竖直埋管地源热泵的国内外研究情况

 国内外学者对竖直埋管地源热泵作了很多的研究, 主要分成四个方面:理论研究、实验研究、系统耦合利用研究、技术经济性研究。

 

  理论研究

 

  国内外的学者对竖直埋管地源热泵系统进行了大量的模拟研究, 主要针对地埋管换热器进行模拟。地埋管换热器模型大都基于线性源理论, 国外近期提出了多种模型研究方法。Lamarche 等人提出了地埋管有限线性源模型的一种解析解模型, 并和线性源模型的数值解模型进行了对比, 两种模型的模拟结果很接近。这种解析解模型能够很容易地得到不同结构的地埋管的换热结果[ 7] 。Lee 等人对圆柱源模型和线性源模型的地埋管换热计算结果进行了对比, 发现随着钻孔尺寸的加大, 两者的差别也增大, 指出圆柱源模型比线性源模型更接近实际情况[ 8] 。Ozgener 等人用质量守恒、能量守恒、动量守恒方程建立模型, 研究了有太阳能辅助的竖直埋管及水平埋管换热器的性能, 得出热泵的COP 为3 .12 ～ 3 .64 , 而系统的COP 为2 .72 ～3 .43 , 并指出这种模型对所有地源热泵的设计、模拟及测试都很有帮助。Abu-Nada 等人提出了三维的圆柱源理论模型, 并对1 月份的使用情况进行了模拟, 发现U 形管出口温度随埋管深度的增加而升高, 同时还与埋管的地理位置有关。

 

  Esen 等人用模糊理论提出了一个地埋管换热器模型, 并得出了令人满意的结果。

 

  国内的竖直埋管地源热泵模型研究也取得了很大的成果。有模拟研究测试地下岩土热物性的模型, 有地埋管换热器的模型, 也有整个地源热泵系统的模型。

 

  设计地源热泵系统的地埋管换热器时需要知道地下岩土的平均热物性参数, 如果热物性参数不准确, 则设计的系统可能不能满足负荷需要, 也可能规模过大, 增加初投资。清华大学和山东建筑工程学院共同研究提出了用于现场测量岩土导热系数的方法。2002 年, 于明志等人提出了测试岩土导热系数的二维准非稳态传热模型和二维非稳态传热模型。二维准非稳态传热模型是将钻孔内的传热问题按二维处理, 当模拟时间尺度足够大(大于10 h)时, 将钻孔内的传热近似看成稳态导热。

 

  而二维非稳态传热模型在二维准非稳态传热模型的基础上去掉了对钻孔内进行稳态处理的假设。2003 年, 于明志等人提出了一种更简单、更适合工程使用的岩土导热系数测量方法。该方法采用将钻孔内的总热阻作为一个变量、不计钻孔内具体状况的简化模型, 无需确定钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数。方肇洪研制了一套深层岩土热物性测量仪器。

 

  地埋管换热器是地源热泵的重要组成部分, 其设计计算正确与否对地源热泵的性能有很大影响。

 

  工程中单U 形管与地层的传热通常按两部分来处理, 一是钻孔内的传热, 二是由钻孔壁面至外部地层之间的传热。刁乃仁等人指出, 钻孔壁至地层远处的传热应按非稳态考虑, 工程计算中常可采用线性源模型来求解。而对钻孔内的传热提出了U 形地埋管的二维稳态传热模型, 给出了基于钻孔内温度场的二维解析解, 得出了钻孔热阻的表达式。之后他们又提出准三维传热模型, 考虑流体在深度方向上的温度分布, 给出了钻孔内热阻的解析表达式, 并在此模型基础上开发了地埋管换热器的设计模拟软件[ 15-19] 。唐志伟等人通过改进现有二维传热模型, 建立了准三维传热模型模拟U 形竖直地埋管换热器的运行工况, 通过引入换热功率函数,提高了模型在系统运行开始阶段的瞬态响应能力。杨卫波等人将U 形地埋管的传热区域以管壁为界划分为钻孔内、外两个部分, 钻孔外采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温, 在考虑埋管流体温度的沿程变化及U 形管两支管间热干扰的基础上, 基于能量平衡建立了钻孔内U 形地埋管的稳态传热模型。Li Zho ng jian 等人提出了一种无组织三维网格数值模型, 该模型将U 形管入口温度作为边界条件, 并充分考虑了两支管直接的换热, 模拟结果与实验结果能够很好地吻合[ 22] 。

 

  舒海文等人根据对流换热、导热理论和能量平衡方程, 在借鉴IGSHPA 模型方法的基础上, 得出了地埋管换热系统设计的简明算法模型。该模型的突出特点是, 根据需要可以得到满足相同换热量要求的多种埋管设计方案, 供设计人员选择, 为实际工程的设计提供了极大的方便[ 23] 。宋小飞等人采用CFD 仿真模拟软件对U 形地埋管换热器系统中的流动和传热进行了数值模拟, 研究了地埋管换热器的换热效率与管间距、回填材料导热系数的关系[ 24] 。范蕊等人研究了热渗耦合作用下的地埋管换热器传热模型, 分析了地下水渗流对传热过程的影响, 结果表明, 渗流能增强地埋管换热器的传热能力;如果设计时不考虑渗流的影响, 会导致设计容量偏大;渗流速度大的地区更有利于地埋管换热器工作;地埋管换热器宜埋在导热系数大的土壤中[ 25] 。刘晓茹以全年负荷为基础, 采用专业软件从岩土全年热平衡的角度分析了地埋管地源热泵系统工程的可行性, 结果表明, 在寒冷地区以及夏热冬冷地区, 地埋管地源热泵系统一般都能得到很好的应用[ 26] 。

 

  目前国内对于地源热泵的模拟研究多集中在地埋管换热器方面, 很少对地源热泵系统的整体性能进行研究。而实际上地源热泵系统的性能不仅与地埋管换热器的配置有关, 而且也与匹配的热泵机组的性能有关[ 27] 。王景刚等人依据圆柱源理论, 建立了耦合地面热泵机组和地埋管换热器特性的模拟模型, 该模型可用于长期运行的地源热泵系统的短时间步长的运行特性模拟。该模型地埋管换热器部分采用圆柱源理论计算, 热泵机组部分采用热泵性能数据拟合公式计算, 两者耦合建立系统模型[ 28] 。曲云霞等人采用竖直U 形地埋管换热器的准三维模型与热泵机组模型联合建立了地源热泵系统模型。地埋管换热器模型采用准三维传热模型, 热泵机组部分采用根据实际部件结构参数建立的确定性模型, 分别建立热泵机组各部件(压缩机、膨胀阀、冷凝器和蒸发器)模型, 再耦合建立地源热泵系统模型。利用该模型可以计算出任意时刻系统的各项性能参数, 也可以对地埋管换热器进行优化设计[ 29] 。

 

  余延顺等人总结了国内外土壤耦合地源热泵系统地埋管换热器的各种传热模型:Ingersoll 模型、Hart 和Couvillion 模型、IGSHPA 模型、Kavanaugh 模型、考虑土壤冻结的Mei 模型以及Mei 竖直套管式换热器传热模型[ 30] 。袁艳平等人对地源热泵地埋管换热器的传热研究进行了综述,介绍了地埋管换热器的分析解(包括线性源理论和圆柱源理论)、数值解的研究情况, 分析了埋管之间的热干扰、地下水、回填材料以及管内循环流体的流量对地源热泵运行特性的影响[ 3 1] 。

 

  实验研究

 

  与模拟研究相比, 实验测试研究要少一些, 这主要是因为竖直埋管换热器占用的场地比较大, 进行加热, 从而提高热泵机组的冷凝器的进水温度,提高供暖效果。

 

  曲云霞等人分析了我国北方地区使用太阳能-地源热泵联合运行系统进行供暖的经济性, 指出我国北方地区土壤温度较低, 冬季热负荷较大, 若完全采用地源热泵来供暖, 则地埋管换热器和机组的初投资比较高, 连续运行效率较低。因此可利用太阳能集热器作为辅助热源, 白天完全依靠地源热泵供暖, 夜间利用太阳能集热器储存的热量二者联合供暖, 此种方案的地埋管换热器可按供暖热负荷的60 %设计[ 44] 。杨卫波等人针对青岛地区的气候条件, 对太阳能-地埋管地源热泵系统有、无蓄热水箱时各联合供暖运行模式进行了数值模拟。结果表明, 与单独的地埋管地源热泵相比, 联合供暖运行模式具有明显的节能效果, 有、无蓄热水箱时的节能率分别为14 .5 %和10 .4 %, 可见有蓄热水箱时节能效果更加明显[ 45] 。国外也有学者针对太阳能辅助地源热泵供热系统进行了研究。Ozgener 等人对土耳其某绿色建筑采用的太阳能辅助地源热泵供热系统分别进行了性能实验测试研究和模拟研究, 计算得出热泵COP 为2 .13 ～ 2 .84 , 而系统COP 要比热泵COP 低5 %～ 15 %, 每11 ～ 13 m深的U 形管能够提供1 kW 的热量[ 46-47] 。

 

  Yumrutas 等人对土耳其一个带蓄热罐的太阳能辅助地源热泵空调系统的供热性能进行了研究, 得出在阴天蓄热罐内水温(即蓄热温度)较低时, 热泵COP 在2 .5 左右, 而晴天蓄热温度较高时, 热泵COP 达到3 .5 左右, 并指出这种带蓄热罐的太阳能辅助系统很适合在土耳其南部太阳能丰富的地区使用[ 48] 。

 

  除了太阳能辅助地源热泵系统外, 还有学者对地源热泵空调系统和其他设备的结合使用情况进行了研究。秘文涛等人分析了国内首个地源热泵及冰蓄冷集中空调系统工程的经济性。地源热泵与冰蓄冷空调联合运行系统主要由室内供热系统、三工况热泵机组工质循环系统、冰蓄冷空调系统和地埋管换热器系统构成。在夏季电力低谷时段, 启动热泵机组制冷工况运行蓄冰, 将冷量储存在蓄冰槽中, 用于白天用电高峰时段供冷。如果白天冷负荷需求较小, 单独采用冰蓄冷空调系统供冷;若白天冷负荷需求较大, 开启三工况热泵机组, 与冰蓄冷空调系统联合供冷。冬季采用地源热泵系统供暖。经济性分析结果表明, 在供热模式下, 相对于燃煤锅炉, 该联合系统运行费可降低7 .4 %, 相对于燃油、燃气、电锅炉, 运行费可降低50 %左右;在制冷模式下, 相对于常规空调系统, 运行费可降低42 .7 %～ 71 .4 %[ 49] 。Gasparella 等人研究了地源热泵与溶液除湿的复合系统, 该系统中地源热泵只负责给末端空调箱(AHU)提供冷水冷却空气, 而空气的除湿则由AHU 内的溶液除湿系统完成, 这样, 地源热泵系统需要提供的冷水温度不用很低,大大降低了地埋管换热器的负荷。与普通地源热泵系统的对比发现, 在相同负荷的情况下, 普通的地源热泵系统需要22 口150 m 深的钻孔, 而复合系统只需要12 口150 m 深的钻孔, 大大降低了成本[ 50] 。

 

  2.4  技术经济性研究

 

  贾孟立等人对河南地区一个已使用地源热泵的建筑进行了常规供暖设计与计算, 以比较常规供暖与地源热泵供暖的技术经济性。结果发现, 从初投资上看地源热泵为400 万元, 常规供暖为330 万元;但从运行费用(运行8 h)上看, 天然气锅炉供暖为0 .10 元/m2 , 而地源热泵供暖为0 .05 元/m2 。

 

  同时, 锅炉供暖会对环境造成污染, 随着人们对环境问题的关注, 地源热泵供暖就有了保护环境这个优势。另外, 地源热泵在夏季还能供冷, 这样一套系统就可以满足全年的需要[ 51] 。朱汉宝等人在上海某办公楼对地源热泵系统与空气源热泵系统的技术性能和经济性能进行了对比研究。在供暖季,由于室外温度很低, 空气源热泵供热量很小, 有时还需要除霜, 一般除霜能耗约占热泵总能耗的10 .2 %;而土壤的温度稳定, 环境对地埋管地源热泵的影响很小。制冷工况下, 空气源热泵的COP在2 .995 ～ 3 .350 之间, 地源热泵的COP 在4 .2 ～4 .8 之间;供热工况下, 空气源热泵的COP 在2 .65 ～ 3 .80 之间, 而地源热泵的COP 在3 .90 ～4 .55之间。对于初投资来说, 地源热泵要高于空气源热泵, 二者分别为23 .9 万元和19 .5 万元, 而地源热泵的运行费用要远低于空气源热泵, 二者分别为2 .2 万元/a 和4 .05 万元/a 。可见地源热泵相比空气源热泵有很大优势[ 52] 。龙激波等人针对广州地区的一栋别墅分析了地埋管地源热泵、冷却塔水冷机组、空气源热泵和地表水地源热泵4 种集中制冷空调系统的初投资、年运行费用, 比较了各系统的经济性指标。各系统的初投资及年运行费用比较如图3 所示[ 53] 。

 

  图3 各方案初投资及年运行费用比较可以看出, 地埋管地源热泵的运行成本较低,但其初投资很高, 当空调系统在广州这样的地区使用时, 往往只需要夏季供冷, 因此并不经济。何耀东等人针对天津地区的一个项目, 根据《地源热泵系统工程技术规范》对比分析了地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统的技术经济性、造价、共同的优点等, 阐述了地下水地源热泵存在的弊端以及地埋管地源热泵的节能潜力。

 

  同样, 国外也有不少学者对竖直埋管地源热泵系统和其他空调系统进行了对比。de Sw ardt 等人对地源热泵空调系统和空气源热泵空调系统进行了实验及模拟对比。研究得出, 供热工况下, 地源热泵系统比空气源热泵系统的供热量大13 %,COP 高14 %;在室外温度比较低的情况下, 地源热泵系统的供热量比空气源热泵大24 %, 效率高20 %。而在初投资方面, 地源热泵系统比空气源热泵系统高20 %, 使用地源热泵系统的投资回收期为2 a。Urchueg uia 等人对地源热泵系统和空气源热泵集中空调系统进行了制冷和供热工况的对比, 在相同负荷的情况下, 供热工况时, 地源热泵系统比空气源热泵集中空调系统节能43 % ±17 %;而在制冷工况时, 地源热泵系统比空气源热泵集中空调系统节能37 % ±18 %[ 56] 。Genchi 等人对东京一个高能耗地区的一套地源热泵系统和空气源热泵系统进行了对比, 研究了二者CO2 排放量的关系, 计算得出使用地源热泵系统每年的CO2 排放量为33 935 t , 而使用空气源热泵系统每年的CO2 排放量为73 454 t , 前者比后者减少了54 %。