土壤源熱泵核心技術(shù)探討

要真正使土壤源熱泵能夠取代傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，尚有眾多的核心技術(shù)問題有待進(jìn)一步解決。

土壤中傳熱、傳質(zhì)過程的研究

整個(gè)系統(tǒng)中處于最底層的是埋地?fù)Q熱器次級子系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，主要關(guān)心的問題是埋地?fù)Q熱器與周圍土壤的熱交換過程。由于土壤是一個(gè)由固態(tài)的土壤骨架、液態(tài)和氣態(tài)水以及空氣組成的多相分散體，目前大多數(shù)的研究中采用的簡單的復(fù)合不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，將水分和空氣的輸運(yùn)過程作用歸結(jié)為一導(dǎo)熱系數(shù)的附加值來描述土壤中的熱質(zhì)耦合的作法顯然會(huì)帶來較大的誤差，相應(yīng)的結(jié)果土壤源熱泵的埋地?fù)Q熱器的尺寸偏大，熱泵裝置的初投資加大（埋地?fù)Q熱器的成本一般占到熱泵系統(tǒng)總成本的 20 ％ -30 ％），無法與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相抗衡。

因此亟待解決的方法是對埋地?fù)Q熱器與土壤的熱交換過程采用更完善的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，全面考慮傳熱和傳質(zhì)過程。多孔介質(zhì)流體力學(xué)方法可能是一個(gè)有力的工具。有研究者提出采用不可逆熱力學(xué)的方法來加以研究，也是一個(gè)頗有新意的可行的方法。還有研究者提出采用分形的方法來研究土壤中的導(dǎo)熱系數(shù)，有可能使數(shù)學(xué)模型得到簡化，使研究的難度降低。

研究土壤中的傳熱傳質(zhì)過程的另一個(gè)目的，是希望能找到強(qiáng)化傳熱的新型填充材料，國外已有研究者從事過這方面的研究，并有相關(guān)報(bào)道。當(dāng)然，最終的目的是一致的，就是要盡可能的減少土壤源熱泵埋地?fù)Q熱器的初投資費(fèi)用，但國內(nèi)尚未見到類似的研究報(bào)道。

與熱泵裝置的耦合過程研究

研究與熱泵裝置的耦合過程的目的在于優(yōu)化熱泵裝置子系統(tǒng)的性能。因采用土壤作為熱源，無論是冬季或夏季運(yùn)行，熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行條件（室外側(cè)換熱器的工作點(diǎn)）都與傳統(tǒng)的空氣熱泵或一般的水源熱泵的工作點(diǎn)有一定的差別，從而引起整個(gè)熱泵系統(tǒng)的工作特性都隨著發(fā)生變化。具體說來就是在新的室外側(cè)換熱流體溫度下，應(yīng)該如何配置相應(yīng)的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)乃至整個(gè)系統(tǒng)的部件，使熱泵的熱力循環(huán)性能最優(yōu)、最大程度的發(fā)揮土壤源熱泵的節(jié)能潛力。因此有必要采用制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)的方法。

土壤源熱泵的系統(tǒng)全年能耗的經(jīng)濟(jì)分析

從土壤源熱泵的熱力系統(tǒng)圖上可以看出待研究問題 的第三個(gè)層次是對整個(gè)熱泵系統(tǒng)的全年能耗分析。對于 需要全年進(jìn)行空調(diào)的場合，采用土壤源熱泵是否具有優(yōu) 越性的結(jié)論應(yīng)該是基于全年能耗分析的結(jié)果而得到的。

這一點(diǎn)在確定土壤源熱泵的方案時(shí)尤為重要。對于不同的氣象條件及不同的建筑物功能需求，建筑物冬夏兩個(gè)季節(jié)的冷熱負(fù)荷可能是不一樣的。是應(yīng)該優(yōu)先考慮 冬季采暖，夏季冷負(fù)荷的不足部分由傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)（比如加裝冷卻塔）加以補(bǔ)充；還是以夏季冷負(fù)荷為基準(zhǔn)，冬季采用輔助熱源的模式？應(yīng)該在全年能耗分析的基礎(chǔ)上，全面考慮系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，最終以投資回收期來作為判斷的依據(jù)。

因此只有在能夠?qū)Φ叵聯(lián)Q熱器的換熱過程以及熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)熱特性有了一個(gè)較完備的認(rèn)識和了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷，才能使得土壤源熱泵的優(yōu)越性得以充分的發(fā)揮，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。

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