱泵裝置的最佳匹配參數(shù)的研究也在開展。國際最新研究動態(tài)表明，有關埋地換熱器的傳熱強化、土壤源熱泵系統(tǒng)仿真及最佳匹配參數(shù)的研究都是土壤源熱泵發(fā)展的“核心”技術課題，也是涉及多個基礎學科領域且極具挑戰(zhàn)性的研究工作。
自90年代初期以來，在國家自然科學基金委員會的資助下，國內(nèi)開始了對土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統(tǒng)初投資、保證系統(tǒng)的可靠運行等方面的研究一直沒有突破。其主要的原因是已開展的研究絕大多數(shù)都局限于對所建立的實驗系統(tǒng)進行性能測試并與傳統(tǒng)的空氣熱源熱泵性能進行技術經(jīng)濟比較，從而得出土壤源熱泵節(jié)能的一般性結論。由于缺乏對埋地換熱器在土壤中復雜的傳熱、傳質(zhì)綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結論只適用于某一具體實驗系統(tǒng)，所提供的基礎數(shù)據(jù)較少而不能作為設計依據(jù)。
綜合國內(nèi)外土壤源熱泵的研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)影響土壤熱源熱泵廣泛應用的主要原因是：（1）缺少針對不同土壤特性或回填材料所進行的熱物性實驗研究；（2）缺少用新的理論描述埋地換熱器傳熱傳質(zhì)機理及強化傳熱過程的理論模型；（3）缺少根據(jù)不同冷、熱負荷確定合理埋地換熱器形式并把此與土壤熱泵系統(tǒng)最佳匹配參數(shù)相結合的研究；（4）冬季從地下連續(xù)取熱時，難以保證埋地換熱器與周圍的土壤有足夠的傳熱溫差。
目前，地源熱泵系統(tǒng)突破了以往國外應用于小規(guī)模別墅的限制，得到了蓬勃的發(fā)展。在我國，已有多處大規(guī)模地源熱泵工程實例，例如南京某工程，占地面積16萬平房米，采用了新式的樁基式地源熱泵系統(tǒng)，利用建筑現(xiàn)有樁基埋設換熱器，從而節(jié)約了系統(tǒng)初投資。另外，上海、武漢、西安、南京等地的一些實際工程，也都采用了地源熱泵系統(tǒng)，埋孔數(shù)量200～600不等。
大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)的廣泛應用，促進了對于地源熱泵的理論研究，在地源熱泵系統(tǒng)中，埋地換熱器一直是地源熱泵技術的難點，同時也是該項技術研究的核心和應用基礎。所以，針對目前工程所作的研究均圍繞埋地換熱器進行，其主要內(nèi)容為：新型的樁基式埋地換熱器與傳統(tǒng)的埋管式換熱器換熱性能的差異；大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場的影響，土壤的恢復時間，以及合理的埋管間距等；U型管與W型管的換熱性能比較；U型管內(nèi)部熱干擾的影響等。
同濟大學地源熱泵研究情況
地源熱泵自上世紀80年代末引入中國以來，同濟大學就開始了對于地源熱泵的研究。1997年在美國聯(lián)合技術公司容閎科技教育獎的資助下，在同濟大學建成當時國內(nèi)規(guī)模最大，可測項目最多的太陽能-土壤源熱泵綜合實驗臺，所進行的相關基礎研究處于國內(nèi)領先，內(nèi)容主要為地源熱泵系統(tǒng)冬夏季啟動工況的研究以及土壤類型對于換熱過程的影響研究，并發(fā)表了相關論文。近期，同濟大學暖通研究所參加了“南京朗詩”、“武漢清江花園”，“西安都市之門”、“上海明園森林花園”、“張家港楊舍鎮(zhèn)”等地源熱泵系統(tǒng)的設計、施工咨詢等。針對目前國內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)規(guī)模大，埋地換熱器數(shù)量多的特點，進行了大規(guī)模地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場影響及恢復特性的模擬研究。培養(yǎng)的博士及碩士研究生如下：
1．周亞素土壤熱源熱泵動態(tài)特性與能耗分析研究博士論文2001.11
2．李元旦土壤源熱泵冬季工況啟動特性的實驗研究
3．高曉兵華東地區(qū)土壤及土沙混合物導熱系數(shù)的實驗研究
4．徐琳土壤熱源熱泵有效導熱系數(shù)的分形研究及節(jié)能分析碩士論文2004
5．李雅昕樁基式土壤源熱泵系統(tǒng)管群換熱及恢復特性研究碩士論文預答辯時間2007.1
發(fā)表的論文如下：
1.李元旦，張旭，周亞素，陳沛霖，土壤源熱泵冬季工況啟動特性的實驗研究，暖通空調(diào)，2001（1），vol31,17-20.
2.張旭，高曉兵華東地區(qū)土壤及土沙混合物導熱系數(shù)的實驗研究，暖通空調(diào)，2004(5)，vol34,83-89.
3.徐琳，張旭土壤熱源熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析，煤氣與熱力，2006（3），vol26,42-44.
3.2.1GSHP系統(tǒng)推廣應用急需解決的關鍵技術
作為一項橫跨土壤環(huán)境學、鉆探、熱質(zhì)交換、制冷供暖、材料學等多學科的新技術，其關鍵技術的突破需要多學科的技術人員跨學科相互合作。
（1）埋地換熱器傳熱模型的研究
埋地換熱器傳熱模型的主要目的是建立熱泵運行期間土壤溫度場的分布，目前主要的基礎理論是線源理論、BNL修正的線源理論，基于此，相繼發(fā)展了著名的、IGSHPA、NWWA埋地換熱器傳熱模型。
（2）回填材料的研發(fā)
早期的傳熱模型都是忽略回填土的影響，80年代后期在實驗中發(fā)現(xiàn)，回填土的性能對埋地換熱器換熱的影響不能忽略。1999年Kavabaugh對回填土的性能進行了測試，發(fā)現(xiàn)一種添加粘合劑的砂土比傳統(tǒng)使用的高密度泥土作回填土導熱性能高3～4倍。美國電力研究院[EPRI(1981),(197)]對回填土的性能也做過大量的研究。
（3）土壤熱源熱泵系統(tǒng)的合理配置
目前運行的土壤熱源熱泵系統(tǒng)普遍存在一個問題——系統(tǒng)的配置不合理。周亞素研究了熱泵機組各部分參數(shù)之間的匹配問題，建立了適合工程應用的動態(tài)數(shù)學模型，提供了與埋地換熱器運行參數(shù)關聯(lián)的土壤熱源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，模擬了各種環(huán)境條件下土壤熱源熱泵機組的工作特性。
（4）土壤熱物性的研究
土壤的熱物性決定了土壤的蓄熱性能及土壤溫度場的分布，進一步?jīng)Q定了土壤熱源熱泵系統(tǒng)的效率高低、埋地換熱器的尺寸大小。由于土壤質(zhì)地、土壤潮濕程度、土壤透氣性，在不同的國家、不同的地區(qū)、不同的城市、甚至是同一城市的不同的片區(qū)是互不相同，造成了土壤熱物性的隨機性和不確定性。加之目前我國尚缺乏詳細的城市土壤地質(zhì)實測數(shù)據(jù)，這些均給我國土壤熱源熱泵的應用和推廣造成了很大的困難。
此外，GSHP系統(tǒng)的成功應用還與政府政策引導、地下管井的設計與施工、地質(zhì)探測技術、地下水水質(zhì)處理技術、地下水的回罐技術等分不開的?？傊?，GSHP系統(tǒng)是一個整體設計，需要從政府政策、主機設計制造、系統(tǒng)的設計和運行管理等各個方面來共同參與。
3.2.2GSHP系統(tǒng)與建筑結構的完美結合——樁埋管系統(tǒng)
在GSHP系統(tǒng)中，埋地換熱器有兩種常見的方式：水平埋設和垂直埋設。前者埋地淺，單位管長換熱能力低，占地面積大；后者換熱能力高，但也增加了鉆孔的費用。
樁埋換熱器作為一種特殊的垂直埋管形式，在建筑物打地基樁時把U型PE管設置在混凝土樁中，管內(nèi)液體通過U型管與混凝土樁進行換熱，繼而與大地進行熱交換，從而減少了接觸熱阻。這種埋地換熱器方式充分利用了建筑物的占的面積，減少了鉆孔費用。
國外對樁埋地源熱泵系統(tǒng)應用開始于上世紀八十年代，Naegelebau公司首次在奧地利將此技術投人實際應用。自此以后，這種經(jīng)濟的方式在公共建筑、辦公大樓、文化中心、商業(yè)用房和工業(yè)廠房等方面得到了大量的應用。
3.2.3土壤蓄冷與GSHP集成系統(tǒng)
將地源熱泵技術及蓄冷技術結合在一起，取長補短，充分利用凍土蓄冷技術及地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點，將蓄冷裝置轉移到地下?lián)Q熱系統(tǒng)中，與蓄冷裝置合二為一，免除了傳統(tǒng)蓄冷系統(tǒng)中占地面積大、耗資較多的蓄冷裝置（蓄冰桶、蓄冰槽）。
【復合式地源熱泵系統(tǒng)】
太陽能與土壤熱源熱泵的聯(lián)合運行
鑒于太陽能、地熱能兩種低位熱源熱泵單獨運行的不足，兩者聯(lián)合運行是一種比較合理的方案，取長補短，彌補單一熱源熱泵的不足，提高熱泵系統(tǒng)的COP。充分利用土壤具有良好的蓄熱性，儲存熱量供太陽能不充足時使用，同時太陽能的輔助供熱作用，使得埋地換熱器間歇運行，土壤溫度場能夠得到及時恢復，蒸發(fā)溫度及冷凝溫度波動不大，從而使熱泵運行穩(wěn)定。
熱響應測試
地源熱泵在國內(nèi)別墅中應用時常與輻射吊頂系統(tǒng)相結合。
地源熱泵系統(tǒng)應依據(jù)動態(tài)負荷計算選型，需進行冬夏吸放熱的平衡分析。
參考文獻
王鵬英，上海地區(qū)別墅建筑地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計，，
張旭，太陽能－土壤源熱泵及其相關基礎理論研究，同濟大學博士后報告，1999.12
3、太陽能－土壤源熱泵
從節(jié)約能源，保護環(huán)境，開發(fā)利用新能源和可再生能源的角度出發(fā)，考慮綜合利用太陽能和土壤熱，以太陽能、土壤熱作為熱泵的復合低位熱源。
3.1兩者結合的背景
（1）太陽能熱泵是以太陽輻射能作為低位熱源的熱泵。太陽輻射強度隨著季節(jié)、早晚、晝夜有規(guī)律地變化，因此它具有很大的不穩(wěn)定性，所以利用太陽能必須解決太陽能的間歇性和不可取性問題。這就需要設有一定容量的蓄熱裝置或其他形式的輔助熱源。
（2）將太陽能利用系統(tǒng)的集熱器安裝在土壤源熱泵環(huán)路中，集熱器向傳熱介質(zhì)供熱，可以減小土壤源熱泵的尺寸，提高熱泵效率。
（3）太陽能集熱器和埋地盤管的組合，具有很大的靈活性，彌補了單獨熱源熱泵的不足。一年四季可以利用，提高了裝置的利用系數(shù)。
3.2兩者結合的工作原理
（1）當太陽能集熱器所提供的熱量能滿足建筑物的熱需要時，可以由太陽能集熱器直接將熱量供給采暖系統(tǒng)或用太陽能熱泵采暖；
（2）當集熱器提供的熱量富余時，可用儲熱器儲存起來供夜間或陰雨天使用；
（3）當集熱器供給的熱量不足以建筑物的需熱量時，可以用熱泵來降低集熱器的溫度，提高集熱器的集熱效率，可以獲得更多的熱量；
（4）若還不能滿足要求，則太陽能熱泵供熱不足的時間由土壤源熱泵或儲熱裝置補足，太陽能熱泵裝置與供暖季節(jié)需熱率不一致的缺點，正是土壤源熱泵的優(yōu)點；同時對土壤源熱泵，也由于太陽能熱泵的加入，便可實現(xiàn)間歇運行，使土壤源熱泵性能系數(shù)得以提高。
在太陽能－土壤源熱泵的設計中，需考慮太陽能和土壤作為熱泵熱源時的誰主誰輔以及太陽能集熱裝置容量的確定等問題，這需要從系統(tǒng)的初投資、所在地區(qū)太陽能資源的情況、土壤的熱物性參數(shù)、系統(tǒng)運行的可取性等方面加以考慮。
3.3研究方向及問題所在
（1）太陽能－土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資較高，研究如何提高系統(tǒng)運行的可靠性及如何實現(xiàn)太陽能與土壤熱源的最佳結合。
（2）傳統(tǒng)的埋地換熱器傳熱模型忽略了潮濕土壤的熱濕遷移對地下埋管換熱器的傳熱性能的影響，因此需要建立新的換熱器傳熱傳質(zhì)模型，研究提高換熱器換熱性能的方法。
（3）針對不同的冷、熱負荷，不同的地區(qū)，不同的運行形式下，研究如何合理地確定地下埋管換熱器、太陽能集熱器的形式及容量并將它與太陽能－土壤源熱泵系統(tǒng)的最佳匹配參數(shù)相結合。
（4）對這種新的空調(diào)系統(tǒng)形式進行計算機運行能耗模擬分析，預測在全國各地使用這種新系統(tǒng)的運行能耗情況，推動這種新系統(tǒng)在實際工程中的應用。
（5）太陽的能源密度、土壤的熱流率低，因此需要的換熱器及太陽能集熱器的面積大，應用受建筑物的環(huán)境條件及建筑物的負荷量大小的限制。
（6）太陽能－土壤源熱泵系統(tǒng)的研究還沒有形成一套完整的理論體系，應用基礎數(shù)據(jù)不足，還不能為太陽能－土壤源熱泵的應用提供充足的理論依據(jù)。