隨著當今傳統能源的日趨枯竭及環境污染的加劇，在“節能減排”的國策指導下，地源熱泵系統因其顯著的節能、環保、高效益用等特點而愈加受到人們的重視。自上世紀90年代國內展開地源熱泵技術研究以來，已經過了約二十年的發展歷程。吸收了國外的應用研究成果，地源熱泵技術在國內已取得了一定的研發進展。重慶大學自上世紀90年代開始，也在此領域開展了一系列的理論與實踐研究，積累了大量設計、施工及運行的數據資料及實際工程經驗。本文主要對近幾年重慶大學科研組在地源熱泵系統方面所做的研究進行綜述。

1地熱源熱泵冬夏暖冷聯供試驗研究

早在1990年前后，隨著國外的地源熱泵系統應用研究成果在國內逐漸普及，原重慶建筑大學（現重慶大學B區）的馮雅就對利用淺地層蓄能的橫埋管道冷卻或加熱空氣以改善室內熱環境進行了研究[1]。到上世紀90年代末，重慶大學劉憲英教授帶領課題組成員，在自行建設的10kW淺埋豎直套管式地下換熱器地熱源熱泵系統上，進行了為期四年的冬季、夏季連續間歇運行、變水量運行以及淺埋水平埋管的換熱研究，以及過渡季大地溫度場測試，得到了大量實測數據[2]~[4][11]~[13]。重慶大學的胡鳴明、丁勇等采用能量平衡結合熱傳導方程，并輔以管群修正系數，建立了淺埋豎管地熱源熱泵系統的傳熱模型，并按徑向和管長方向建立了二維傳熱方程用于計算過渡季大地溫度場的恢復情況，并將數學模型計算值與實測值進行了比較[5]。在2001~2003年，重慶大學孫純武、丁勇、胡彥輝等人新搭建了制冷量為7Kw的U形管地下換熱器地源熱泵系統，圍繞50m垂直深埋U型管地源熱泵冬季運行開展了研究，進行了為期一個月的原始地溫測試和長達三個月的供熱運行測試[10]。

在理論研究的同時，課題組記錄了冬、夏季定水量的運行效果和變水量運行時各性能指標的變化。通過地熱源熱泵系統冬夏冷暖聯供測試，針對具體工程初步獲得了如下結論：

1）、冬季運行測試結果表明，在保持室溫17～22℃情況下，土壤源熱泵系統供熱性能系數COP=3.06，單位埋管深度換熱量qL=77.93W/m。夏季連續運行，保持室溫21～27℃情況下，其系統制冷能效比EER=3.46，單位埋管深度換熱量qL=90.6W/m。

2）、埋管單位深度的換熱量qL，是衡量地源熱泵系統的重要技術和經濟指標。系統水流量是影響qL大小的重要因素，通過變水量測試，得到了該系統每組套管式換熱器管流量600L/h左右時為最佳流量，在此流量下，熱泵系統性能系數及qL值為最大。

3）、采用能量平衡結合熱傳導方程，并輔以管群修正系數，建立了淺埋豎管地源熱泵系統傳熱模型。經與實測值比較，計算值比實測值偏低10%左右。若適當加以修正，對地熱源熱泵系統的設計及運行具有重要的參考價值。

2.地源熱泵系統地下換熱器設計的研究

隨著地源熱泵技術的不斷成熟與應用的逐漸廣泛，對地源熱泵技術的研究向著更深層次的方向發展。在2001~2003年，課題組根據當時的工程應用需要，重新搭建了U形管深埋為50m、制冷量為7kW的地源熱泵性能實驗平臺。由此開展了整個冬季的供熱工況測試及換熱分析、多流量變工況測試及確定換熱效果較優的埋管水流量、建立三維瞬態傳熱模型對深埋U形管的地下換熱情況進行數值模擬、并編制了埋地U形管換熱的通用性計算程序等。通過試驗研究，得到了如下結論[10]：

1）、地下埋管的換熱量與系統供熱性能系數隨系統累計運行時間的增加而遞減，并逐漸趨于穩定。在供熱工況下，埋管周圍土壤的冷積聚程度與系統累計運行時間有關，運行時間越長，冷積聚程度越嚴重，埋地U型管進、回水管間的熱短路現象也越明顯。熱短路導致的熱損失占埋管換熱量的份額，從開始的2.0%增長到最后的7.1%。

2）、通過建立三維瞬態傳熱模型對實驗涉及的四種不同工況進行了模擬，將計算結果與實驗測試結果進行比較，發現二者吻合較好，最大相對誤差在9.1%以內；最小相對誤差在4.1%以內。

經過課題組多年來的潛心研究和技術總結，課題組就地下埋管換熱器在地源熱泵系統設計中的關鍵問題進行了詳細討論，這些問題包括巖土熱物性參數的確定、垂直豎井的回填材料、巖土凍結對埋管換熱器的影響、埋管形式及埋管深度的選擇、地下埋管系統環路方式、埋管材料、埋管間距、埋管內工作流體的確定、季節性地下巖土熱平衡等十大問題，在文獻[6]~[9]中就上述問題在地源熱泵系統設計中的重要作用進行了分析，為系統設計提供了參考。

3地源熱泵地埋管換熱量測試儀的研發

地源熱泵空調系統主要由地下換熱器、熱泵機組和空調末端三部分組成，其中地下換熱器設計與施工是整個地源熱泵空調系統成敗的關鍵，而地下換熱器的設計依據主要是地下換熱量的確定。目前關于地下換熱器的換熱量的確定方法主要有兩種：軟件計算法和現場測試法。軟件計算法是根據土壤及回填料熱物性參數，采用專用軟件進行計算，國外的計算軟件有瑞典隆德Lund大學開發的EED程序，美國威斯康星Wisconsin-Madison大學SolarEnergy實驗室開發的TRNSYS程序、美國俄克拉荷馬州Oklahoma大學開發的GLHEPRO程序等。國內的計算軟件有山東建筑大學開發的G-Stars計算程序、重慶大學研發的GSHP和JSW計算程序等。軟件計算法主要基于土壤的熱物性參數，而土壤的熱物性存在很大的不確定性，土壤是一個多孔介質，土壤中的含水率會隨著熱量的傳遞而發生變化，而土壤的導熱系數和比熱容都會隨含水率的變化而發生改變，然而目前用函數關系來描述土壤導熱系數、比熱容與土壤含水率之間的變化規律還具有一定難度，這給土壤熱物性參數的測定帶來了一定困難，從而影響到了軟件的計算結果。

相比于軟件計算法，現場測試法更為科學，準確?，F場測試法是模擬土壤源熱泵實際運行工況，對實驗孔進行放熱或吸熱實驗，通過分析測試得到的數據，得出測試孔的換熱量。通過此思路，重慶大學的劉憲英、李百戰、丁勇等人自主研發了地源熱泵地埋管換熱量測試儀。通過地源熱泵地埋管換熱量測試儀可以進行夏季工況和冬季工況換熱量的測試，能夠較精確地測得在不同工況下鉆孔的單位長度換熱量，找出最優的工況，計算出鉆孔的數量和深度。此種方法不僅簡單易行，精度高，而且能夠考慮到地下水的徑流對換熱的影響，測試結果對實際工程的應用具有較強的指導性。

4實際工程的測試研究

課題組先后對重慶大學城環學院實驗樓地源熱泵實驗室、重慶市解放軍后勤工程學院外訓樓等多個實際工程進行了單U形管和雙U形管的多工況換熱量測試。通過兩工程的測試數據對比，發現如下值得討論的問題：

1、單U形管和雙U形管的換熱能力對比

傳統認為，雙U形管地下換熱器比單U形管地下換熱器的換熱能力較強。通過上述項目的實測數據分析得知，在流速同為0.58m/s時，單U形管的單位井深換熱量為74.15w/m，雙U形管的單位井深換熱量為68.44w/m，雙U形管的單位井深換熱量反而比單U形管的單位井深換熱量小約8.3%；在流速為0.8m/s時，雙U形管單位井深換熱量為62.20w/m，單U形管單位井深換熱量為60.30w/m，雙U形管稍高。

這一現象與常規的認識不太一致，分析認為：實驗所采用的雙U形管由于構造的原因使得換熱各管間存在較明顯的換熱影響，從而造成換熱不充分，當流速較低時，這一影響顯得更加突出，而相比之下，單U形管由于管間的影響較少，因此可實現比雙U形管較為充分的換熱，故在流速較低時，單U形管比雙U形管的換熱效果好；當流速增大后，管間的傳熱影響所占的比例減少，而雙U形管由于有較多的與土壤接觸的換熱面積，換熱效果增強的比例增大，因此雙U形管的換熱量大于單U形管的換熱量。

2、地埋管管徑的大小對換熱量的影響

根據《地下建筑暖通空調設計手冊》中的巖石和土壤熱物性能表可以查得巖石和土壤熱物性參數，并通過分析得到其計算參數。分析兩項目所在地的土壤熱物性參數可知，兩者導熱系數相差0.23w/（m?℃），密度相差137kg/m3，比熱相差300J/（kg?℃），總體說來兩者熱物性能相差不大，而通過實測得到的單位孔深換熱量在相同流速下相差約為16w/m。

除土壤熱工性能的差別外，影響測試結果的主要是埋管的管徑。根據測試結果分析，由于管徑加大，在加大與土壤熱接觸面積的同時，也產生了負面影響：管徑增大同時也使得管間距減小，從而增加了管間熱影響；管內流體在流速較低時，并不一定能實現與壁面的充分熱交換。因此，應對地埋管的管徑進行恰當得選擇。

5結束語

以上所討論的是重慶大學地源熱泵課題組在近二十年中關于地源熱泵空調系統的研究成果匯總，其中匯集了多位專家教授的科研結晶，在此基礎之上，本課題組正在積極結合國家法規要求以及實際工程需求，進一步推廣地源熱泵工程實用技術的應用。

參考文獻：

[1]馮雅，陳啟高.利用淺地表層所蓄太陽能改善室內熱環境的埋管熱過程研究太陽能學報，1994年第15卷第4期

[2]魏唐棣，胡鳴明，丁勇等.地源熱泵冬季供暖測試及傳熱模型.暖通空調.2000,30(1):12-14

[3]劉憲英，丁勇，胡鳴明.淺埋豎管換熱器地熱源熱泵夏季供冷試驗研究暖通空調HVAC

[4]劉憲英，張素云，丁勇.地熱源熱泵冬夏暖冷聯供試驗實驗與研究

[5]劉憲英，張素云，胡鳴明，丁勇.地熱源熱泵冬夏暖冷聯供試驗研究水利電力施工機械，2000年第21卷第1期

[6]劉憲英，丁勇.地源熱泵地下埋管換熱器系統形式及設計計算特約專稿，2004年4月刊

[7]丁勇，李百戰，盧軍，孫純武，劉憲英.地源熱泵系統地下埋管換熱器設計(1)暖通空調2005年35卷第3期

[8]丁勇，李百戰，盧軍，孫純武，劉憲英.地源熱泵系統地下埋管換熱器設計(2)暖通空調2005年35卷第11期

[9]丁勇，李百戰，盧軍，孫純武，劉憲英.地源熱泵系統地下換熱器設計討論工程建設與設計2005年第12期

[10]胡彥輝.垂直深埋U型管大地耦合式地源熱泵冬季實驗研究與三維數值模擬重慶大學碩士論文，2003

[11]曾淼.地源熱泵地下換熱器換熱計算模擬和試驗研究重慶建筑大學碩士論文，1999

[12]王勇.地源熱泵研究（1）重慶建筑大學碩士論文，1998

[13]張素云，孫純武，劉憲英.地熱源熱泵水平埋管換熱器實驗研究重慶建筑大學學報，2001年（4）