地源热泵技术发展分析

 ２０世纪７０年代之前，地源热泵受初投资高、当时的能源价格低等多种因素的影响，一直发展迟缓，在经历了之后的能源危机后，才重新受到人们的重视。尤其在进入２１世纪后，经十几年发展，各国地源热泵的应用规模不断扩大。图４为地源热泵在美国、加拿大、法国和瑞士的应用规模变化情况。由图４可见，地源热泵应用发展迅猛，相关研究工作也十分活跃。总结本次大会的论文，发现地源热泵技术研究的焦点集中在以下几个方面。

 

  竖直地埋管换热器的数值模拟及新型换热器研究

 

  Ｊａｌａｌｕｄｄｉｎ等人利用计算流体力学（ＣＦＤ）技术，对单Ｕ、双Ｕ 和多管的竖直地埋管换热器，在连续运行与间歇运行两种工况下进行了模拟分析和实验验证，得到的模拟结果与实验数据可以较好地吻合，且３种竖直地埋管换热器在２２ｈ的运行周期内，间歇运行比连续运行的换热率分别提高了１７．１％，２２．５％和１６．５％［１］。Ｆａｎ Ｒｕｉ等人用模拟方法研究了土壤导热系数、地下水流速、竖直钻孔参数及运行策略对地埋管换热量及出水温度的影响，并进行了线性及非线性回归，为地源热泵的简化设计提供了思路［２］。Ａｃｕｎａ等人研发的新型地埋管换热器由一个绝热中心管和若干个周围细管组成，他们对沿管深方向的流体温度分布进行了测量，结果证明周围细管为吸热主体，且与中心管间无热短路发生［３］。Ｇｒｕｎｉｇｅｒ等人研发了一种以ＣＯ２

 

  为介质的虹吸式地埋管换热器，并对其流体特性和传热特性进行了模拟，计算得出其季节性能系数可比传统地埋管提高１５％～２０％。

 

  复合式地源热泵系统研究

 

  Ｏｏｋａ等人将太阳能、土壤能和空气源等多种能源方式结合作为热泵的低温热源，模拟计算其与传统热泵系统的能耗差别，结果显示多源热泵系统夏季最大可减少电力消耗４４％，冬季可减少

 

  ３９％［５］。Ｋｕｒｍａｎｎ等人针对采用太阳能、蓄热与地源热泵相结合系统的单体居住建筑采用遗传算法进行优化模拟设计，实测结果显示热泵短期效率得到了大幅提升，同时也验证了不合理的运行策略是导致系统能效下降的主要原因［６］。Ｗａｋａｙａｍａ等人基于实际运行数据对桩基短期蓄能地源热泵系统进行研究，结果显示，白天供冷与夜间供生活热水的运行模式可使地源热泵系统取得更高的效率［７］。潘玉亮等人以北京地区别墅建筑为例，对地源热泵与太阳能复合系统进行了模拟，模拟结果显示，当地埋管换热器换热能力不足时，采用复合系统可以明显改善系统性能［８］。

 

  地源热泵系统的ＳＰＦ（系统性能系数）及能效的研究

 

  Ｚｏｔｔｌ等人指出计算系统边界直接影响着测量计算ＳＰＦ 参数所需的装置，提出了测量指导方法及对测试装置的精度要求，同时通过对１０个实际地源热泵项目的测试验证了指导方法［９］。

 

  Ｅｄｗａｒｄｓ等人建立了地源热泵的数学模型，在循环水泵均为定流量情况下计算ＳＰＦ，结果显示辅助元件的能耗在总能耗中占很大比例。同时，在供冷、供热时，部分负荷情况下ＳＰＦ 值均有所下降［１０］。Ｋａｔｓｕｒａ等人对采用多联机及变流量控制的地源热泵系统进行了３年的实测研究，证实变流量与定流量系统相比可以使循环水泵的电耗降低约８０％，使ＳＰＦ 值达到４．５１［１１］。肖龙等人提出了系统化的地源热泵设计方法，强调在地源热泵设计全过程中合理科学地应用设计软件的必要性，采用系统化的方法可以大大提高地源热泵设计的合理性、可靠性。