土壤热泵应用关键论文

土壤热泵应用的关键

【摘要】地源热泵热源温度稳定，动作效率较高，对地面空气无热及噪声污染，也能减少污染物的排放量，具有节能与环保的双重效益，因其稳定、高效、环保与节能的特点在世界范围内得到了广泛的研究与应用。本文对地源热泵系统的核心问题之一——土壤源热泵地埋管换热器问题进行相关研究，以此探析地源热泵成功应用的关键问题所在。

【关键词】地源热泵；土壤源热泵；地下埋管换热器；应用关键

在能源资源日益严重的今天，能源短缺已经成为各国经济发展的瓶颈。各国经济的发展逐步向节能与大力开发利用新能源的方向发展，这也日趋成为各国科研工作的重点。而地源热泵系统因其节能降耗与环保的双重效益，地下蓄能技术与高效热泵在国际上成为21世纪最有发展前途的50项新技术之一。世界能源理事会（wec）、国际制冷学会（iir）、国际能源署（iea）以及美国布鲁克海文国家实验室（bnl）等国际著名组织或从事热泵研究的学者都普遍认为：土壤耦合热泵是目前乃至将来最具有发展前途的节能装置与系统之一，同时也是浅层地热能利用的重要形式。从建设部公布的两百多个可再生能源建筑应用示范项目统计发现：与地源热泵有关的项目共有144个，其中使用土壤热泵技术的项目就有47个，其项目总面积约340万㎡，占总面积约22%，其比例仅次于排列第一的地下水源热泵。就目前来看，土壤源热泵正处于调整发展阶段。

而地源热泵系统研究的核心问题之一就是关于地埋管换热器的问题。地埋管换热器与土壤之间的传热是一个十分复杂的非稳态耦合传热问题，尤其是现在许多换热器传热模型比较粗糙，在描述地埋管换热器传热机理及强化传热的过程之中缺乏精确的模型来进行描述，许多模型仅仅只针对土壤温度场的变化规律，很少能将流体温度地埋管换热量联系起来，而流体的出口温度与换热量又恰恰是实际工程中人们非常关心的问题。另外，目前国内外关于地埋管换热器的研究主要是通过性能实验与数值模拟来探析地埋管换热器的换热能力、换热机理和影响换热器的换热因素，根本未结合实际的负荷变化来进行藕合动态分析，这也无法真正对地埋管换热器的实际运行情况进行全面了解。

1 土壤源热泵地下埋管换热模型

地下埋管换热器主要分为水平埋管与竖直埋管两大类。而因为水平埋管换热器的占地面积较大，而且在传热的过程中易受地表温度与大气温度的影响，所以在实际的工程应用中一般采用的是垂直埋管。有鉴于此，本文对垂直地埋管换热器进行着重研究。

在分析解方面，最主要的理论是ingersoll于1948年提出的kelvin的线热源理论及于1954年在恒定热流的情况下给出的圆柱源分析解。关于地源热泵的模拟研究主要是基于“线源理论”与“圆柱源理论”。线源理论对真实的线热源才能给出精确的理论解，对于具有一定热容量的地下埋管换热器给出的结果则存在较大的误差，尤其是对短期尺度上的系统行为，无法进行直接模拟。而圆柱

源理论将线热源推广到了一个具有恒定半径的圆柱热源，其得出的分析解具有相对清晰的物理意义，应用于地下埋管换热器中也具有相对更高的模拟精度，因此它的应用也相对比较广泛，而且它同时也是目前大多数数值分析模型的理论基础。

对于地下埋管换热器传热理论分析解的相关研究，国内的主要研究代表机构是山东建筑工程学院。他们将所涉及的空间区域分为了钻孔内与钻孔外两个部分，钻孔外部的岩土部分是作为线热源或热汇非稳态传热问题来进行处理的。内部钻孔内部包括回填材料，管壁和管内传热介质，以稳态传热过程来进行处理。在实际的运行当中，埋管换热器的取或放热量是依据运行工况的变化而变化的。但纵观国内这些学者的研究，关于地下埋管换热器的传热分析均只将土壤热作为纯导热问题来进行探讨，并没有考虑到渗流的影响。而湿土壤含水影响是两方面的，一是湿度本身的静态影响，二是含湿梯度千万的渗透或流动影响。传热问题会因地下土壤的湿度而从简单的导热问题变为既有对流又含热湿扩散的复杂传热问题。

此外，在实际的工程当中，地下埋管换热器一般是以管群的形式出现的，它与单根地埋管换热不同，管群各埋管之间会随着换热的进行而相互干扰。管群的换热十分复杂，从相关文献资料上我们可以发现，管群换热的研究主要是集中在土壤温度场响应方面，大多数学者均采用恒热波量圆柱源传热模型来对其进行相关探讨。

实验研究也是地源热泵研究的一种重要手段，国内有学者进行过实验对比，套管式换热器的换热性能要比u型换热器的性能高，

而且内管材料的绝热性能越好，换热器的取热量也就越大。不过有关u形管埋地换热器的一项长期性能实验研究结果表明，由于冬夏负荷之间的不平衡问题，夏季工况出现恶化的可能性很大。

2 土壤源热泵系统仿真

在土壤源热泵系统的运行过程当中，地埋管换热器的实际运行特性对热泵机组性能产生是影响是直接而重大的，而且其负荷的变化也要求地源热泵机组能与之相适应。因此，在土壤源热泵系统中，地源热泵机组、地埋管换热器与建筑动态负荷三者之间是有机统一，相互影响的。

热泵机组与传统的制冷空调装置在原理上比较相似，一般是根据质量守恒定律及能量守恒定律，能过一定的关系将制冷压缩机、冷凝器、蒸发器与膨胀阀四大热泵机组部件模型进行有机结合。

3 结束语

在开发与利用地能的地源热泵供热制冷系统的过程中，土壤源热泵技术的难度最大。早在80年代初，关于土壤热泵的研究就开始活跃起来，欧洲就先后共召开了5次大型的关于土壤源热泵的专题国际学术会议。而近些年来，国际最新研究动态表明，关于地埋式换热器的传热强化与土壤源热泵系统仿真以及最佳匹配参数的

研究都是土壤源热泵发展的核心技术课题，同时它也是一项涉及多个基础学科领域的极具挑战性的研究工作。所以，土壤热泵地埋管换热器问题的科学应用与发展是地源热泵成功应用的关键性问题。而地源热泵作为生态环保与高效节能的可持续发展新技术与建筑

环境供热制冷系统的换代新产品，必将会有巨大的产业发展前景。

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