浅层地热源热泵空调系统的应用研究

摘要：　　浅层地热源热泵是一种利用高位能使浅层地热能从低位热源转移到高位热源的机械装置。该文回顾了重庆大学20年来在浅层地热源热泵领域的研究历程，介绍了浅层地热源热泵的研究状况及该项技术在重庆地区建筑中的应用趋势。作者从浅层地热资源本身的状态及应用规律讨论了影响地下换热器换热量的因素以及江水源热泵所受水温、水质波动影响等浅层地热源热泵系统在应用中值得关注的基本问题。
　　当今能源与环境逐渐成人类最关注的问题，浅层地热源热泵系统因其显著的节能、环保、高效益用等特点而愈来愈受到人们的重视。浅层地热源热泵技术自上世纪50年代在国内展开研究以来，国内的研究已取得了相当显著的研究成果。重庆大学自上世纪90年代开始，结合重庆市的浅层地热资源特点，开展了一系列的理论研究与实践尝试，积累了大量实测、设计、施工及运行的数据和经验。
　　1 浅层地热资源热泵系统的研究基础
　　按照我国《地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)》中的定义，浅层地热资源是指蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源。浅层地热资源也就是指地下100m左右的、蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源，这些能源由于位于地表层，大多处于低位能源状态，为了提升能源的品位，使之作为高位能源用于调节建筑的环境，就必须要使用能源品位的提升技术。为了将这些低位热能提升至高位热能而在建筑中予以应用，目前应用最为广泛的是空调系统中的热泵技术。
　　浅层地热资源在建筑中的应用，目前来说，适宜于推广的主要是在岩土源热泵系统和地表水源热泵系统，重庆大学结合重庆市推广岩土源热泵和地表水热泵系统的应用经验，从理论到实践均开展了深入的研究工作。
　　在岩土源热泵研究方面，原重庆建筑大学在1990年前后，就开始对利用浅地层蓄能横埋管道冷却或加热空气以改善室内热环境进行了研究。1997年在“国家自然科学基金”的资助下开始建设了包括浅埋套管换热器和水平埋管换热器在内的15kW地源热泵试验系统并开展了实验研究[1];1998年~2000年，重庆大学在所建设的15kW浅埋竖管换热器地源热泵试验装置上开展了冬、夏季供暖空调效果测试，重点针对浅层套管式地下换热器的换热性能开展了冬夏季换热测试和过渡季地温恢复测试，建立了地下浅埋套管式换热器的传热模型[2]。2003年，结合应用需求，新搭建了制冷量为7Kw的U形管地下换热器地源热泵系统，围绕50m垂直深埋U形管岩土源热泵的冬季运行开展了研究，进行了原始地温测试和供热运行测试，并采用线源理论及热阻网络分析方法建立了传热模型[3];在2004年，又利用此系统开展了过渡季节地温恢复情况测试，并对不同工况下的运行性能进行了分析，采用圆柱源理论模型对本热泵系统的运行性能进行了模拟[4]。2008年，在“十一五”国家科技支撑计划项目的资助下，根据工程应用情况，构建了100m埋深的单U、双U型管地下埋管换热器测试试验台，通过自主研发的地源热泵地埋管换热量测试仪开展夏季工况和冬季工况换热量的测试，利用测试仪器分别测试得到了地下土壤不同深度的原始地温、各种工况的地下埋管换热器换热量、土壤热物性参数等，对影响地下换热器换热效果的换热管的形式、介质流速、温度等因素进行了对比分析，同时结合国家规范的要求，编制完成了地下换热器设计分析工具[5, 6] [7-9]。
　　在江水源热泵应用研究方面，重庆大学在“十一五”国家科技支撑计划项目的资助下，逐步建立了长江、嘉陵江水温水质年变化数据库，结合重庆市示范工程的建设，开展了系统能效分析、系统设备匹配、取水方案选择、水质处理分析等问题的研究[10-11][12-13]。课题组针对重庆地区广泛的江水资源，对江水源热泵系统应用的基础数据进行了全年逐月的水温、水质测试，并利用测试数据与气象资料的对比分析，探索了江水温度的变化规律，分析了江水源热泵系统的能效影响评价，为两江流域的水源热泵系统的合理确定提供了技术支撑。
　　2 浅层地热源热泵空调系统在重庆的应用
　　浅层地热源热泵在重庆市正处在大力度推广和工程实施的起步阶段。07～08年期间，先后两次组织建设了可再生能源建筑应用示范工程项目，随着示范工程的建设和顺利运行，已经表现出了显著的社会和经济效益，极大的推动了浅层地热源热泵工程在重庆地区的发展。示范工程涵盖了酒店、写字楼、会展中心、医院、住宅小区等各种类型的建设项目，主要应用了地表水源热泵、岩土源热泵这两种可再生资源。其中地表水源热泵示范面积达到100万m2，岩土源热泵的示范面积达到近50万m2。夏季工况下地表水源热泵空调机组运行的能效比均达到3.3以上，普遍为4.1～4.5;岩土源热泵的空调机组运行能效比均达到3.5以上，普遍超过4;冬季工况下