要真正使土壤源熱泵能夠取代傳統的空調系統,尚有眾多的核心技術問題有待進一步解決。從系統的角度分析,按微觀到宏觀的次序來看有下列問題需解決:

1、與熱泵裝置的耦合過程研究
研究與熱泵裝置的耦合過程的目的在于優化熱泵裝置子系統的性能。因采用土壤作為熱源,無論是冬季或夏季運行,熱泵系統的運行條件(室外側換熱器的工作點)都與傳統的空氣熱泵或一般的水源熱泵的工作點有一定的差別,從而引起整個熱泵系統的工作特性都隨著發生變化。具體說來就是在新的室外側換熱流體溫度下,應該如何配置相應的蒸發器、冷凝器、壓縮機乃至整個系統的部件,使熱泵的熱力循環性能最優、最大程度的發揮土壤源熱泵的節能潛力。因此有必要采用制冷系統熱動力學的方法。

2、土壤源熱泵的系統全年能耗的經濟分析
從土壤源熱泵的熱力系統圖上可以看出待研究問題的第三個層次是對整個熱泵系統的全年能耗分析。對于需要全年進行空調的場合,采用土壤源熱泵是否具有優越性的結論應該是基于全年能耗分析的結果而得到的。

這一點在確定土壤源熱泵的方案時尤為重要。對于不同的氣象條件及不同的建筑物功能需求,建筑物冬夏兩個季節的冷熱負荷可能是不一樣的。是應該優先考慮冬季采暖,夏季冷負荷的不足部分由傳統的空調系統(比如加裝冷卻塔)加以補充;還是以夏季冷負荷為基準,冬季采用輔助熱源的模式?應該在全年能耗分析的基礎上,全面考慮系統的初投資和運行費用,最終以投資回收期來作為判斷的依據。

因此只有在能夠對地下換熱器的換熱過程以及熱泵系統的動態熱特性有了一個較完備的認識和了解的基礎上,結合建筑物的全年動態負荷,才能使得土壤源熱泵的優越性得以充分的發揮,達到節能和環保的目的。

3、土壤中傳熱、傳質過程的研究
整個系統中處于最底層的是埋地換熱器次級子系統。在該系統中,主要關心的問題是埋地換熱器與周圍土壤的熱交換過程。由于土壤是一個由固態的土壤骨架、液態和氣態水以及空氣組成的多相分散體,目前大多數的研究中采用的簡單的復合不穩態導熱,將水分和空氣的輸運過程作用歸結為一導熱系數的附加值來描述土壤中的熱質耦合的作法顯然會帶來較大的誤差,相應的結果土壤源熱泵的埋地換熱器的尺寸偏大,熱泵裝置的初投資加大(埋地換熱器的成本一般占到熱泵系統總成本的20%-30%),無法與傳統的空調系統相抗衡。

因此亟待解決的方法是對埋地換熱器與土壤的熱交換過程采用更完善的數學模型進行描述,全面考慮傳熱和傳質過程。多孔介質流體力學方法可能是一個有力的工具。有研究者提出采用不可逆熱力學的方法來加以研究,也是一個頗有新意的可行的方法。還有研究者提出采用分形的方法來研究土壤中的導熱系數,有可能使數學模型得到簡化,使研究的難度降低。

研究土壤中的傳熱傳質過程的另一個目的,是希望能找到強化傳熱的新型填充材料,國外已有研究者從事過這方面的研究,并有相關報道。當然,最終的目的是一致的,就是要盡可能的減少土壤源熱泵埋地換熱器的初投資費用,但國內尚未見到類似的研究報道。

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