北方冬季供暖的需求較大，那么如何利用水地源熱泵中央空調(diào)進(jìn)行供暖呢，本文僅對(duì)北方寒冷地區(qū)應(yīng)用地源熱泵的有關(guān)問(wèn)題做一些討論，僅供參考。

 

  一 地下土壤的熱平衡問(wèn)題

 

  因地源熱泵（GSHP）的自身特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍，即夏熱冬冷且冬夏冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。在寒冷地區(qū)由于其冬季供熱負(fù)荷大于夏季供冷負(fù)荷，造成熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，致使土壤溫度有可能逐漸降低，造成冬季使用時(shí)地源熱泵機(jī)組的蒸氣溫度降低，致使系統(tǒng)供熱量下降，耗功率上升，供熱系數(shù)COP降低，一般情況下，土壤溫度降低1℃，會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加3—4％。同理，對(duì)于南方地區(qū)，由于夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季供暖負(fù)荷，可能造成地下土壤的溫度越來(lái)越高，造成機(jī)組的冷凝溫度提高，致使制冷量減少，耗功率上升。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行的可靠保證。

 

  對(duì)于水平埋管的地源熱泵，由于水平管埋深淺，可以與地面進(jìn)行充分地?zé)?/a>交換，因此不存在地下土壤的熱平衡問(wèn)題。對(duì)于垂直埋管，一般埋深大多數(shù)30—100m，此時(shí)與地面及附近土壤的熱交換量較小，根據(jù)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算，建議冬夏向土壤的吸排熱量平衡差不大于20％為好。如果熱平衡性相差較大，可以采取輔助加熱(或冷卻)方式，有的把這種帶有輔助加熱(或冷卻)的系統(tǒng)稱為混合式地源熱泵系統(tǒng)。對(duì)于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區(qū)，最常用的方法是采用帶有太陽(yáng)能集熱器輔助加熱的太陽(yáng)能—地源熱泵系統(tǒng)。對(duì)于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區(qū)，最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統(tǒng)。上述兩種熱泵系統(tǒng)在一定的氣候地區(qū)，與單獨(dú)的GSHP相比，一般具有節(jié)省投資和降低運(yùn)行費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。

 

  太陽(yáng)能—地源熱泵系統(tǒng)可通過(guò)閥門(mén)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能直接供暖，太陽(yáng)能熱泵供暖，地源熱泵供暖及太陽(yáng)能集熱器集熱土壤蓄熱的運(yùn)行流程等。冬季采暖時(shí)，以太陽(yáng)能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過(guò)熱泵提升后供給采暖用戶，同時(shí)，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)用。夏季與過(guò)渡季節(jié)，太陽(yáng)能集熱器主要用于提供生活用熱水。

 

  二 土壤凍結(jié)對(duì)埋管換熱器傳熱的影響

 

  在北方寒冷地區(qū)，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結(jié)。根據(jù)定性分析，水份凍結(jié)時(shí)，有大量的潛熱被釋放出來(lái)，因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。如果設(shè)計(jì)中不考慮土壤中水份凍結(jié)的影響，計(jì)算出的地下埋管周圍的溫度場(chǎng)偏低與實(shí)際情況偏差較大，水份越多，差別越大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮水份凍結(jié)的影響。但目前有關(guān)巖土凍結(jié)和其計(jì)算方法方面的研究文獻(xiàn)不多，但可以肯定土壤凍結(jié)對(duì)地下埋管換熱是有利的。有的文獻(xiàn)提出在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)，如不考慮凍結(jié)的影響，換熱器尺寸要比實(shí)際偏大31％。有的采用簡(jiǎn)化方法，把埋管與周圍土壤換熱過(guò)程按未結(jié)凍和凍結(jié)兩種模型計(jì)算，凍結(jié)時(shí)按凍結(jié)區(qū)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度及末凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度分別建立盤(pán)管內(nèi)流體能量方程、盤(pán)管壁的能量方程、土壤凍結(jié)時(shí)的能量方程、土壤末凍結(jié)時(shí)的能量方程，最后采用有限差分法求解方程，得到凍結(jié)時(shí)和末凍結(jié)時(shí)的土壤溫度場(chǎng)分布情況。考慮凍結(jié)時(shí)的土壤溫度均高于未考慮凍結(jié)時(shí)的溫度，而且含水量越高，溫度差別越大。

 

  三 埋管內(nèi)工作流體

 

  在南方地區(qū)，由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；北方地區(qū)，冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于0℃，一般均使用防凍液。防凍液一般應(yīng)具有使用安全、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、導(dǎo)熱性好、成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的有：

 

  ①鹽類溶液有氯化鈣和氧化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等。

 

  經(jīng)對(duì)水(+ 5℃)，20％CaCl水溶液(-5℃)和20％乙二醇水溶液(-5℃)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下。

 

  3.1 最小管內(nèi)流速(流量)

 

  按文獻(xiàn)臨界雷諾數(shù)Rek＝2000，Re>2000為紊流，Re<2000為層流。由 和 的計(jì)算公式，求出上述三種流體不同管徑下的最小流速，即最小流量。計(jì)算結(jié)果為在相同管徑、相同流速下，其雷諾數(shù)大小依次為水——CaCl水溶液——乙二醇水溶液，其臨界流速比為1：2.12：2.45。說(shuō)明采用CaCl和乙二醇水溶液時(shí)，為保證管內(nèi)的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量。

 

  3.2 不同流體管內(nèi)換熱系數(shù) (W／m2?K)計(jì)算

 

  采用文獻(xiàn)[4]計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果為在相同流速、相同管徑下，水的換熱系數(shù)最大。其大小排序?yàn)樗瑿aCl水溶液－乙二醇水溶液，其比值與管徑和流速有關(guān)，在常用管徑及流速范圍內(nèi)，大小比值為1：0.47～0.62：0.41～0.56。

 

  3.3 管路沿程阻力hf／(kPa／100m)計(jì)算

 

  由于地下埋管換熱器內(nèi)流動(dòng)一般均在紊流或紊流光滑(過(guò)渡)區(qū)內(nèi)，即2100<Re<105。在此范圍內(nèi)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]的hf及沿程阻力系數(shù)λ的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果為在相同管徑、相同流量下，CaCl水溶液的hf的水的1.44倍；乙二醇水溶液的hf為水的1.28倍。

 

  寒冷地區(qū)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)應(yīng)考慮地下土壤的熱平衡問(wèn)題，采用太陽(yáng)能輔助加熱的系統(tǒng)是優(yōu)先的選擇。土壤凍結(jié)對(duì)埋管換熱器的傳熱有利，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮此影響。埋管內(nèi)工作流體應(yīng)采用不凍液，由于不凍液的熱物性參數(shù)變化，其埋管內(nèi)最小流速，流體管內(nèi)換熱系數(shù)、流體阻力均與水有很大的不同，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分注意