一、熱泵與建筑空調(diào)
  （一）熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點(diǎn)
1. 熱泵原理
熱泵（制冷機(jī)）是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。熱泵與制冷機(jī)的工作原理和過程是完全相同的，從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看都是熱機(jī)工作過程的反循環(huán)。熱泵與制冷機(jī)在名稱上的差別只是反映了在應(yīng)用的目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵，反之則稱為制冷機(jī)。
2. 主要特點(diǎn)
建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機(jī)）和熱源（鍋爐）。燃煤鍋爐是最主要的大氣污染源，中小型燃煤鍋爐在城市中已被逐步淘汰；燃油和天然氣的鍋爐雖然減輕了對大氣的污染，但排放的溫室效應(yīng)氣體（CO2）仍造成環(huán)境問題，而且運(yùn)行費(fèi)用很高。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機(jī)），如果讓它在冬季以熱泵的模式運(yùn)行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了很大的初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，徹底解決了大氣污染的問題。此外，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)還可以兼顧生活熱水供應(yīng)，特別在制冷（空調(diào)）工況下可利用制冷的廢熱加熱熱水，不需額外消耗能量。由此可見節(jié)能、環(huán)保、節(jié)省初投資是熱泵空調(diào)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)。
（二）空調(diào)熱泵的分類及其優(yōu)缺點(diǎn)
   以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)，其一個(gè)熱源就是建筑物內(nèi)部的環(huán)境，就其另一個(gè)熱源的性質(zhì)來分，可分為空氣源熱泵、水源熱泵和地源熱泵等幾大類。在冬季供熱工況下，室外空氣、水或大地中的低品位熱量通過熱泵作功而提高溫度以對建筑物供熱。
1．空氣源熱泵
空氣源熱泵利用室外的空氣作為低溫?zé)嵩矗到y(tǒng)最為簡單，因而初投資最省，現(xiàn)有的家用冷暖空調(diào)器就是這樣的空氣源熱泵。空氣源熱泵的缺點(diǎn)是室外空氣溫度越低時(shí)供熱量越小，特別是當(dāng)空氣溫度低于 -5℃ 時(shí)熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進(jìn)行加熱，熱泵的效率大大降低。此外，空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會(huì)結(jié)霜，需要定期除霜，也損失相當(dāng)大一部分能量。在靠近江河湖海等大體量自然水體的地方可以利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩?，可以大大提高換熱的效率，是值得考慮的一種空調(diào)熱泵的型式。當(dāng)然這種方法受到自然條件的限制。
2．水源熱泵
近年來山東省等地開發(fā)了“水源熱泵”空調(diào)技術(shù)，也稱“地溫?zé)岜?rdquo;，它抽取地下水在熱泵中放出熱量后再回灌到地下水層。在熱量的來源上它可歸屬于開式的地源熱泵；在熱泵的技術(shù)特點(diǎn)上它應(yīng)屬于水源熱泵。推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和保護(hù)大氣環(huán)境的效益，對宣傳和推動(dòng)熱泵技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用也起到了積極的作用。但是，這種“水源熱泵”技術(shù)也存在明顯的先天缺陷，必將妨礙它的實(shí)際推廣應(yīng)用。首先，這種抽取地下水的辦法需要有豐富的地下水為先決條件，如果地下水位較低，水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水資源的流失。即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個(gè)棘手的課題。水資源是當(dāng)前最緊缺、最寶貴的資源，任何對水資源的浪費(fèi)或污染都是絕對不可允許的。因此，對大面積推廣這種技術(shù)應(yīng)采取慎重的態(tài)度。
3．地源熱泵
另一種熱泵利用大地（土壤、地層等）作為熱源，可以稱之為“地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時(shí)使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時(shí)在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。據(jù)測算，在濟(jì)南地區(qū)的住宅每平方米建筑面積在一個(gè)采暖季節(jié)的供熱費(fèi)用在10元以下，約為采用電鍋爐時(shí)的費(fèi)用的1/3。夏季空調(diào)的電耗也大大減少。簡要的說，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是：環(huán)保節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展；一機(jī)多用，節(jié)省建筑空間，無需冷卻塔和室外風(fēng)冷部分，對建筑外觀影響??；運(yùn)行費(fèi)用低，投資回報(bào)快；全年運(yùn)行，均衡用電負(fù)荷。
現(xiàn)在在國外得到較為廣泛應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)采用介質(zhì)流經(jīng)埋在地下的管子與大地（土壤、地層、地下水）進(jìn)行換熱的模式。地源熱泵（Ground-Source Heat Pump）的概念最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文獻(xiàn)中，在20世紀(jì)50年代就已在一些北歐國家的供熱中得到實(shí)際應(yīng)用。由于石油危機(jī)的影響，地源熱泵在70年代得到較大的發(fā)展，但此時(shí)主要采用水平埋管的方式。水平埋管占地面積大，而且，水平埋管的地?zé)釗Q熱器受地表氣候變化的影響，效率較低。因此這種水平埋管的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)不適合中國人多地少的國情。雖然它在技術(shù)上與垂直埋管的系統(tǒng)基本相同，而且設(shè)置較為簡單，但在通常情況下可不作為研究和推廣的重點(diǎn)。自80年代以來，在北美也形成了利用地源熱泵對建筑進(jìn)行冷熱聯(lián)供的研究和工程實(shí)踐的新一輪高潮，技術(shù)逐漸趨于成熟。這一階段的地源熱泵主要采用垂直埋管的換熱器，埋管的深度通常達(dá)60～200米，因此占地面積大大減小，應(yīng)用范圍也從單獨(dú)民居的空調(diào)向較大型的公共建筑擴(kuò)展。國外在開發(fā)垂直埋管換熱器時(shí)對保護(hù)地下水資源不受污染給予了高度的重視。在打井、下管以后，再用水泥、膨潤土等材料把井筒密封，杜絕了地面污染物進(jìn)入地下水層或各地下水層之間互相貫通的可能性。垂直埋管有U型管和套管兩種型式。
   二、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成及主要型式
（一）系統(tǒng)組成
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般由三個(gè)必需的環(huán)路組成，必要時(shí)可增加第四個(gè)預(yù)熱生活熱水環(huán)路。如圖1所示。
 1．地?zé)釗Q熱器環(huán)路
由高強(qiáng)度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質(zhì)為水或防凍液。冬季從周圍土壤（地層）吸收熱量，夏季向土壤（地層）釋放熱量，其循環(huán)有一臺低功率的循環(huán)泵來實(shí)現(xiàn)。
 2．制冷劑環(huán)路
即在熱泵機(jī)組內(nèi)部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣－制冷劑換熱器換成水－制冷劑換熱器，其它結(jié)構(gòu)基本相同。
 3．室內(nèi)環(huán)路
室內(nèi)環(huán)路在建筑物內(nèi)和熱泵機(jī)組之間傳遞熱量，傳遞熱量的介質(zhì)有空氣、水或制冷劑等，因而相應(yīng)的熱泵機(jī)組分別應(yīng)為水—空氣熱泵機(jī)組、水—水熱泵機(jī)組或水—制冷劑熱泵機(jī)組。
 4．生活熱水環(huán)路
將水從生活熱水箱送到冷凝器去進(jìn)行循環(huán)的封閉加熱環(huán)路，是一個(gè)可供選擇的環(huán)路。對于夏季工況，該循環(huán)可充分利用冷凝器排放的熱量，不消耗額外的能量而得到熱水供應(yīng)；在冬季或過渡季，其耗能也大大低于電熱水器。

圖1  地源熱泵系統(tǒng)原理圖
供熱循環(huán)和制冷循環(huán)可通過熱泵機(jī)組的四通換向閥，使制冷劑的流向改變而實(shí)現(xiàn)冷熱工況的轉(zhuǎn)換，即內(nèi)部轉(zhuǎn)換。也可通過互換冷卻水和冷凍水的熱泵進(jìn)出口而實(shí)現(xiàn)，即外部轉(zhuǎn)換。

 
（二）主要型式
根據(jù)地源熱泵低溫?zé)嵩唇橘|(zhì)和熱泵供熱（冷）介質(zhì)（承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷的介質(zhì)）的組合方式不同，地源熱泵主機(jī)可分為：
水－水系統(tǒng)、水－冷劑系統(tǒng)、水－空氣系統(tǒng)熱泵。與此相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)型式主要有三種：
1．水－水系統(tǒng)
水－水系統(tǒng)熱泵主機(jī)的制冷工況與普通冷水機(jī)組的功能相同，即它是空調(diào)系統(tǒng)的冷源，為各種空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置提供冷凍水（二次冷媒）。不同的是它所具有的供熱工況－熱泵運(yùn)行方式，能夠?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)提供45～550C的熱水。在選用該型主機(jī)時(shí)，應(yīng)著重注意兩點(diǎn)：一是空調(diào)系統(tǒng)供熱工況或供暖方式末端裝置的選擇、設(shè)計(jì)應(yīng)與熱媒參數(shù)相匹配；二是該型主機(jī)制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換一般是通過機(jī)外二次冷媒水與地?zé)釗Q熱器循環(huán)水流道切換實(shí)現(xiàn)的。因此水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足這一要求。
2．水－冷劑系統(tǒng)
水－冷劑系統(tǒng)熱泵主機(jī)與冷、熱兩用的家用分體式空調(diào)的工作原理基本相同。不同的是它利用地?zé)釗Q熱器循環(huán)水作為熱泵制冷工況的冷卻水和供熱工況的低溫?zé)嵩?。家用分體空調(diào)中體積龐大、噪聲污染嚴(yán)重的室外機(jī)被兩根循環(huán)水管所取代。由該型熱泵主機(jī)組成的空調(diào)系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)基本相同。只是前者承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷的是制冷劑，而后者是冷凍（熱）水。因此，該型熱泵主機(jī)的選擇、設(shè)計(jì)、安裝與控制可參照風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)進(jìn)行。
3．水－空氣系統(tǒng)
水－空氣系統(tǒng)熱泵主機(jī)與全空氣系統(tǒng)中空調(diào)機(jī)組的作用相同。不同的是前者自身具備冷熱源，其蒸發(fā)器（或冷凝器）相當(dāng)于空調(diào)機(jī)組的表冷器（或加熱器）。因此，該型熱泵主機(jī)的熱效率高于水－水系統(tǒng)熱泵主機(jī)。在不需要二次冷（熱）媒的情況下，宜優(yōu)先考慮選用這種主機(jī)。該機(jī)組的選擇設(shè)計(jì)方法與空調(diào)機(jī)組的基本相同。應(yīng)注意的是二者的熱媒參數(shù)有所不同，在確定加熱器（冷凝器）面積時(shí)應(yīng)區(qū)別對待。
   三、地源熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用
(一) 示范工程概況
山東建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)報(bào)告廳為兩層建筑。一層為學(xué)生自習(xí)室，二層為學(xué)術(shù)報(bào)告廳。每層建筑面積為500平方米。報(bào)告廳共480座，其空調(diào)冷負(fù)荷約為110kW,熱負(fù)荷為80 kW?？紤]到報(bào)告廳不是頻繁使用，為提高空調(diào)設(shè)備的利用率，增加了自習(xí)室和圖書館辦公室等空調(diào)用戶。空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源由報(bào)告廳和這些用戶交錯(cuò)使用，但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用以滿足報(bào)告廳的需要為目的。
豎直U型埋管地?zé)釗Q熱器埋設(shè)于報(bào)告廳前的草坪下，占地250平方米，水平干管（分、集水器）埋深2米，鉆孔深度62米，共25個(gè)孔。即總鉆孔量1550米，豎直埋管總長度3000米。與地?zé)釗Q熱器配套的水－水型熱泵機(jī)組，名義制冷量為130kW，制熱量100kW。制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換由外部配水管路實(shí)現(xiàn)。
報(bào)告廳采用集中式空調(diào)系統(tǒng)。組合式空調(diào)機(jī)組主要由混合段、過濾段、表冷段、加熱段及風(fēng)機(jī)段等組成。送風(fēng)量為20000m3/h。辦公室采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。自習(xí)室采用低溫地板輻射供暖（冷）系統(tǒng)。地源熱泵制備的熱水直接輸配到地板下各輻射供暖盤管。因?yàn)榈匕遢椛涔┡锜崦絽?shù)與地源熱泵所能提供的熱媒參數(shù)基本一致，這也是采用地板輻射供暖的主要原因之一。另外，地板輻射供冷（熱）也是本課題的研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)任務(wù)之一。因此，我院報(bào)告廳地源熱泵空調(diào)工程是集教學(xué)、科研和實(shí)際工程應(yīng)用于一體的工程.
推廣應(yīng)用地源熱泵的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)在于對地?zé)釗Q熱器進(jìn)行性能分析并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。設(shè)置在不同場合的垂直埋管地?zé)釗Q熱器將涉及不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括各地層的材質(zhì)、含水量和地下水的運(yùn)動(dòng)等，這些當(dāng)然都會(huì)影響到地?zé)釗Q熱器的傳熱性能。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能弄清楚這些因素，包括進(jìn)行現(xiàn)場的測試。但是對于實(shí)際工程來說，要得到進(jìn)行詳細(xì)的模擬和分析所需的全部數(shù)據(jù)幾乎是不可能的?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)計(jì)算方法都是基于簡化的模型，即假設(shè)所涉及的地層的性質(zhì)是均勻的。其熱物性最好在現(xiàn)場用專門的儀器進(jìn)行測定。
(二) 地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)
 1．應(yīng)考慮的主要因素
（1）確定建筑物的供熱、制冷和熱水供應(yīng)（如果選用的話）的負(fù)荷，并根據(jù)所選擇的建筑空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)確定熱泵的型式和容量。
（2）確定地?zé)釗Q熱器的布置形式。主要包括水平埋管、豎直埋管或利用天然水體換熱的閉式循環(huán)。從管路的連接上又分為串聯(lián)和并聯(lián)等形式。
（3）選擇塑料管。目前國際上廣泛采用的高密度聚乙烯管材，壁厚（強(qiáng)度）推薦按SDR11選取，管徑（內(nèi)徑）通常采用20－40mm。管徑的選擇應(yīng)根據(jù)熱泵本身換熱器的流量要求以及選用的串聯(lián)或并聯(lián)的形式確定。即一方面管中流體的流速應(yīng)足夠大，以在管中產(chǎn)生湍流以利于傳熱，另一方面該流速又不應(yīng)過大，使循環(huán)泵的功耗保持在合理的范圍內(nèi)。
（4）合理設(shè)計(jì)分、集水器。分、集水器是從熱泵到并聯(lián)環(huán)路的地?zé)釗Q熱器的流體供應(yīng)和回流的管路。
（5）根據(jù)所選擇的地?zé)釗Q熱器的類型及布置形式，設(shè)計(jì)計(jì)算地?zé)釗Q熱器的管長。與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所特有的內(nèi)容，而且它也不同于一般的換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算。
2． 地?zé)釗Q熱器傳熱簡要分析
設(shè)置在不同場合的豎直埋管地?zé)釗Q熱器將涉及不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括各地層的材質(zhì)、含水量和地下水的運(yùn)動(dòng)等，這些當(dāng)然都會(huì)影響到地?zé)釗Q熱器的傳熱性能。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能弄清楚這些因素，包括進(jìn)行現(xiàn)場的測試。但是對于實(shí)際工程來說，要得到進(jìn)行詳細(xì)的模擬和分析所需的全部數(shù)據(jù)幾乎是不可能的。現(xiàn)在的設(shè)計(jì)計(jì)算方法都是基于簡化的模型，即假設(shè)所涉及的地層的性質(zhì)是均勻的。其熱物性最好在現(xiàn)場用專門的儀器進(jìn)行測定。
豎直埋管地?zé)釗Q熱器計(jì)算的基礎(chǔ)是單個(gè)鉆孔 (U型管)的傳熱分析。在多個(gè)鉆孔的情況下，可在單孔的基礎(chǔ)上運(yùn)用疊加原理加以擴(kuò)展。在制冷工況下，管內(nèi)流體把熱量傳給地層；在供熱工況下，管內(nèi)流體從地層吸收熱量。兩者熱流方向相反，但傳熱模型是相同的。熱流從管內(nèi)流體傳到遠(yuǎn)離鉆孔的恒溫地層中需要克服的熱阻由四部分組成，即：l、流體至管道內(nèi)壁的對流換熱熱阻，2、塑料管壁的導(dǎo)熱熱阻，3、鉆孔內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻，即由管道外壁到鉆孔壁的熱阻，4、地層的熱阻，即由鉆孔壁到地層遠(yuǎn)處的熱阻。
以夏季制冷工況為例，地?zé)釗Q熱器中鉆孔壁面與外部地層之間的換熱是熱量從鉆孔壁被釋放到地層中。因此鉆孔周圍地層的溫度就會(huì)升高。這部分的傳熱應(yīng)按非穩(wěn)態(tài)考慮。可以建立多種不同的數(shù)學(xué)模型來求解其溫度場。工程中最常用的方法是用無限大介質(zhì)中線熱源模型來求解該問題。另一種線熱源模型是半無限大介質(zhì)中有限長度線熱源模型，該模型較無限大線熱源模型更接近實(shí)際模型。還有一種模型是二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，即根據(jù)數(shù)學(xué)模型采用有限差分法來求解該溫度場。
(三) 地?zé)釗Q熱器安裝
 1．放線、鉆孔
將地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)圖紙上的鉆孔的排列、位置逐一落實(shí)到施工現(xiàn)場。孔徑的大小以能夠較容易的插入所設(shè)計(jì)的U型管及灌漿管為準(zhǔn)。本工程設(shè)計(jì)選用外徑為32mm的U型管。灌漿用管采用相同材料和規(guī)格。為確保U型管順利安全地插入孔底，孔徑要適當(dāng)，必要時(shí)孔壁應(yīng)固化。U型管在現(xiàn)場組裝、切割為宜，以滿足有可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)變更，尤其是鉆孔深度變化的需要。
 2．下管
本工程采用的是人工下管的方法。下管前，將灌漿管與U型管捆綁在一起。捆綁結(jié)應(yīng)疏密適中，既要保證三根管豎直不彎，又不能捆綁過緊，導(dǎo)致灌漿管灌漿過程中提升的困難。鉆完一個(gè)孔，應(yīng)接著下管。因?yàn)殂@好的孔擱置時(shí)間過長，有可能出現(xiàn)局部的堵塞，這將導(dǎo)致下管的困難。下管是將三根聚乙烯管一起插入孔中，直至孔底。U型管的長度應(yīng)比孔深略長，以使其能夠露出地面。
 3． 灌漿封井與土壤熱物性測定
封井的目的一是防止地下水的竄層，二是增強(qiáng)傳熱。用泥漿泵通過灌漿管將封井材料混合漿灌入孔中?；毓鄷r(shí)，根據(jù)灌漿的快慢將灌漿管逐漸抽出，使混合漿自下而上回灌封井，確保鉆孔回灌密實(shí)，無空腔。封井結(jié)束一段時(shí)間后，就可利用土壤熱物性測試儀進(jìn)行測定了，并根據(jù)測定結(jié)果對原有設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的修正。本工程對三組用不同灌漿材料封井的U型管進(jìn)行了測定，結(jié)果表明，封井材料對地?zé)釗Q熱器的傳熱效能有較大影響。
4．挖槽、安裝分集水器
分、集水器一般為直埋敷設(shè)。為防止未來其它管線敷設(shè)對其的影響或破壞，埋設(shè)深度應(yīng)大一些，一般可控制在1.5~2.0米之間。
(四) 系統(tǒng)試運(yùn)行情況及工程分析
 1．系統(tǒng)運(yùn)行情況
該工程竣工驗(yàn)收后，隨即進(jìn)入了試運(yùn)行階段。先后開機(jī)二十余次，累計(jì)運(yùn)行70多個(gè)小時(shí)。從初步的運(yùn)行情況和測試結(jié)果看，該空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。報(bào)告廳在滿員的情況下，室溫能夠控制在26℃以內(nèi)。冷凝器冷卻水的進(jìn)、出口平均溫度分別為25℃和30℃。地?zé)釗Q熱器冷卻效果優(yōu)于冷卻塔。其實(shí)際的熱交換能力與設(shè)計(jì)能力基本吻合。但也應(yīng)該看到，該空調(diào)系統(tǒng)目前的運(yùn)行方式是間歇性的，每次運(yùn)行3小時(shí)左右，間隔時(shí)間一、兩天，這是由于除報(bào)告廳外，還沒有其它空調(diào)末端用戶。另一方面，對于北方地區(qū)，夏季工況下地?zé)釗Q熱器的熱交換能力要強(qiáng)于冬季工況下的。因此，地?zé)釗Q熱器能否滿足設(shè)計(jì)要求，還需經(jīng)過冬季工況下長期連續(xù)運(yùn)行的檢驗(yàn)和檢測。
 2．工程分析
本空調(diào)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、施工到竣工驗(yàn)收、試運(yùn)行，經(jīng)過了5個(gè)多月，作為設(shè)計(jì)、施工組織及研究人員獲得了相當(dāng)多的第一手資料，同時(shí)也深深地感到在地源熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用中，還有許多技術(shù)問題需要解決或在以后的工程中加以改進(jìn)。如地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)方法與設(shè)置技術(shù)；土層熱物性的測試方法與儀器；與地?zé)釗Q熱器相配套的系列管材、管路配件以及熔接設(shè)備和技術(shù)，并需要有專門的鉆井、下管及封井的技術(shù)規(guī)范及相應(yīng)的設(shè)備等。
在本工程的施工中，鉆孔所用時(shí)間過長，所花費(fèi)用較大。原因在于鉆孔機(jī)械的落后和不匹配。這是制約地源熱泵空調(diào)技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素。因此研發(fā)或引進(jìn)新型的鉆孔機(jī)械，縮短施工周期降低鉆孔費(fèi)用，又是一個(gè)急需解決的問題。
四、地源熱泵空調(diào)技術(shù)研究開發(fā)的主要成果
（一）主要研究成果
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），通過中間介質(zhì)（通常是水或防凍液）作為熱載體，并使中間介質(zhì)在埋設(shè)在大地中的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行熱量交換的目的，并進(jìn)而通過熱泵實(shí)現(xiàn)對建筑物的空調(diào)。豎直U型埋管地?zé)釗Q熱器是一個(gè)鉆孔中布置單組或兩組U型管，再加上回填材料，與周圍巖土構(gòu)成一個(gè)整體。它具有占地面積小，效率較高的優(yōu)點(diǎn)。
本研究所所取得的成果包括地?zé)釗Q熱器傳熱分析、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用三部分。
1. 地?zé)釗Q熱器的傳熱分析
地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。由于地下傳熱的復(fù)雜性，地?zé)釗Q熱器傳熱模型及分析的研究一直是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。本研究采用的新方法的理論基礎(chǔ)之一是疊加原理，即把具有復(fù)雜邊界條件和熱源的問題分解為許多簡單問題，特別是把具有多個(gè)鉆孔的地?zé)釗Q熱器的溫度場化作許多單孔溫度場的疊加。同樣地，把隨時(shí)間變化的負(fù)荷分解為一系列脈沖負(fù)荷，進(jìn)而確定任一時(shí)刻的溫度響應(yīng)。其理論基礎(chǔ)之二是求解單個(gè)鉆孔傳熱問題的解析解，特別是考慮鉆孔的有限深度、鉆孔內(nèi)部各支管間的熱干擾以及地下水滲流的影響等復(fù)雜因素時(shí)二維或三維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題的解析解。用這種方法求解復(fù)雜的工程問題，不但是對傳熱理論的貢獻(xiàn)，也使地?zé)釗Q熱器傳熱分析的模型更加精確、計(jì)算速度大大加快，可以在工程實(shí)際中應(yīng)用。
（1）鉆孔內(nèi)的傳熱模型
目前國外工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，對于鉆孔內(nèi)的換熱一般采用一維簡化模型計(jì)算，也可稱為當(dāng)量直徑法。本研究首先提出了鉆孔內(nèi)導(dǎo)熱的二維模型，對于鉆孔橫截面上的導(dǎo)熱熱阻，給出了定量的解析式。但是一維和二維模型都因?yàn)闆]考慮流體溫度沿程的變化，忽略了U型管由于各支管中流體溫度的不同而引起的熱流"短路"現(xiàn)象。因此，在二維模型的基礎(chǔ)上，流體溫度在深度方向的變化以及軸向的對流換熱量必須予以考慮。我們把此模型可稱為準(zhǔn)三維模型。對于單U型管和雙U型管的鉆孔的熱平衡分析，我們在國際上首次求得循環(huán)介質(zhì)軸向溫度分布的解。由于是顯式的函數(shù)關(guān)系式，可以方便地在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。
（2）鉆孔外瞬變溫度場分析
在很多情況下，地?zé)釗Q熱器全年的冷熱負(fù)荷是不平衡的。國外正式推薦的計(jì)算鉆孔外熱阻的模型主要是無限長線熱源模型，也即是一維模型，它忽略了鉆孔有限深度和地表面作為邊界的影響，在處理長時(shí)間的傳熱問題時(shí)會(huì)造成較大的誤差。我們在國際上首次求得了半無限大介質(zhì)中有限長線熱源的溫度響應(yīng)，解決了求解精度和計(jì)算時(shí)間的矛盾。
（3）有滲流時(shí)地?zé)釗Q熱器溫度響應(yīng)的解析解
地下水的滲流有利于地?zé)釗Q熱器的傳熱，也有利于減弱或消除由于地?zé)釗Q熱器吸放熱不平衡而引起的熱量累積效應(yīng)。國外文獻(xiàn)僅見到穩(wěn)態(tài)問題的解析或用有限元法求解非穩(wěn)態(tài)問題。我們根據(jù)多孔介質(zhì)中有滲流時(shí)的能量方程，首次解析求解得到了有均勻滲流時(shí)線熱源引起的二維非穩(wěn)態(tài)溫度響應(yīng)。這一解具有簡明的形式，全面揭示了各因素對傳熱過程的影響。據(jù)此也可討論地下水滲流對多個(gè)鉆孔的地?zé)釗Q熱器的影響。
2. 地源熱泵的技術(shù)開發(fā)
（1）地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)和模擬軟件
利用上述導(dǎo)得的地?zé)釗Q熱器的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)的二維或準(zhǔn)三維傳熱問題的解析解，我們開發(fā)出了地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)模擬軟件"地?zé)嶂?quot;（軟件著作權(quán)登記號2003SR1130）。該軟件以可視化圖形界面和對話框的形式面向用戶，使用戶使用起來簡單明了。該軟件已推廣應(yīng)用。
（2）深層巖土熱物性測試技術(shù)
深層地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地?zé)釗Q熱器的重要參數(shù)。本課題把提出的傳熱模型用于現(xiàn)場測量并確定深層巖土的導(dǎo)熱系數(shù)，并開發(fā)了專用的深層地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。
（3）地源熱泵系統(tǒng)仿真與優(yōu)化
本課題除建立了地?zé)釗Q熱器模型以外，也建立了熱泵機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，并對地?zé)釗Q熱器和熱泵機(jī)組聯(lián)合工作的過程進(jìn)行了模擬和研究。  
（4）地?zé)釗Q熱器配件和施工技術(shù)  
結(jié)合我國國情開發(fā)了地源熱泵系統(tǒng)的施工技術(shù)、工具和配件，取得U型彎頭(ZL 03 2 16681.8)和地?zé)釓椈?ZL 03 2 16680.X)兩項(xiàng)專利。
3. 地源熱泵技術(shù)的工程應(yīng)用
本研究所在進(jìn)行理論研究和技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，十分重視工程實(shí)際應(yīng)用。首先利用研究成果在我院學(xué)術(shù)報(bào)告廳中進(jìn)行了地源熱泵空調(diào)工程示范。隨后課題組陸續(xù)進(jìn)行了十多個(gè)地源熱泵空調(diào)工程的設(shè)計(jì)與施工，并對其中的一些項(xiàng)目正在進(jìn)行長期的運(yùn)行測試，以對理論研究成果進(jìn)行必要的檢驗(yàn)與驗(yàn)證，同時(shí)也為地源熱泵技術(shù)的推廣積累經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。課題組還先后與5個(gè)企業(yè)簽訂了合作協(xié)議，以發(fā)揮校、企雙方的各自優(yōu)勢，盡快使地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。
地源熱泵系統(tǒng)用一套設(shè)備實(shí)現(xiàn)了建筑物的供熱與空調(diào)的兩種要求，取消了鍋爐房，消除了大氣污染，提高了一次能源的利用率，減少了CO2的排放。供熱時(shí)比直接電熱方式節(jié)電60%以上；比燃油或燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用也大大降低。增加的初投資一般可在3-5年內(nèi)收回。
（二）創(chuàng)新點(diǎn)
本研究中導(dǎo)得的三個(gè)多維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題的解析解未見之于任何傳熱或數(shù)學(xué)專著，是理論上的突破。開發(fā)的"基于系列解析解和疊加原理的地?zé)釗Q熱器傳熱分析"方法大大減少了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴龅暮喕僭O(shè)，用自主導(dǎo)得的函數(shù)表達(dá)式定量地反映出地?zé)釗Q熱器各幾何和物理參數(shù)對傳熱的影響，同時(shí)可以足夠精確地反映冷、熱負(fù)荷的變化，并考慮了熱量累積的長期效應(yīng)。由于計(jì)算速度大大加快，因此可以真正應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及系統(tǒng)的能耗分析。根據(jù)以上成果開發(fā)的地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)和模擬軟件"地?zé)嶂?quot;填補(bǔ)了國內(nèi)空白；同時(shí)具有自主的知識產(chǎn)權(quán)，在處理的各種復(fù)雜條件，如多個(gè)鉆孔的復(fù)雜幾何配置、變化和間斷的負(fù)荷、考慮全年不平衡的負(fù)荷的影響等方面優(yōu)于國外同類軟件。
現(xiàn)場測定深層巖土熱物性的方法和設(shè)備也屬國內(nèi)首創(chuàng)。
   五、地源空調(diào)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較及應(yīng)用展望
由山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所設(shè)計(jì)、組織施工的該院學(xué)術(shù)報(bào)告廳地源熱泵空調(diào)工程日前已投入使用。該工程集教學(xué)、科研和實(shí)際應(yīng)用于一體，是山東省乃至全國首批地源熱泵空調(diào)工程。該空調(diào)系統(tǒng)自2001年5月底投入運(yùn)行以來，地源換熱器中循環(huán)水的平均溫度比濟(jì)南地區(qū)使用冷卻塔時(shí)設(shè)計(jì)工況下冷卻水的平均溫度低80C左右。即地源換熱器的冷卻效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔。當(dāng)然，隨著地源換熱器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的增加，這一溫度差將有所減小。尤其是冬季作為低溫?zé)嵩吹牡卦磽Q熱器的運(yùn)行效果還需要進(jìn)一步檢測。但無論從理論上，還是從國外相關(guān)資料的分析來看，冷、暖兩用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、清潔、使用長久是毋庸置疑的。也應(yīng)當(dāng)指出：由于增加了鉆孔費(fèi)用，地源熱泵空調(diào)的初投資將增加，同時(shí)，埋管也需要占用一些地下空間。那么，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在初投資和運(yùn)行費(fèi)方面比其它空調(diào)方式究竟增加多少、減少多少呢？下面根據(jù)濟(jì)南地區(qū)現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)定和政策，以建筑面積在300m2～5000m2的中、小型空調(diào)系統(tǒng)為測算對象，對現(xiàn)行常用的幾個(gè)空調(diào)系統(tǒng)作一比較，詳見表1、表2。
合理確定空調(diào)冷、熱源是空調(diào)方案的主要組成部分。而空調(diào)冷、熱源的選擇常常受到當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有冷、熱源類型、燃料供應(yīng)及建筑周邊條件等具體情況的制約。合理確定空調(diào)冷、熱源方案，需要設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位及政府有關(guān)部門等各方面的努力和協(xié)作。同時(shí)，每種空調(diào)冷、熱源都有其應(yīng)用條件和適用范圍，應(yīng)因工程制宜，因地制宜，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較，合理選用。但鼓勵(lì)發(fā)展太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉磻?yīng)用技術(shù)及空調(diào)制冷節(jié)能技術(shù)是我國政府歷來倡導(dǎo)的并已明文規(guī)定的政策。在條件允許的情況下，使用地源熱泵空調(diào)，無疑是一種利國利民的選擇。
在供熱空調(diào)中應(yīng)用熱泵技術(shù)的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應(yīng)不足和人民群眾消費(fèi)水平較低。隨著改革開放以來我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個(gè)制約因素已不復(fù)存在，空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求，并逐漸向農(nóng)村和南方擴(kuò)展，市場前景很好。而地源熱泵由于其技術(shù)上的優(yōu)勢和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，將成為中小型建筑空調(diào)冷熱源合理可行的選擇方案之一。用一席之地，得冷暖兩機(jī)，將成為越來越多的建筑業(yè)主的共識。