某恒温恒湿住宅地源热泵空调系统初步设计
摘要： 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称低能，包括地下水、土壤或地表水等)，通过输入少量高品位能源，实现低温位热能向高温位转移的高效节能空调系统。笔者主要通过阅读关于地源热泵的文献期刊,通过总结过去几十年关于地源热泵的研究成果分析地源热泵研究中心关于地源热泵运行、管理和设计等方面的研究空间。
关键词：地源热泵;空调系统;设计;运行
1.国内外地源热泵空调系统的现状
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- 国内研究现状
我国最早研究地源热泵的是天津大学、天津商学院等。上世纪50年代，天津大学的吕灿仁教授最早研究了地源热泵，并于1965年研制出国内第一台水冷式热泵空调机。随后，同济大学、湖南大学等也相继建立了地源热泵实验装置，地源热泵的研究达到了新的发展阶段。这一时期的研究内容有：地热换热器换热计算模拟，水平埋管换热器夏季瞬态工况数值模拟，地热换热器合理间距的理论分析，土壤冻结对地热换热器传热的影响，地热换热器间歇运行工况分析等[4]。1991年，高祖锟教授以计算机模拟程序为依托，运用有限差分法对地下盘管工质温度和地下温度场进行模拟计算，克服了由于各地区土壤条件引起的难以确定地下温度场的设计难题[5]。1991年，马太一教授发表期刊论文《热泵系统自动变频调速容量调节研究》，公布其对混合工质热泵循环节能及高温压缩式变速容量调节进行的研究[6]。20世纪年代90年代，张坤峰等人利用长江流域丰富的地表水作为蓄能和传热介质，以井为竖直埋管形式，提取土壤热量作为热泵系统冬季供暖热泵来研究埋管尺寸、水循环形式、工作状况的不同对热泵运行参数和性能的影响[7]。孙纯武等人对1998年建成的双层水平埋管地源热泵系统进行冬夏季间歇运行测试级过渡季大地温度场恢复测试，得出影响地源热泵的因素有埋管尺寸、土壤参数、热泵运行方案及季节性气温波动等，并指出地源热泵的冬季供暖效果和夏季制冷效果随着满层深度的增加而提高[8]。天津大学的王景刚，马一太等人依据经典的圆柱源理论，在考虑埋管井内热阻和热流变化对计算时刻温度影响的基础上，建立了耦合地面热泵机组和地下埋管换热器特性的模拟模型[9]。2004年，刁乃仁指出将地下水源热泵系统、地表水热泵系统、地下耦合热泵系统为基础的地源热泵系统应用于建筑中，不仅可以实现在不同季节对建筑物进行供热和制冷，还可以利用人废热提供生活用水[10]。马宏权、龙惟定在《地埋管地源热泵系统的热平衡》中分析了地源热泵地埋管换热器热平衡问题的产生于影响，并结合实际项目进行分析测试。2011年，河北省地热资源热泵系统开发研究所专家刘金生在辽宁营口市奥林匹克中心以地下水回灌循环利用综合技术为指导，进行地源热泵无压回灌并获得成功，解决了阻碍地源热泵推广的瓶颈——回灌问题[11]。
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- 国外研究现状
1912年，瑞士人Zoelly首次提出了以土壤作为热泵热源的设想，标志着“地源热泵”这个概念的提出。同年，瑞士人成功安装了一套以河水为媒介的用于供暖的热泵设备并申报专利，这是世界上最早的地源热泵。1930年，Hal Dane在他的著作中报道了1927年安装的一台以氨为循环工质、环境为低温热源的用于取暖和加热生活用水的实验家用热泵。1946年起，美国对地源热泵系统进行了十二个项目的研究，并于同年在俄勒冈州的波特兰市中心区安装美国第一台地源热泵系统，标志着地源热泵成功运用于建筑中。1948年，L.R.Ingersoll提出将埋地盘管的中心轴线视为线热源，以定值与周围土壤进行热交换的线热源模型[1]。1948年，Carslaw和Jaeger提出圆柱热源模型。1953年，美国电力协会的研究表明，以上这些实验还没有提供可用于地下换热器的设计方程[2]。由于地下金属埋管的腐蚀问题及土壤埋管传热的计算等问题都没有解决较好地解决，这一时期的地源热泵研究并未大规模应用于实际生产中，直至经济危机的出现，人们才又一次将目光转向了清洁的可再生能源——地热能。20世纪70年代末，由于进水温度的扩大，闭式环路地热交换器取代了之前的热交换器[3]。1993年，国际地源热泵协会（IGSHPA）Oklahoma State University的Spiteler教授对地源热泵系统系统模型的模拟、地源热泵系统的优化与控制及单井地下水热源热泵系统等进行了深入的研究。进入21世纪，愈演愈烈的能源危机使各国都更加重视以可再生清洁能源——地热能为依托的地源热泵的研究。
2.地源热泵空调系统研究的目的和意义
地源热泵技术是最近这些年快速发展的一种比较成熟的供暖制冷技术 地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性,，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时,它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。进入90年代后，我国的居住环境和工业生产环境都已广泛应用热水供应装置。热水供应装置已成为现代学校居住必备，90年代中期，由于大中城市电力供应紧张，供电部门开始重视需求管理开始削峰填谷，热泵供热技术提到了议事日程。近年来，由于能源结构的变化促进了地源热泵供热机组的快速发展。随着生产和科技的不断进步，人类对地源热泵供热技术也进行了一系列的改进、同时也在积极研究环保、节能、保护环境及趋向自然的舒适环境必然是今后发展的主题。
3.地源热泵空调系统设计的内容
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