地源热泵技术的发展概况

第三， 教师要做好辩论过程的宏观控制工作。学生之间的辩论是 精彩的、激烈的， 但也往往是带有感情色彩的。并且在辩论的过程中， 往往会出现逐渐偏离主题的现象。因此， 同学们在辩论的过程中， 教师 切不可置身在外， 撒手不管。否则， 学生之间的辩论将很难出现高潮， 必定会逐渐变得索然 无 味 、慢 慢 停 止 。 其 实 ， 教 师 在 课 堂 辩 论 的 过 程 中， 扮演着导演的角色。教师要事现设计出辩论的发展过程， 并尽可能 地让同学们之间的辩论沿着这个轨迹发展。为此， 这就要求教师要密 切关注辩论的发展进程， 必要时参与进去。如及时地发问， 适时的引 导， 适当地帮助弱方等等。只有这样， 辩论过程才会出现高潮不断、精 彩纷呈的局面。很多问题才会辩出效果， 辩论课才会引起学生的兴趣。 另外， 教师也要控制好辩论持续的时间。从教学实践看， 辩论持续的时 间以三十分钟为宜。
管的初投资； 为进一步优化系统， 有关地埋管换热器与热泵装置的最
佳匹配参数的研究也在展开。
２．地源热泵在我国的研究与发展
我国地源热泵技术的研究始于上世纪 ８０ 年代。１９８８ 年中科院广
州能源研究所主办了 “热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”。２０
世纪 ９０ 年代以后， 由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具
业的兴趣的重视。 进入 ２０ 世纪 ９０ 年代， 地源热泵的应用和发展进入了一个新的发
展阶段。目前， 地源热泵在欧美的热泵装置市场占有份额大约是 ３％。 每年见诸报道的地源热泵实际应用工程项目和研究报告也不断增加 【３－５】。１９９６ 年国际地源热泵协会（ＩＧＳＨＰＡ）专门推出了报道地源热泵研 究的期刊和网上杂志。地源热泵还开始应用于大型的商业建筑， 其制 冷 、供 热 量 也 从 几 冷 吨 到 几 千 冷 吨 不 等 【６】。
第六， 教师要尽可能设计出多样化的辩论形式， 以体现出新意。辩 论没有固定的、一成不变的形式。辩论课要持久地吸引学生的兴趣， 不 断 地 变 换 辩 论 的 形 式 是 很 有 必 要 的 。我 在 教 学 中 非 常 注 重 这 一 点 。如 在辩论双方的设定上， 变换采用正方反方、甲方乙方、男队女队以及班 级和班级之间、学生和教师之间等等。在辩论的形式上， 既可以全体参 与， 也可以推举代表参与等。不断地变换花样目的只有一个， 那就是增 强学生的兴趣。
旭等人从 １９９９ 年开始， 在联合技术公司（ＵＴＣ）的资助下针对长江中下
游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进行了土壤－ 太阳能复合热源
的研究。此外， 清华大学、浙江大学、天津大学、华中科技大学、山东建
筑工程学院及中科院广州能源研究所等高校和科研单位也对土壤源
热泵进行过研究， 并取得了一定的成果。
３．展望
第五， 教师要采取适当的激励措施。人总是有惰性的， 教师要长期 有效地调动学生们的参与热情， 必要的激励手段是不可或缺的。激励 的方法是多种多样的， 我在教学实践中， 主要是把同学们的参与情况 作为平时成绩考核的重要依据。实践证明， 这是一种行之有效的激励 手段， 能够达到调动学生积极参与的目的。当然， 当同学们体会到了参 与辩论的益处之后， 他们参与的主动性自然会大大增强。
科技信息
○科教视野○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００７ 年 第 ２８ 期
地源热泵技术的发展概况
陈华清 周亚素 余红海 （ 东华大学 中国 上海 ２０１６２０）
【摘 要】本文介绍了地源热泵的发展历程， 地源热泵技术在国内外的应用现状及最新动态， 指出了地源热泵存在问题。同时对今后地源热 泵技术应用进行了展望。
１．２ 地源热泵的理论研究 早 期 的 地 源 热 泵 研 究 主 要 集 中 于 岩 土 的 传 热 性 质 、地 埋 管 换 热 器 形式、埋管的影响因素等方面。２０ 世纪 ８０ 年代到 ９０ 年代初 ， 美 国 开 展了冷热联供地源热泵方面的研究工作， 不少文献报道了地源热泵不 同 形 式 的 地 埋 管 换 热 器 的 传 热 过 程 计 算 机 模 拟 计 算 方 法 。地 埋 管 换 热 器的设计计算模型据不完全统计约有 ３０ 种。对于地埋管换热器的设 计 计 算 ， 现 在 瑞 典 的 学 者 、美 国 供 热 制 冷 空 调 工 程 师 协 会 （ ＡＳＨＲＡＥ） 以及一些大学和公司都分别提出了各自的设计计算方法【７－９】。它 们 都 是基于不同的模型或者计算方法得出的， 如美国供热制冷空调工程师 协会采用的设计、模型软件是基于 Ｋｅｌｖｉｎ 的线热源模型。有代表性的 理论主要有以下 ３ 种： （ １） １９４８ 年， Ｋｅｌｖｉｎ 的线热源理论。该模型是将土壤看成无限大物 体， 埋管看成是具有恒定能量的无限长线热源， 计算的误差较大。目前 大多数地源热泵设计是用该理论作基础， 如国际地源热泵协会和俄克 拉荷马州立大学提出的 设 计 方 法 都 是 以 Ｋｅｌｖｉｎ 的 线 热 源 理 论 为 基 础 的 。【１０】 （ ２） １９８３ 年， ＢＮＬ 修改过的线热源理论。它是将埋管周围 的 岩 土 划分为两个区， 即严格区和自由区， 在地源热泵运行时， 不同区域之间 的热传导引起区域温度的变化。 （ ３） １９８６ 年， Ｖ．Ｃ．Ｍｅｉ 提出的三维瞬态边远界 传 热 模 型 ， 该 理 论 时 建立在能量平衡的基础上， 由系统能量平衡方程结合热传导方程构 成。
［ 责任编辑： 言午］
（ 上接第 ３１４ 页） 石灰石－ 石膏湿法： 脱硫石膏质量优于天然石膏， 可 综合利用， 应用价值较高。如采用抛弃法， 可节省部分投资， 输送也不 会有问题。
备的节能和环保优势， 这项技术日益受到人们的重视， 越来越多的技
术人员开始投身于此项研究。１９９８ 年重庆建工学院建设了包 括 浅 埋
竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置； 刘宪英 等 人 从 １９９９
年开始， 在国家自然科学基金的资助下对浅埋竖直管换热器的采暖、
供热特性进行了研究； １９９９ 年同济大学建设了垂直地源热泵装 置 ； 张
热器传热过程中共存在 ６ 个阶段对应的热阻， 如下：
ｑ＝
１
ｔ
Ｒ１ ＋Ｒ２ ＋Ｒ３ ＋Ｒ４ ＋Ｒ５ ＋Ｒ６
式中：
ｑ—每米钻孔交换的热量， Ｗ／ｍ·℃；
ｔ—管内水的平均温度与大地初始温度的差值， ℃；
Ｒ１—管内对流换热热阻， ｍ·℃／Ｗ； Ｒ２—管壁热阻， ｍ·℃／Ｗ； Ｒ３—管壁与回填材料的导热热阻， ｍ·℃／Ｗ； Ｒ４—回填材料的导热热阻， ｍ·℃／Ｗ； Ｒ５—回填材料与孔壁的接触热阻， ｍ·℃／Ｗ； Ｒ６—大地热阻， ｍ·℃／Ｗ。 （ ２） Ｖ．Ｃ．Ｍｅｉ 传热模型法【１１】
【关键词】地源热泵； 研究与发展； 应用； 展望
０．前言 地源热泵通过输入少量 的 高 品 位 能 源（如 电 能）， 实 现 低 品 位 热 能
向高品位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源， 同时蓄存冷量， 以备夏用； 而在夏季作为冷源， 同时蓄存热量， 以备冬用， 是一种有效 利用能源的方式。相对于传统的空气源热泵空调系统， 地源热泵安装 成 本 相 对 较 高 ， 但 是 由 于 地 表 ５ｍ 以 下 温 度 一 年 四 季 相 对 稳 定 ， 夏 季 比环境空气温度低， 冬季比环境空气温度高， 是热泵很好的冷 ／热源。 这种温度特性使得地源热泵比传统系统运行效率要高， 节能效果明显 运行更加可靠、稳定。此外， 储存于地表浅层的地热是一种可再生且无 污染的能源， 不论是热带地区或是寒冷地区均有地热可供使用， 因而 可使用范围大。地源热泵系统埋地换热器不需要除霜， 减少了冬季除 霜的能耗， 还可以与太阳能联用改善冬季运行条件； 机组使用寿命长； 机组结构紧凑、节省空间； 维护费用低。
（３）ＮＷＷＡ 方法
ＮＷＷＡ（ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｗａｔｅｒ Ｗｅｌｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）方 法 也 是 一 种 常 用 的 地
下换热器计算方法。它可以直接给出换热器内平均流体温度， 并采用
叠加法模拟热泵间歇运行的情况。该方法是在 Ｋｅｌｖｉｎ 线源方程闭合分
析解的基础上建立土壤的温度场， 进而确定换热器尺寸。
１．地源热泵在国外的研究与发展 １．１ 地源热泵在国外的发展 ２０ 世 纪 ３０—４０ 年 代 ， 英 国 、美 国 等 国 已 进 入 了 热 泵 的 研 制 开 发
阶段。第二次世界大战后， 美国许多大公司同时发展了各种热泵， 其中 以小型热泵空调器发展最为迅速， 出现了发展热泵的高潮。【１】
与此同时， 西欧各国， 如比利时、法国、联邦德国、瑞士等也致力于 热泵的研究与开发。尽管西欧国家的气温和潮湿适合采用热泵供暖， 但其夏季气温偏低不需要空调降温， 因此在这些国家里， 自第二次世 界大战后， 主要与集中供热相结合， 发展了一些单一供热的大型热泵， 对冷热两用的小型家用和中型商用热泵却未能引起生产商和供电企
该模型建立在能量守恒的基础上， 由系统能量平衡结合热传导方
程构成。其假设如下：①岩土是均匀的； ②埋管内同一截面流体温度、
速度相同； ③岩土热物理参数不变； ④不考虑热湿迁移影响； ⑤忽略埋
管与岩土的接触热阻。在这些假设的基础上， 该模型可以对各截面的
径向传热建立方程， 通过截面推移得到三维温度场。
第四， 教师要做好辩论后的内容总结工作。课堂辩论的总结工作 相当重要， 往往起着“一锤定音”和承前启后的作用。总结工作做不好， 就会出现虎头蛇尾的局面， 不利于下一次辩论的开展。所以， 每一次辩 论 课 教 师 都 要 保 证 留 出 十 五 分 钟 左 右 的 时 间 进 行 辩 论 总 结 。辩 论 总 结
２０ 世纪 ９０ 年代以来， 地源热泵的研究热点依然集中 在 地 埋 管 换
热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地埋管换热器的匹配等方
面。最新的研究更多的关注相互耦合的传热、传质模型， 以便更好的模
拟地埋管换热器的真实换热情况； 同时开始研究采用热物性更好的回
填材料， 以强化埋管在岩土中的导热过程， 从而降低系统用于安装埋