土壤源热泵的核心技术

 要真正使土壤源热泵能够取代传统的空调系统，尚有众多的核心技术问题有待进一步解决。图1给出了一个完整的土壤源热泵的系统动态热特性示意。从系统的角度分析，按微观到宏观的次序来看有下列问题需解决。

 

  土壤中传热、传质过程的研究

 

  整个系统中处于最底层的是埋地换热器次级子系统。在该系统中，主要关心的问题是埋地换热器与周围土壤的热交换过程。由于土壤是一个由固态的土壤骨架、液态和气态水以及空气组成的多相分散体，目前大多数的研究中采用的简单的复合不稳态导热，将水分和空气的输运过程作用归结为一导热系数的附加值来描述土壤中的热质耦合的作法显然会带来较大的误差，相应的结果是土壤源热泵的埋地换热器的尺寸偏大，热泵装置的初投资加大（埋地换热器的成本一般占到热泵系统总成本与电力机械No.1/2002的2 0 % ~ 30 ％），无法与传统的空调系统相抗衡。

 

  因此亟待解决的方法是对埋地换热器与土壤的热交换过程采用更完善的数学模型进行描述，全面考虑传热和传质过程。多孔介质流体力学方法可能是一个有力的工具。有研究者提出采用不可逆热力学的方法来加以研究，也是一个颇有新意的可行的方法。还有研究者提出采用分形的方法来研究土壤中的导热系数，有可能使数学模型得到简化，使研究的难度降低。

 

  研究土壤中的传热传质过程的另一个目的，是希望能找到强化传热的新型填充材料，国外已有研究者从事过这方面的研究，并有相关报道。当然，最终的目的是一致的，就是要尽可能的减少土壤源热泵埋地换热器的初投资费用，但国内尚未见到类似的研究报道。

 

  与热泵装置的耦合过程研究

 

  研究与热泵装置的耦合过程的目的在于优化热泵装置子系统的性能。因采用土壤作为热源，无论是冬季或夏季运行，热泵系统的运行条件（室外侧换热器的工作点）都与传统的空气热泵或一般的水源热泵的工作点有一定的差别，从而引起整个热泵系统的工作特性都随着发生变化。具体说来就是在新的室外侧换热流体温度下，应该如何配置相应的蒸发器、冷凝器、压缩机乃至整个系统的部件，使热泵的热力循环性能最优、最大程度的发挥土壤源热泵的节能潜力。因此有必要采用制冷系统热动力学的方法。

 

  土壤源热泵的系统全年能耗的经济分析

 

  从土壤源热泵的热力系统图上可以看出待研究问题的第三个层次是对整个热泵系统的全年能耗分析。对于需要全年进行空调的场合，采用土壤源热泵是否具有优越性的结论应该是基于全年能耗分析的结果而得到的。

 

  这一点在确定土壤源热泵的方案时尤为重要。对于不同的气象条件及不同的建筑物功能需求，建筑物冬夏两个季节的冷热负荷可能是不一样的。是应该优先考虑冬季采暖，夏季冷负荷的不足部分由传统的空调系统（比如加装冷却塔）加以补充；还是以夏季冷负荷为基准，冬季采用辅助热源的模式？应该在全年能耗分析的基础上，全面考虑系统的初投资和运行费用，最终以投资回收期来作为判断的依据。

 

  因此只有在能够对地下换热器的换热过程以及热泵系统的动态热特性有了一个较完备的认识和了解的基础上，结合建筑物的全年动态负荷，才能使得土壤源热泵的优越性得以充分的发挥，达到节能和环保的目的。