【正文】 地源熱泵技術(shù)及其設(shè)計(jì) 華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 胡平放 1 地源 熱泵系統(tǒng)的形式和結(jié)構(gòu) 地源 熱泵特點(diǎn) 地埋管 地源 熱泵 （ 以下 簡(jiǎn)稱 地源 熱泵 ） 以大地作為熱源或熱匯，將 土壤熱交換器 置入地下，冬季將大地中的低位 地 熱能提高對(duì)建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；夏季將建筑中的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用；實(shí)現(xiàn)真正意義的交替蓄能循環(huán)。由于地表熱能儲(chǔ)量大、無(wú)污染、可再生， 地源 熱泵系統(tǒng) 被認(rèn)為是一種很有潛力同時(shí)也是十分現(xiàn)實(shí)的綠色 暖通空調(diào)技術(shù)[ 1 ]。 地源 熱泵系統(tǒng)主要由 土壤熱交換器 系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組 、 建筑物 采暖空調(diào)末端系統(tǒng) 三部分組成 ， 分別對(duì)應(yīng) 三個(gè) 不同的 環(huán)路 。 第一個(gè)環(huán)路為制冷劑環(huán)路，這個(gè)環(huán)路與普通的制冷循環(huán)的原理相同 ， 第二個(gè)環(huán)路為室內(nèi)空氣或水環(huán)路 ， 第三個(gè)環(huán)路為 土壤熱交換器 環(huán)路 ， 三個(gè)系統(tǒng)間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行 冷量或 熱量的轉(zhuǎn)移，其原理如圖 1 。 圖 1 地源熱泵原理示意圖 與易受周圍環(huán)境空氣溫度和氣候季節(jié)性變化的影響的空氣源熱泵相比， 地源 熱泵所處的地表以下的土壤溫度相對(duì)比較穩(wěn)定，可以分別在夏、冬兩季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度，性能穩(wěn)定，效率較高。因而從這個(gè)角度來(lái)說， 地源 熱泵優(yōu)于空氣源熱泵，其優(yōu)點(diǎn)如下： 1 ） 土壤溫度全年波動(dòng)較小且數(shù)值 相對(duì)穩(wěn)定，熱泵機(jī)組的季節(jié)性能系數(shù)具有恒溫?zé)嵩礋岜玫奶匦?，這種溫度特性使 地源 熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)運(yùn)行效率要高 40% ～ 60 % ，節(jié)能效果明顯[ 2 ]； 2 ） 土壤具有良好的蓄熱性能，冬、夏季從土壤中取出的能量可分別在夏、冬季得到自然補(bǔ)償； 3 ） 當(dāng)室外氣溫處于極端狀態(tài)時(shí)，用戶對(duì)能源的需求量一般也處于高峰期，由于土壤溫度相對(duì)地面空氣溫度的延遲和衰減效應(yīng)，因此和空氣源相比，它可以提供較低冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度，提高性能系數(shù)，從而在耗電量相同的條件下，可以提高夏季的供冷量和冬季的供熱量； 4 ） 土壤熱交換器 無(wú)需除霜，沒有融霜除霜的 能耗損失[ 3 ]； 5 ） 盤管換熱器在地下靜態(tài)的吸、放熱，減小了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地面空氣的熱、噪音污染； 同時(shí)在污染物的排放方面，與空氣源熱泵相比，相對(duì)減少了 40% 以上；與電供暖相比，相對(duì)減少 70 %以上[4 ]； 6 ） 運(yùn)行費(fèi)用低。據(jù)世界環(huán)境保護(hù)組織 EPA 估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵系統(tǒng)，平均來(lái)說，可以節(jié)約用戶 30 ～ 40 % 的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用[ 4 ]。 但從目前國(guó)內(nèi)外對(duì) 地源 熱泵的研究及實(shí)際使用情況來(lái)看，也存在很多缺點(diǎn)，其主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： 1 ） 埋管換熱器受土壤性質(zhì)影響較大，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)，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(dòng)； 2 ） 土壤的導(dǎo)熱系數(shù)小而使埋管換熱器的單位管長(zhǎng) 排熱 量?jī)H為 20 ～ 4 0W/ m ，一般 取熱量 為 25 W/m 左右[ 5 、 6 ]。因此，當(dāng)換熱量較大時(shí)，埋管換熱器的占地面積較大； 3 ） 土壤熱交換器 的換熱性能受土壤的熱物性參數(shù)的影響較大； 4 ） 初投資較高，僅埋管換熱器的投資約占系統(tǒng)投資的 20 ～ 30%[ 7 、 8 ]。 盡管土壤耦合熱泵系統(tǒng)存在以上不足，但 Wo r ld En er g y Co nf er en ce , In te rn at io na l En er gy Agency ， In te r na ti on al In st it u t e of R ef ri ge ra ti on 等國(guó)際著名組織及從事熱泵的研究者都普遍認(rèn)為，在目前和將來(lái) 地源 熱泵將是最有前途的節(jié)能裝置和系統(tǒng)，是國(guó)際空調(diào)和制冷行業(yè)前沿課題之一，也是地?zé)崮芾玫闹匾问?[ 9 ] 。 地源 熱泵 的形式與結(jié)構(gòu) 目前， 地源 熱泵系統(tǒng)依據(jù)制冷劑管路與土壤換熱方式的不同有兩種類型：一種是間接式 地源熱泵系統(tǒng)，另一種是直接式地源熱泵系統(tǒng)。前者將 土壤熱交換器 埋 置入地下，利用大地的蓄能進(jìn)行熱量的排放和吸收，制冷劑管路和大地不直接進(jìn)行熱交換，制冷劑相變過程在設(shè)備的蒸發(fā)器和冷凝器完成。后者不需中間傳熱介質(zhì)， 制冷劑管路直接與土壤進(jìn)行熱交換。目前工程中常用是間接式 地源 熱泵系統(tǒng) ，而根據(jù) 熱交換器 布置形式 ， 地源 熱泵相應(yīng)地具有不同的形式與結(jié)構(gòu)。 圖 2 垂直埋管熱交換器 圖 3 水平埋管熱交換器 根據(jù)熱交換器布置形式的不同，土壤熱交換器可分為水平埋管與垂直埋管熱交換器兩大類，分別對(duì)應(yīng)于水平埋管 地源 熱泵和垂直埋管 地源 熱泵[ 1 0 ]，如 圖 2 、 圖 3 所 示 。水平埋管方式的優(yōu)點(diǎn)是在 淺層 軟土地區(qū)造價(jià)較低，但傳熱 性能 受到外界 空調(diào)季節(jié)氣候 一定 程度 的影響[ 1 1 、 12]，而且 占地面積 較大 ，通常不太適合中國(guó)地少人多的國(guó)情。 當(dāng)可利用地表面積較大，地表層不是堅(jiān)硬的巖石時(shí)，宜采用水平土壤熱交換器。按照埋設(shè)方式可分為單層埋管和多層埋管兩種類型；按照管型的不同可分為直管和螺旋管兩種。 圖 3 為常見的水平 土壤熱交換器 形式， 圖 4 為新近開發(fā)的水 平土壤熱交換器形式。垂直土壤熱交換器是在若干垂直鉆井中設(shè)置地下埋管的土壤熱交換器。由于垂直土壤熱交換器具有占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式。在沒有合適的室外用地時(shí)，垂直土壤熱交換器還可以利用建筑物的混凝土基樁埋設(shè)，即將 U 型管捆扎在 基樁的鋼筋網(wǎng)架上，然后澆灌混凝土，使 U 型管固定在基樁內(nèi) 。 垂直式土壤熱交換器的結(jié)構(gòu)有多種，根據(jù)在垂直鉆井中布置的埋管形式的不同，垂直土壤熱交換器又可分為 U 型土壤熱交換器與套管式土壤熱交換器，如 圖 5 所示。套 管式土壤熱交換器在造價(jià)和施工難度方面都有一些弱點(diǎn)，在實(shí)際工程中較少采用。垂直 U 型埋管的換熱器采用在鉆井中插入 U 型管的方法，一個(gè)鉆井中可設(shè)置一組或兩組 U 型管。然后用回填材料把鉆井填實(shí)，以盡量減小鉆井中的熱阻，同時(shí)防止地下水受到污染。鉆井的深度一般為 30 ～ 18 0m[ 1 3 ]，對(duì)于一個(gè)獨(dú)立的民居，可能 鉆 一 個(gè)鉆 井 就足夠 承擔(dān) 供熱制冷負(fù)荷了 ， 但對(duì)于住宅樓和公共建筑，則需要有若干個(gè) 鉆井 組成的一群 地埋管 。 鉆井 之間 的配置應(yīng)考慮可利用的土地面積，兩個(gè) 鉆井 之間的距離可在 4 ～ 6m 之間，管間距離過小會(huì)影響換熱器的效能。 考慮到我國(guó)人多地 少的實(shí)際情況，在大多數(shù)情況下 垂直 埋管方式是惟一的選擇。 采用 垂直 埋管的換熱器時(shí)，每個(gè)鉆井中可設(shè)置一組或兩組 U 型管。盡管單 U 型埋管的 鉆井 內(nèi)熱阻比雙 U 型埋管大 30 ％以上，但實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果均表明：雙 U 型埋管比單 U 型埋管僅可提高15 ％～ 20 ％的換熱能力，這是因?yàn)?鉆井 內(nèi)熱阻僅是埋管傳熱總熱阻的一部分 ，而 鉆井 外的巖土 層熱阻，對(duì) 兩者而言 ，幾乎是一樣的。雙 U 型埋管管材用量大，安裝較復(fù)雜，運(yùn)行中水泵的功耗也相應(yīng)增加 ， 因此一般地質(zhì)條件下，多采用單 U 型埋管。但對(duì)于較堅(jiān)硬的巖石層，選用雙 U 型埋管比較合適 ， 鉆井 外巖石層的導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，埋設(shè)雙 U 型 地埋管 管， 可 有效地減少了 鉆井 內(nèi)熱阻，使單位長(zhǎng)度 U 型埋管的熱交換能力明顯提高，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)上分析都是合理可行的。 當(dāng)?shù)芈窆芸陕裨O(shè)空間不足時(shí)， 采用雙 U 型 地 埋管也是解決的方法之一。 2 土壤熱交換器的傳熱分析 土壤熱交換器傳熱分析模型 對(duì)于 地源 熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，土壤熱交換器的傳熱分析主要是 保證 在 地源 熱泵 整個(gè) 生命 周期中循環(huán)介質(zhì)的溫度都在 設(shè)定 的范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)者根據(jù)這一目標(biāo)選擇 土壤熱交換器 的布置形式并確定埋管的總長(zhǎng)度。 土壤熱交換器 傳熱分析的另一個(gè)目的，是在給定 土壤熱交換器 布置形式和長(zhǎng)度以及負(fù)荷的情況下，計(jì)算循環(huán)液溫度隨時(shí)間的變化，并進(jìn)而確定系統(tǒng)的性能系數(shù)和能耗，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。 土壤熱交換器設(shè)計(jì)是否合理，決定著 地源 熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性，建立較為準(zhǔn)確的地下傳熱模型是合理地設(shè)計(jì)土壤熱交換器的前提。設(shè)置在不同場(chǎng)合的土壤熱交換器將涉及不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括各地層的材質(zhì)、含水量和地下水的運(yùn)動(dòng)等，這些 當(dāng)然都會(huì)影響到換熱器的傳熱性能。此外，土壤熱交換器負(fù)荷的間歇性及全年吸放熱負(fù)荷的不平衡等因素，也對(duì)其傳熱性能有重要影響。由于地下傳熱的復(fù)雜性，土壤熱交換器熱量傳遞過程的研究一直是 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)也是該項(xiàng)研究的核心和應(yīng)用的基礎(chǔ)。 關(guān)于 土壤熱交換器 的傳熱問題分析求解，迄今為止國(guó)際上還沒有普遍公認(rèn)的方法?，F(xiàn)有的傳熱模型大體上可分為兩大類，第一類是以熱阻概念為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)性的 解析 方法 [ 1 4 、 15] ，第二類方法 是 以離散化數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的數(shù)值 求 解方法 [ 1 6 、 1 7 ] ，可以考慮比較接近現(xiàn)實(shí)的情況。 第 一類模型通常都是以 鉆井 壁為界將 土壤熱交換器 傳熱區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域。在 鉆井 外部，由于埋管的深度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 鉆井 的直徑，因而埋管通常被看成是一個(gè)線熱源或線熱匯，這就是無(wú)限長(zhǎng)線熱源模型；或?qū)?鉆井 近似為一無(wú)限長(zhǎng)的圓柱，在孔壁處有一恒定熱流， 鉆井 周圍 土壤 同樣被近似為無(wú)限大的傳熱介質(zhì)，這就是無(wú)限長(zhǎng)圓柱模型。根據(jù)無(wú)限長(zhǎng)線熱源模型或無(wú)限長(zhǎng)圓柱模型即可對(duì) 鉆井 外的傳熱進(jìn)行分析。而在 鉆井 內(nèi)部，包括回填材料，管壁和管內(nèi)傳熱介質(zhì)，與 鉆井 外的傳熱過程相比較，由于其幾何尺度和熱容量要小得多，而且溫度變化較為緩慢，因此在運(yùn)行數(shù)小時(shí)后，通?？梢?按穩(wěn)態(tài)傳熱過程來(lái)考慮其熱阻。在 鉆井 內(nèi)部，由于兩根 U 型管支管并不同軸，工程上采用的一種方法是將 U 型管的兩支管簡(jiǎn)化為一個(gè)當(dāng)量的單管，并進(jìn)而把 鉆井 內(nèi)部的導(dǎo)熱簡(jiǎn)化為一維導(dǎo)熱，即早期的一維傳熱模型。另一種方法是將 鉆井 內(nèi)的兩根 U 型管分別看作是具有不同熱流， 鉆井 內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)即為兩個(gè)熱流的迭加，即二維傳熱模型。這類半經(jīng)驗(yàn)方法概念簡(jiǎn)單明了，容易為工程技術(shù)人員接受，因此在工程中得到一定的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是各熱阻項(xiàng)的計(jì)算做了大量簡(jiǎn)化假定，模型過于簡(jiǎn)單，能夠考慮的因素有限，特別是難于考慮換熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化、全年中冷熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)換和不平 衡等較復(fù)雜的因素。 第二類方法以離散化數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的傳熱模型，多采用有限元、有限差分法或有限體積法求解地下的溫度響應(yīng)并進(jìn)行傳熱分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算方法以其適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)己成為傳熱分析的基本手段，也己成為 土壤熱交換器 理論研究的重要工具。但是由于 土壤熱交換器 傳熱問題涉及的空間范圍大、幾何配置復(fù)雜，同時(shí)負(fù)荷隨時(shí)間變化，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)十年以上，因此若用這種分析方法按三維非穩(wěn)態(tài)問題求解實(shí)際工程問題將耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)時(shí)間，在當(dāng)前的計(jì)算條件下直接求解工程問題幾乎是不可能的。這種方法在目前還只適合于在一定 的簡(jiǎn)化條件下進(jìn)行研究工作中的參數(shù)分析，而不 太 適合于做大型的多 鉆井 的 土壤熱交換器 的傳熱模擬，更不適合用作工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化。 土壤熱交換器傳熱 過程 分析 一般來(lái)說，土壤熱交換器與周圍土壤中的傳熱過程實(shí)際上是一個(gè)通過多層介質(zhì)的傳熱過程，具體由 6 個(gè)換熱過程組成：地埋管內(nèi)對(duì)