地源热泵的问题???

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能源短缺是当今世界面临的重大社会问题之一，由于经济的发展和人民生活水平的提高，世界能源消耗逐年增加，而能源消耗的主体化石能源的资源却正日渐枯竭。而化石能源的消耗同时伴随产生另一重大社会问题一一环境污染问题。这就导致了可持续发展问题的提出。
在能源消耗中建筑能耗占有很大比例，它是指建筑物在使用过程中的能量消耗，在其构成中主要以建筑物的空调能耗为主。空调为人类创造了舒适的生活环境和工作环境。同时也消耗了大量的矿物原料，破坏大气臭氧层，引发全球气候变暖。为了使空调行业走可持续发展的道路，有必要对其技术进行创新。地源热泵技术就是一种高效环保节能的空调新技术。
目前，地源热泵技术在美国等发达国家已是一种成熟的、完全产业化的技术，而在我国对地源热泵的应用研究刚刚起步，这在很大程度上制约了地源热泵在我国的推广。随着经济的发展和我国人民生活水平的提高，以及对能源危机和环保问题的严峻性的认识的提高，作为一种有效的节能绿色产品，地源热泵将在我国建筑空调系统中发挥越来越重要的作用。因此，地源热泵技术的研究成果，在我国有着广阔的应用前景。它的应用将产生重大的经济效益和社会效益。
我国对地源热泵的实验研究很多，但大多只针对地下换热器部分进行研究，缺乏关于整个地源热泵系统运行特性的研究，且设计时也没有考虑到建筑负荷对地下埋管换热器的影响。由于地源热泵地下换热器的影响因素多、设计难度大，而且地下埋管换热器的初投资高，钻孔费用约占系统总投资的1/2左右。所以地下埋管换热器的设计计算也是至关重要，设计钻孔长度偏大，会使初投资大大增加，而设计长度偏小，则不能满足建筑的负荷要求。因此，要加速地源热泵技术在我国的推广和发展，有必要进行地源热泵系统运行特性以及设计方面的研究。
热泵简介
众所周知，热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。利用热泵，可以把不能直接利用的低品位热能(如空气、土壤、水中所含的热能，太阳能，工业废热等)转换为可以利用的高位热能，也从而达到节约部分高位能，如煤、石油、天然气、电等的目的。目前，热泵在暖通空调中得到广泛的应用，也是减少C02，SO2，NOx排放量的一种有效方法。
热泵的分类
以建筑物空调(包括供热和制冷)为目的的热泵系统有许多种，这里主要根据热泵的低温热源不同分为空气源热泵(Air一Source Heat Pump)、水源热泵(Water -Source HeatPump)和地源热泵(Water一Source Heat Pump)。
1)空气源热泵
空气源热泵以室外空气为热源。它的主要缺点是低温热源的温度随室外温度的变化而改变。其制热量随室外空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度一5℃时，热泵就难以正常工作，减少了机组的换热能力，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热。此外，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。空气源热泵不适用于寒冷地区，但在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区，己得到相当广泛的应用。
2)水源热泵
水源热泵空调系统是由许多并联式水源热泵机组加上双管封闭式水管组成。水源热泵机组夏季利用冷却塔将系统内热负荷排放掉，冬季则将内区的热量转移到需要供热的外区，不足部分由辅助热源(锅炉、热水换热器)供给。该系统适用于大型建筑物，特别是内区冷负荷较大，而且冬季时内区仍然需要供冷，而外区需要供热的场合。
3)地源热泵
关于地源热泵的术语很多，这里统一采用ASHRAE 1997年规定的标准术语，即地源热泵(Ground-Source Heat Pump, GSHP)。地源热泵是一个广义的术语，它包括了使用土壤(Ground-Coupled Heat Pump, GCHP)、地下水(Ground-Water Heat Pump,GWHP)和地表水(Surface Water Heat Pump, SWHP)作为热源和冷源的高效节能热泵系统，通过埋入地下的换热器进行冷热交换，实现建筑空调和热水供应等目的。
地源热泵的分类
1、土壤源热泵系统(GCHP)
土壤源热泵是利用土壤为热源或热汇的闭路循环的地源热泵系统。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。在冬季供热过程中，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土中。因此，地下耦合热泵系统保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质，是一种可持续发展的建筑节能新技术。
土壤源热泵系统的效率比空气源热泵高，而且不受地下水和地表水源的限制，只需占用一定的区域埋管，对环境不会造成污染，因此是值得大力推广的。本文所指的地源热泵均为土壤源热泵。
2、地下水热泵系统(GWHP)
地下水地源热泵系统可分为开式系统和闭式系统。所谓开式系统是将地下水直接供应到每台热泵机组，经换热后将井水回灌到地下或直接定点排放。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀的发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。而闭式系统就是通过一个板式换热器将地下水与建筑物内的水系统分隔开，避免了建筑内热泵系统设备的腐蚀。
地下水地源热泵系统又可分为两种，一种为单井式系统，另一种为双井式系统。单井式系统在取水井内设置潜水泵，抽取地下水与地上系统换热后直接排走，由于其不断地大量抽取地下水而不能进行及时的补充，长期运行会导致地下水位下降，地面基础沉降等一系列地质问题，所以已经很少采用。双井式系统分别设置取水井和回灌井，能够在取水的同时向地下含水层补水，运行稳定性和系统寿命大大提高;但会在一定程度上造成地下水质污染，而且由于含水层较深，颗粒细，渗透性能差，回灌水较困难。

由于地下水源热泵的高效节能、运行稳定等特点，欧美国家最常用这种型式的热泵系统。但是，应用这种地下水热泵系统也受到许多限制。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在决定采用地下水热泵系统之前，一定要做详细的水文地质调查，并先打勘测井，以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅钻井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。国外由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严格，地下水热泵的应用己逐渐减少。对于我国地下水源并不丰富，且回灌技术不成熟，很容易造成水源流失及污染，而水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源，任何对水资源的浪费或污染都是绝对不可允许的，因此，推广这项技术应当非常慎重。
3、地表水热泵系统（SWHP）
地表水地源热泵是利用江、河、湖、海的水作为热源或热汇的热泵系统。这种热泵系统要求具有足够体积的地表水源可供使用而且地理位置便利。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。与空气源热泵相似，地表水源热泵的热源温度受气候的影响较大，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。
根据热泵机组于地表水的联结方式不同，地表水热泵系统可分为开路和闭路两种系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他设备容易受到损害。
地源热泵在国外的研究现状
国外对地源热泵的研究较早，最早可以追溯到1912年瑞士的一个专利。而该技术的提出始于英美两国。美国在1946年进行的12个地下盘管研究项目。这些系统测试了地下埋管的参数。1954年，美国人发明了世界上第一台地源热泵。1978年BNL (BrookhavenNational Laboratory)制定了土壤源热泵的研究计划，并发表了一些研究成果，主要是对土壤源热泵实际运行的实验计算机模拟。 1981年田纳西大学安装了水平盘管式土壤源热泵，对土壤源热泵进行了大量研究并取得一定的成果。这一时期，欧洲开始了30个工程研究开发项目，发展地源热泵设计方法，安装技术并积累运行经验。所有的地源热泵系统主要用于冬季采暖且主要是水平埋管。这些早期的研究主要集中于土壤的传热性质，换热器形式，影响埋管换热的因素等方面。
从地源热泵应用情况来看:北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。
美国大部分地源热泵系统采用了冬季采暖，夏季制冷的全年运行方式，随着地源热泵技术的进步和的工程应用，其研究工作也逐渐深入，出现了对其强化传热技术，混合式地源热泵技术等。
20世纪90年代，国外研究者对地下埋管换热器的研究主要集中在地下埋管换热器与土壤间的强化换热以及回填材料对地下埋管换热器性能的影响研究。这一时期，1995年，GU和O’Neal在回填材料和岩土界面加上了一系列的解除条件，把圆柱源射线性解析解推广到非均匀空间，对由回填材料和岩土材料不同引起的侧面非均匀性求了近似解。1997年到1999年间Allan及Gu等人对回填材料的研究主要是比较研究不同材料的埋管换热器换热性能的影响。1998年GU和O’Neal利用等效直径，解决了U型管的两管之间，热负荷不平衡，传热的非均匀性问题。
国际上，有一些关于地源热泵技术的著名研究机构，如国际地源热泵协会，对推动地源热泵的发展起到了积极的作用。
地源热泵在国内的研究现状
在地源热泵的三种不同的系统形式中，由于采用地下埋管换热器，使得土壤源热泵的技术难度最大，设计和施工都要很困难，所以一直也是地源热泵技术的难点和核心所在。
我国对地源热泵的一系列研究工作开始于上个世纪80年代，主要集中于以下几个方面:(1)地下埋管换热器的传热模型和传热研究;(2)夏季瞬态工况数值模拟的研究;(3)热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究;(4)地源热泵空调系统制冷工质替代研究;(5)其他能源如太阳能、水电等与地热源联合应用的研究;(6)地源热泵系统的设计和施工;(7)地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究; (8)地源热泵系统与埋地换热器的技术经济性能匹配方面机组整体性能的研究;(9)土壤热物性及土壤导热系数的试验研究等等。
20世纪50年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授开展了我国热泵最早的研究，并于1965年研制了我国第一台水冷式热泵空调机，他在1982年发表了“运用热泵提高低温地热采暖系统能源利用率的分析”，论证了热泵系统是提高低温地热利用率和城市采暖的有效方式，还介绍了地源热泵模拟试验。
1989年青岛建筑工程学院建立了国内第一台土壤源热泵系统的试验台，高祖馄教授对北方地区利用水平管地下换热器的地源热泵系统冬季用于供暖进行了一些研究，作出了水平管地下换热器地下温度场分布的数字化模拟，得出了单位管长换热器的的负荷指标。
华中理工大学从90年代开始，在国家自然科学基金的资助下，进行了水平单管的换热研究，后来又进行了地下浅层井水用于夏季供冷和冬季采暖的研究。但现在这方面的工作也已经停止。
同济大学热能工程系张旭、高晓兵等人从1999年开始利用探针，对土壤及不同比例的土砂混合物，在不同的含水率，不同密度条件下的导热系数进行了实验研究，分析了影响土壤热交换能力的因素，发现土壤及土沙混合物的导热系数随密度和含水率的增加而增加，得出土壤及其与不同比例黄砂混合物的导热系数随含水率和密度的变化规律，及土砂混合比为1: 2时的混合物的导热系数最大，为寻找最佳的回填材料提供了基础数据。李元旦等结合对土壤源热泵冬季制热工况的实测，研究了土壤源热泵的启动工况。结果表明，土壤源热泵的冬季启动时间比夏季端。实测获得了单位钻孔长的换热率为40-60W/m。可作为设计参考数据。分析了土壤源热泵冬季制热工况的系统COP值和压缩机的COP值，指出要获得好的节能效果，必须优化系统，介绍循环泵和风机等的能耗。
重庆建筑大学王勇、曾森等通过实验研究分析计算出不同回填介质、不同水流速、不同连接方式、不同季节对地下U型管换热器传热系数的影响，为强化和优化地下埋管的换热提供可靠的依据;丁勇、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15kW浅埋竖直管换热器和水平埋管换热器的特性研究，建立了地下浅埋管换热器的传热模型。他们还介绍了根据浅埋竖管换热器地热源热泵冬季测试结果，在夏季试验中对试验装置及实验方法的改进，测试了夏季定水量运行效果和变水量运行时各性能指标的变化。采用系统能量平衡结合热传导方程建立地下竖埋套管管群换热器传热模型和过度季节大地温度场模拟，数值与实测值吻合较好。付样钊、王勇等人通过建立地源热泵岩土换热器的简易数理模型，计算分析了竖直埋管的换热器性能，并在重庆和上海两地进行了岩土换热器试验，发现短期运行参数与实验数据一致，长期连续运行性能参数小于实际值。结果表明，岩土性能及由年平均温度决定的岩土原始温度对岩土换热器对岩土换热器性能有显著影响，在砂岩中设置的换热器比沉积土中的性能好。
天津大学的李新国教授，对我国目前经济条件下地热热泵调峰供暖的经济性进行了探讨，并与常规的锅炉调峰供暖和传统锅炉供暖进行了比较。并通过螺旋盘管地源热泵供暖制冷实验得出以下结果:(1)冬季从地下取热盘管的出口温度明显高于环境空气温度，有利于制热性能。但夏季制冷地下盘管的进出口温度己超过标准空调工况汾析原因，认为是地下盘管布置过于密集和未使用适宜的回填土，致使盘管散热性能差。(2)实验测得的系统 COP和压缩机COP值并不高，这与水源热泵机组设计是否匹配、优化，水泵、风机的选择是否匹配等有关。(3)对于小型地源热泵系统，垂直螺旋盘管占地面积小，换热性能较优。赵军，袁伟峰等依据能量平衡，建立了地下浅埋套管式换热器传热模型，求解并分析了影响传热的主要因素，提出了套管式换热器的强化换热措施，并给出了相应的函数关系图。
这些研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行技术可行性分析和埋地换热器传热模型的建立，从而得出土壤源热泵节能的一般性结论。在地源热泵系统经济运行方面一直比较缺乏。地下埋管换热器的稳定性和高效性直接影响系统的性能和初投资，由于缺乏对地下埋管换热器动态特性方面的深入研究，使得这些结论大多只适用于某一具体实验系统或地区，而且所能提供的数据较少，只能作为本地区的设计依据。这都影响了地源热泵技术在我国的迅速发展。
随着地源热泵在我国的逐渐推广，对地源热泵系统经济性能和运行特性的研究也日益受到重视。哈尔滨工业大学针对地源热泵钻并费昂贵、初投资比普通供暖空调高的问题，利用经济评价方法，以哈尔滨地区供暖面积10000㎡为计算对象，分析比较了地源热泵3种驱动源(电动机、燃气机、柴油机)、3种辅助热源(电锅炉、油锅炉、燃气锅炉)、共计9种系统组合的经济参数(初投资、年经营成本、年总成本、净现值，净现值率及投资回收期)，分析计算得出利用燃气机驱动的190KW辅助燃气锅炉的地源热泵系统为最佳的结论。北京建筑工程学院从节能分析出发，结合工程实例，对地源热泵系统即地下水热泵系统和土壤源热泵系统与风冷热泵系统在技术性能和经济性能方面进行了对比。分析表明地源热泵系统性能参数比风冷热泵系统有较大提高;初投资和运行费用比风冷热泵系统节省24--30%左右。一些研究人员还依据圆柱源理论，建立了耦合地面热泵机组和地下埋管换热器特性的模拟模型，并运用模型对地源热泵的冬季和夏季运行特性进行了模拟。
尽管我国目前关于地源热泵技术的相关研究很多，但是由于地理条件、地质条件、经济条件及使用习惯等因素的差异，很少能把其它地区的研究成果直接拿来应用，因此，能够被普遍应用的地源热泵技术仍需完善。
地源热泵系统在欧洲等发达国家早已普遍存在了，在我国从上世纪80年代开始，也进行了大量的研究，但是一直不能得到普遍的推广，主要有以下几个方面的原因:一、地源热泵系统的初投资高;二、开发商和用户对于地源热泵系统供暖和制冷的效果没有一个直观的意识，三、设计者对用户最关心的运行费用的问题没有明确概念。地源热泵系统的初投资中钻井费用占总费用的50%左右，埋管的多少直接影响地下埋管换热器的换热性能和是否满足建筑物的要求;而对于整个地源热泵系统的运行特性的研究对加快地源热泵技术的应用起非常重要的作用。
地源热泵系统模拟模型
地下埋管换热系统就是直接在土壤中储存或吸收热量的系统。埋管系统的作用就是传热介质之间进行热交换，在管道或者储能区域中循环，通过热传导将热量从埋管中传入周围土壤。
利用埋管换热器作为土壤中热量交换的装置，埋管的布置与地质状况密切相关，岩土可以根据性质不同分为粘土沙土以及泥煤，对于这两种不同的地质，埋管换热器的设计上存在差别。
在瑞典，竖直埋管的管径在4-6英寸，管间距为4米。由于可利用土地面积受限，选择管群的排列方法也是必需的，钻井越深，管间距要增大。每个钻井中可以有一个或更多的循环管路。简单的管路就是钻井中传输管路从头到尾只有一根塑料管。塑料管与钻井壁之间组成向上流动的通道，流体从通道的上方进入整个系统，这种排列方法的主要优点，开式系统，传热介质直接在塑料管外壁与周围土壤中传输，传热效果较好。有些地质条件不适合作开式系统。一种常用的解决方法是在钻井中插入一组或者多组U形塑料管束从而形成闭式系统。管束的末端插到钻井的底部。热量的传递是通过管内载热流体与管外的地下水或者物质之间进行交换。因此这种系统的传热效果没有开式系统好。
在粘土、沙土或是泥煤矿床中，管路系统可以布置成竖直的U形薄壁塑料管束系统。对于粘土和沙土中存在周期性蓄热的情况，这种竖直系统管道间的最佳距离是大约2米，这个间距要小于在岩土中钻井孔的间距，主要因为粘土的导热率比较低的缘故。另外利用两组U形管束同时进行换热的形式也有应用，在薄的沉积层中管路系统可以水平布置。
岩土蓄热量的设想首先由法国科学家Brun在1965年提出。第一个实地试验是1976年左右在法国和瑞典同时开始的。从那以后，主要在瑞典有关岩土中的蓄热器无论在概念上还是技术上都有进一步的发展。在芬兰也有一些类似的研究，包括钻井孔的研究在内的基本设计都是为了在岩土中能够制造一个热交换器。传统的钻井技术还在使用，但是由于进行蓄热通常需要大量的钻孔，所以进一步发展就需要新的技术。
在土壤中进行大规模蓄热的理论研究最早报道于1977年。实地试验和大规模的应用技术随后出现。80年代间在粘土和沙土中许多的蓄热器己经使用，应用于温室的周期性蓄热器也开始研究。在例如粘土、沙土这样的松软性介质中建立蓄热器的方法似乎己经很清楚了，尽管土壤换热器的设计有待进一步的提高，由于高温下粘土的地质特性可能存在有害影响，所以在粘土中蓄热器仅仅限制在低温范围内。为了使土壤蓄热的能量系统达到最优化设计，需要有能够确定需热量动态特性的分析工具。管道附近的局部换热己经被进行很细致的研究了。粘土中加热蓄热器和区域流动的影响的研究促使关于自然对流数值研究的产生关于热量动态特性的简单评价方法已经可以实现了。
地埋管蓄热模型热量传输过程
蓄热区域及管路系统内的热量传输过程是相当复杂的。在蓄热器的不同部分和周围土壤内存在大范围的热量交换过程。在土壤热交换系统中，这种过程受到自然对流的强烈影响。土壤中整个热量传输过程由周围的每个换热器局部热量传输过程组成，整个蓄热区域内局部热量传输过程具有相同的特性。
1)基本的热量传输过程
热量分析需要对决定蓄热器中热量传输特性的传输过程有准确地描述，大量管束与周围土壤热容量间的相互作用以及管道内热量交换的特性是存在的重要问题。
蓄热区域内大范围的热量流动决定了蓄热器的热损失。应该清楚地认识到热量的传输具有三维特性，特别是当土壤是由不同地质特性的物质构成时，热量的传输特性也随之相应的改变，通常在蓄热器上方的地表面布置绝热材料以减少热损失。上述这些以及其他大范围的热量不均匀性都将影响总的传热过程。管道周围的局部传热过程也是十分重要的。这个在很大程度取决于土壤换热器内管道的具体布置。
2)二级传热过程
影响土壤中热量传输特性的其他过程是次要的。他们的影响或者很小或者相对比较容易解决。如果这种影响是由于选址不当造成的，那么将是另外选址的一个理由。选在易渗透土壤层建蓄热器，由于局部地下水的流动可能增加了热量的损失。Meurs进行关于多孔性介质的数值研究得到，如果地下水流动速度超过50毫米每天，那么蓄热器表面应该使用防水渗透的物质，岩床中地下水的流动发生在岩块的裂缝或者断裂的地方，蓄热区域的地下水流量的大小取决于裂缝的宽度、断裂的范围和局部的水压梯度。上述事实都是与选址有关的，并且关于蓄热器中热量传输的影响很难做出说明，工程实际经验说明，在地下水影响较小的岩床区域可以得到较大的蓄热量。然而，很明显在特定条件下地下水流动的影响将产生相当大的热损失。
由于水的温度与密度相关，在饱和土壤中的热量将导致自然对流的发生，浮力的作用将使低密度的热水向上流动。因此在多孔渗水的介质中的蓄热器，竖直布置自然对流将很强烈。这些情况将导致热水从蓄热器上方流出，而冷水从下方流入，浮力的大小主要取决于蓄热器与土壤间的温差、土壤水平和竖直的渗透性和蓄热器竖直部分的范围。数值研究表明，在正常使用的条件下，当土壤的渗透性超过10×-12 E㎡，蓄热器中的热量流动特性就受到影响。然而，由于不容渗透的粘土普遍存在将减轻自然对流的发生。除了比较浅的蓄热器以外，每年地表面边界条件的变化都是可以忽略的。由于上部土壤层条件的短期变化导致受热量扰动的渗透深度要短于蓄热器的埋藏深度，地表面冷的雨水的均匀渗透的影响不是很重要。然而，在不饱和的土壤层内地下水的含量变化将会影响土壤的热力性质，利用每年的地表温度的平均值和上部土壤层的热力性质是非常有效的。
小范围不均匀的热力性质是无关紧要的，除非是发生在管道周围，因为那样的话将会影响换热器的换热性能