以技术进步推动行业发展
——访山东建筑大学热能工程学院院长、地源热泵研究所副所长刁乃仁
平日里，既活跃于三尺讲台之上，承担着为行业培养优秀后继人才的重任；又专著于理论研究和工程实践，以骄人的学术成就和成功的工程案例推动着行业前行，这就是山东建筑大学热能工程学院院长、地源热泵研究所副所长刁乃仁。近日，记者采访了这位业内专家，针对我国地源热泵行业发展的现状和问题、前景和方向，他都谈出了自己独到的看法。同时，他也以自己的发明专利和研究成果说明了技术进步对行业带来的推动力量。
《地源热泵》：请介绍一下我国地源热泵行业发展的基本状况。从全球着眼，我国地源热泵行业在理论和实践方面，有哪些优势和不足，还需要向其他国家借鉴些什么。
刁乃仁：我国地源热泵行业发展迅速，为建筑节能减排做出了贡献，并形成了新的经济增长点。从水源热泵主机产业到地源热泵系统集成企业都实现快速发展扩容。地源热泵技术业已成为研究开发领域的热点之一。
我国地源热泵行业在理论方面，尤其是在地下换热器传热分析方面，在国际上保持着优势，同时在地源热泵技术应用的范围和大体量、中、大型单体建筑地源热泵系统的应用上，也远远超过欧美国家。但在快速发展的背后，也存在着隐忧。一是某些地源热泵项目的方案设计与施工图设计不到位，甚至设计主体不明确，尤其是一些中、大型地源热泵项目缺乏科学的方案论证，导致系统建成后低效运行或无法正常运行；二是地源热泵系统施工，尤其是地埋管施工资质与质量有待提升；三是地源热泵系统高效可靠运行的监测、监控体系有待完善。欧美国家地源热泵产业化程度高，回填材料、回填机械由专业厂家生产，甚至钻孔施工现场中的泥浆也有专用机械处理。更为可取的是国外地埋管施工质量高，都是放心工程。在这些方面，值得我们学习借鉴。
《地源热泵》：山东作为我国中部一个大省，近些年来地源热泵行业的发展现状如何？呈现出哪些自身特点，今后的发展方向又会是怎样？
刁乃仁：山东地源热泵产业基础好，地源热泵技术研发与应用较早，拥有一大批优秀的研发团队、技术集成企业和热泵生产厂家。山东省的气候条件比较适合应用地埋管地源热泵系统。公共建筑夏季向地下释放的热量与冬季从地下提取的热量基本平衡。天时、地利、人和造就了山东省地源热泵行业的快速发展。另一方面，山东省地下水资源不丰富，地下水及地表水地源热泵系统受水资源的制约较大。山东省东临渤海，环抱着渤海湾，但因冬季沿海海水温度较低，海水源热泵的应用条件不很理想。鉴于这些特点，这些年来，山东省地埋管地源热泵技术的应用得到了快速发展，应用建筑类型由别墅、中小型建筑扩展到公共建筑以至大型住宅小区。地表水、污水及海水源热泵适度应用，地下水资源的开采管理越来越严，因此山东省地下水地源热泵系统难以也不应该大面积推广。
近年来，山东省新农村建设和城区周边农村改造，为地源热泵技术的推广应用提供了新的契机。今后一段时期内在解决好冬夏季冷热负荷平衡的基础上，地源热泵系统在新农村住宅小区建设中将得到进一步的应用，与此同时有效解决好地源热泵系统设计、施工质量，建设能够长期高效稳定运行的中、大型地源热泵系统，也是今后的重要发展方向之一。
《地源热泵》：由于地源热泵涉及到对地下资源的开采和利用，在这一过程中如何实现科学和可持续发展，既不浪费资源、破坏环境，又能促进行业进步。
刁乃仁：对于地下资源的开采和利用，应严格遵守国家的相关法规、标准与规范的规定。应将国家利益与部门利益、社会效益与经济效益、长远利益与短期利益统一起来。当二者产生矛盾时，应服从于前者。尤其是抽取地下水的地源热泵的应用，应慎之又慎。中国目前面临水灾害加剧、水资源短缺、水环境恶化、水生态失衡四大水问题，解决这些问题已成为刻不容缓的重要任务。2011年中央一号文件第一次将水的作用提升到了国家安全层面。将实行最严格的水资源管理制度，确立水资源开发利用控制、用水效率控制、水功能区限制纳污的“三条红线”，因此对地下水地源热泵的应用来说，还是应严格执行现行的国家标准，以无污染、全部、同层回灌为前提。
《地源热泵》：应用地源热泵系统是否需要冬夏负荷平衡，一直是业内很多专家争论的焦点问题，对此，您如何理解？
刁乃仁：对于地埋管地源热泵系统的“冬夏季负荷是否需要平衡”问题，不能简单的回答“是”还是“不是”。对于几百平方米建筑的小型地埋管地源热泵系统，冬夏负荷可以不平衡，甚至单一的采暖都是可行的。如北欧挪威、瑞典等国较早使用的地埋管地源热泵系统，几乎就是只制热，不制冷，照样能够长期稳定运行；再者如果地埋管区域地下水丰盈，地下水渗流强度大，也会大大增强恢复热平衡的能力。但毋庸置疑，对于绝大部分中、大型地埋管地源热泵系统来说，地埋管区域冷热负荷的基本平衡是必须的。对于几十万或上百万立方米的蓄热体，仅靠原有的蓄热量或其周边岩土体与其内部的热交换量，是不能够维持系统长期高效运行的。
《地源热泵》：对地热资源进行前期勘探对于整个系统运行的意义何在，地源热泵能否长期稳定运行的关键在何处？
刁乃仁：一般来说，地热资源分为浅层地热与深层地热两种。二者最主要的区别之一是前者不能直接利用。深层地热的管理归属明确，相关法规完善。而浅层地热的利用需要借助“外力”——热泵，将低品位能量提升后方可利用。这就形成了基于水源热泵的浅层地热能利用系统。因此，对浅层地热资源进行勘察或勘探不无好处，但据此推算浅层岩土体所蓄能量能够承担多少平方米的建筑采暖或那些地区适用地埋管地源热泵，就勉为其难了。浅层岩土体在地埋管地源热泵系统中主要用作蓄热体，对大、中型系统来说，能否长期稳定运行，一要靠水源热泵的做功，二要靠建筑物或系统自身的冷热负荷平衡，而初始岩土体蓄热的影响很小。离开了热泵系统、建筑物负荷特性及其周边地埋管区域情况，是难以确定浅层地热可用或不可用的。因此浅层地热资源的科学管理与利用，我认为主要应从地源热泵系统方案设计评审和地埋管施工企业准予及资质等管理入手。
《地源热泵》：技术进步对于行业发展的推动力量是巨大的，请介绍一下您具有代表性的发明专利和典型工程，以及他们破解了哪些领域的问题。
刁乃仁：我们的研发团队在所长方肇洪教授的带领下，采用理论研究与工程实践相结合的技术路线，系统深入地研究了地埋管浅层地热能利用中地热换热器的传热机理与优化设计方法，揭示了深层岩土传热规律，开拓出大空间多维非稳态地下传热分析与工程应用的新途径，形成了系统的地埋管浅层地热能利用技术体系。开发了地热换热器优化设计模拟软件，提高了计算精度，便于设计优化；研发了能够用于现场确定深层岩土热物性的测试方法和测试仪；开发了基于水泥砂浆、石英砂和改性添加剂的高性能回填材料；获得了4项发明专利和1项自主知识产权。研究成果在北京奥林匹克公园、武汉新建火车站及济南奥体中心等500余项工程中应用。
研究所曾于2003年3月17日在山东建筑工程学院学术报告厅举行了“国际地源热泵空调技术报告会”，会上全面系统介绍了研究所在地源热泵技术方面的研究成果：地热换热器理论分析与设计方法、设计软件、弹性分隔器、深层岩土热物性测试方法、仪器和工程应用实例。当年参会的100多人中，相当一部分成为了今天地源热泵行业的主力军。有效地促进了我国地源热泵空调技术研究、应用的发展。
值得一提的是2005年我们研究所实施的济南市西区工程建设指挥部地源热泵空调工程。根据建筑的动态负荷，采用我们研发的“地热之星”软件对地埋管换热器进行设计计算，并对系统20年内的运行进行模拟计算；系统的设计充分考虑了地埋管换热器全年的热平衡。该系统自2006年投入运行以来，已连续运行了5个冬夏，完全满足建筑供热和空调要求；运行记录表明，该系统运行的实际情况与设计、模拟的结果很好地相符。
我们的研究成果为浅层地热能利用这一节能减排新技术的进步及其推广应用做出了应有贡献。作为主要成果之一，该研究2009年荣获国家科技进步二等奖。
刁乃仁简介
刁乃仁，山东建筑大学教授、工学博士、热能工程学院院长，山东建筑大学地源热泵研究所副所长，山东方亚地源热泵空调技术有限公司总工程师，山东省暖通空调学会副主任委员，山东省有突出贡献的中青年专家。
1997～1998年作为国家留学基金资助的高级访问学者赴法国国家应用科学学院热能研究中心进行了为期一年的研究工作，完成法国国家课题中的一个子课题“道路疲劳测试机中补偿加热系统的研究与设计”。2000年以来，作为地源热泵研究应用团队的主要研究者，在地源热泵空调技术的理论基础、技术开发和工程应用三个方面都取得了重要成果。出版了专著《地埋管地源热泵技术》。在International Journal of Heat and Mass Transfer 和International Journal of HVAC&R Research等学术刊物上发表论文40余篇，在国际上产生重要影响。参与起草了国家标准《地源热泵系统工程技术规范GB50366－2005》，并执笔编写了其中的“地埋管换热系统”部分。
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