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)問題做一些討論，僅供參考。

 

  一 地下土壤的熱平衡問題

 

  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能集熱器輔助加熱的太陽能—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)。

 

  太陽能—地源熱泵系統(tǒng)可通過閥門的控制來實(shí)現(xiàn)太陽能直接供暖，太陽能熱泵供暖，地源熱泵供暖及太陽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。夏季與過渡季節(jié)，太陽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，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管內(nèi)流體能量方程、盤管壁的能量方程、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?？紤]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、無毒、無腐蝕性、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題，采用太陽能輔助加熱的系統(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