地埋管地源热泵技术的研究和应用
方肇洪1，2 刁乃仁1，2 于明志1 崔萍1
山东建筑大学热能工程学院
山东方亚地源热泵空调技术有限公司
摘要：本文综述了作者近年来在竖直埋管式地源热泵技术方面的研究：改进和深化了现有的地热换热器传热模型，在国际上首次求得有关地热换热器传热的三个重要问题的解析解，并在此基础上开发了地热换热器设计和模拟计算软件“地热之星”；研制了测定深层岩土热物性的方法和仪器；开发了钻孔高性能回填材料和相关的施工技术、配件和设备；同时进行了地源热泵供热空调技术的工程应用和推广。实践表明，地源热泵系统是实现建筑供热和空调节能的有效和可行的技术。
关键词：建筑节能 供热空调 地源热泵 地热换热器
引言
节约能源与保护环境已成为当今世界科技与社会发展的两大潮流。建筑能耗，其中特别是建筑供热与空调的能耗，在社会总能耗中占有很大的份额，因此发展建筑节能已经成为我国政府和社会公众的共识和紧迫需要。在建筑供热空调中采用热泵技术可以合理利用环境中的低品位热能，提高建筑供热空调系统的一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其它燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。
地埋管地源热泵系统通过在地下埋管，构成“地热换热器”，使大地成为热泵系统的冷热源。由于较深的地层中常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵系统的效率大大提高，具有节能和环保的优点。地源热泵技术在北美和欧洲的一些国家已应用了几十年，是一种比较成熟的供热空调系统[1,2]。近年来，随着政府及社会公众对建筑节能的认识不断提高，地源热泵供热空调系统在我国的应用正在形成热潮，并已有了一定的工程项目实践和研究成果，积累了一定的经验。地源热泵系统的技术难点在于地埋管换热器的设计及施工，我国现有的设计和施工技术队伍还不能适应推广应用地源热泵新技术的要求。因此，有必要通过系统的研究、示范和技术集成，在消化吸收国外先进技术的基础上，形成适合我国国情的、系统的地源热泵技术体系，以促进地源热泵供热空调技术在我国更加健康的发展，并得到更广泛的应用。
作者在消化吸收国外先进技术的基础上，坚持基础理论的研究创新和工程技术的开发应用并举的方针，在地源热泵领域不断探索，积累了一些经验[3,4]。本文简要小结我们在这方面的主要创新和成果。
地热换热器传热理论及设计和模拟计算软件
地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。建立较为准确的地下传热模型是合理地设计地热换热器的前提。由于地下传热的复杂性，地热换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点和应用基础。
地热换热器设计的基本目标是要保证在系统整个运行期内，循环液的温度保持在限定的范围内，以保证系统的性能达到设计要求。地热换热器中的传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程，所涉及的时间尺度很长，空间区域很大。因此在工程实际应用的模型中通常都以钻孔壁为界，把所涉及的空间区域划分为钻孔以外的岩土部分和钻孔内部两部分，采用不同的简化假定分别进行分析。现有的设计手册和教科书中只能推荐以一维的线热源或圆柱模型为基础的半经验公式[1, 2]。在我们近年来的研究中，突破了美国和欧洲研究者未能解决的障碍，导得了地热换热器的几个重要环节的二维或准三维传热问题的解析解[3,4]。由于取消有关的简化假设，提高了模型的精度；而且这些显式的函数关系式可以直接应用于地热换热器设计和模拟计算，使计算工作量大大减少。立足于这些创新性的研究成果，我们开发了有自主知识产权的地热换热器设计和模拟计算软件“地热之星”，并已得到推广应用。
（责编：zyl）
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