地源熱泵系統優化與運行研究進展

李國一

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，中國 天津300456）

1 國內外發展歷程

地源熱泵具有初投資少、運行費用低 （耗電量只有電熱耗電量20%-25%）、運行安全可靠、無污染和可再生能源合理利用等特點。“十二五”規劃中提出：非化石能源在未來能源結構中將占15%以上。隨著地熱能運用技術快速進步，在我國未來能源利用中，地熱能的利用必將占有更為重要的地位。

1.1 國外發展歷程

1998年，美國商業建筑中地源熱泵系統已占空調總保有量的19%，新建筑中占30%。而中、北歐（如瑞典、瑞士、奧地利、德國等）國家利用淺層地熱資源主要用于室內地板輻射供暖和提供生活熱水。1999年統計地源熱泵為家用的供熱裝置中所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。

截至2004年，全球的地源熱泵機組大約在1,100,000臺左右，并且以每年10%的速度增長，其中美國和歐洲的增長速度最快。目前國內外廣泛應用的方式是將地源熱泵與各種其他形式的散熱(吸熱)設施結合起來，即采用混合式地源熱泵系統，按照一定的控制策略運行，以彌補單獨采用地源熱泵時所存在的缺陷。最優化的混合式地源熱泵系統與常規地源熱泵系統相比，可以節省35%的初投資，在最初5年可以節省20.79%的運行費用，在運行10年后可以節省44.69%的運行費用和40.05%的總投資。Cui等人對一個住宅建筑帶生活熱水熱回收的混合式地源熱泵系統進行了模擬分析。結果表明混合式地源熱泵系統有效的緩解了地埋管換熱器的熱不平衡性，并能提供95%的生活熱水需求；與電熱水器相比可以節省79%的生活熱水能源消耗。

1.2 國內發展歷程

20世紀50年代，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就展開了我國熱泵的最早研究，并于1965年研制了我國第一臺水冷式熱泵空調機組。1978-1999年，中國制冷學會第二專業委員會舉辦了9屆“全國余熱制冷與熱泵技術學術會議”，1988年中國科學院廣州能源研究所舉辦了“熱泵在我國應用與問題專家研討會”，而且中國建筑學會暖通空調委員會、中國制冷學會第五專業委員會舉辦的各屆“全國暖通制冷學術年會”上增設熱泵專題。1997年中國國家科學技術委員會和美國能源部簽署了《中華人民共和國國家科學技術委員會和美利堅合眾國能源部能源效率和可再生能源技術發展與利用領域合作議定書》其中主要內容之一就是地源熱泵的開發利用。2009年左右，我國已有160余項土壤源熱泵的典型工程。國家建設部、科技部、財政部等部門以及省市地方各級人民政府積極倡導并制定政策大力推廣該項技術，2006年1月l日起實施國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》(GB50366-2005)，進一步挖掘該項節能技術的應用潛力，使其在建筑節能中的作用不斷擴大。

2 地源熱泵系統優化與運行研究進展

受傳統老技術的制約，大多熱泵冷暖機組實際應用效果并不夠理想，節能效果與設計前相比存在一定誤差。因此，根據不同環境選擇特定熱泵機組，以及前期的精準設計和全方位服務顯得極為重要。在某些程度上看，國內大型地源熱泵的發展是起源于國外小型地源熱泵機組的引進和應用，之前大型地源熱泵在全世界各國均未得到大量開發和使用，大部分是以商家宣傳的使用效果為主，真正對工程設計人員有參考價值的資料較少，因此，埋地傳熱器性能優化技術，熱泵工質、驅動設備、智能控制系統優化，以及地源熱泵系統節能量計算方法均需要進行相關研究。

2.1 換熱器的傳熱效果優化與評價

埋管換熱器可分為水平埋管，垂直埋管和螺旋形埋管三大類。水平埋管形式適合于有足夠空閑場地的地方，其埋管深度通常在1.2-3米。垂直埋管適合于10-100米埋深的U型垂直埋管或套管。螺旋型埋管形式結合了兩者的優點，占地面積小，安裝費用低，但其管道系統結構復雜管道加工困難，且系統運行阻力大，能耗偏高。

李凡等應用有限單元法對土壤熱源地下U型垂直埋管周圍土壤的非穩態溫度場進行了數值模擬，其結果與試驗測試值吻合良好，為U型垂直管埋深、數量及間距的設計提供了參考依據。丁力等針對影響土壤源熱泵垂直埋管單管換熱性能的幾種因素進行分析研究，得到盤管物理特性與換熱性能之間的內在聯系，并利用數值計算方法進行數值模擬，計算值與實測值吻合的較好。趙軍等采用能量平衡法建立了土壤層內U型管樁埋換熱器穩態傳熱模型，并以天津市某地源熱泵實際工程為背景，模擬計算了管腳熱影響因子、土壤導熱系數等對U型管樁埋換熱器的傳熱性的影響。

2.2 各種土壤狀況下不同埋地換熱器在不同埋管方式下的換熱過程及換熱機理分析

土壤的溫度、熱特性、熱傳導性、熱傳導性、密度、濕度等也是影響系統性能的因素。例如，卵石性土壤導熱系數高，但施工費用大，因此，粘土和沙地是埋管系統較合適的土壤類型，另外，土壤潮濕可以加大土壤導熱系數。熱泵在運行期間會在盤管周圍因土壤的凍結出現土壤凍土層，試土壤膨脹，與管道接觸緊密而傳熱系數增大，但熱泵一旦停止運行，凍土融化，就會使土壤位移。從而在土壤與盤管間出現空隙，由于空氣的存在，使導熱系數大幅下降。為避免這種情況發生，應采用沙土回填。范萍萍等提出在地源熱泵運行過程中，利用間歇過程，彌補土壤傳熱慢的缺點。土壤源熱泵間歇運行時間可以改變土壤溫度的變化規律，增強傳熱并實現更佳的熱泵運行工況。

2.3 埋地換熱器與熱泵裝置的耦合過程研究與效果評價

研究與熱泵裝置的耦合過程的目的在于優化熱泵裝置子系統的性能。周亞素等通過分析熱泵機組各部件參數間的相互關系和運行特性，建立了可快速準確地模擬熱泵機組動態過程的數學模型。通過模擬結果，表明上海地區土壤源熱泵機組的制熱性能系數COP為3.1左右，優于風冷熱泵機組，是一項有效的節能技術，而且對環境沒有污染，符合可持續發展的戰略要求。

2.4 土壤源與其他熱源聯合使用與效果評價

對于南方地區，由于冷負荷大，熱負荷小，夏季可采用冷卻塔和土壤源聯合使用，冬季只使用土壤源；對于北方地區，由于熱負荷大、冷負荷小，冬季可采用土壤源與太陽能聯合使用，夏季只使用土壤源。余延順等通過控制容積法，模擬了系統在30個運行周期內，在不同的運停比下，土壤溫度場的分布情況及土壤溫度場的恢復率。由此得出結論:在太陽能-土壤源熱泵系統中，土壤源熱泵在以一天為周期的運行時間分配比例為33%-50%左右為宜，并以此反推，推算出哈爾濱地區最佳的太陽能保證率為50%-70%左右，以此作為確定太陽能集熱器集熱面積的依據。

［1］高青,于鳴.效率高、環保效能好的供熱制冷裝置——地源熱泵的開發與利用 [J].吉林工業大學自然科學學報,2001,31(2):96-102.

［2］楊衛波,施明恒.地源熱泵中U型埋管傳熱過程的數值模擬[J].東南大學學報,2007,37(1):78-83.

［3］姜寶成,王永鏢,李炳熙.地源熱泵的技術經濟性評價[J].哈爾濱工業大學學報,2003,35(2):71-75.

［4］Chiasson.A.D，J.D.Spitler，S.J.Rees et al.A Model for Simulating the Performance of a Shallow Pond as a Supplemental Heat Rejecter with Closed Loop Ground Source Heat Pump Systems[J].ASHRAETransactions,2000,106(2):107-121.

［5］Phetteplace G，W Sullivan.Performance of a Hybrid GCHP System[J].ASHRAE Transactions,1998,104(1B):763-770.

［6］Yavuzturk.C，J.D.Spitler，S.J.Rees.A Short Time Step Response Factor Model for Vertical Ground Loop Heat Exchangers[J].ASHRAE Transactions,1999,105(2):475-485.