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要真正使土壤源熱泵能夠取代傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng),尚有眾多的核心技術(shù)問題有待進一步解決。從系統(tǒng)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(yōu)化熱泵裝置子系統(tǒng)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(tǒng)的運行條件(室外側(cè)換熱器的工作點)都與傳統(tǒng)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(tǒng)的工作特性都隨著發(fā)生變化。具體說來就是在新的室外側(cè)換熱流體溫度下,應該如何配置相應的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機乃至整個系統(tǒng)的部件,使熱泵的熱力循環(huán)性能最優(yōu)、最大程度的發(fā)揮土壤源熱泵的節(jié)能潛力。因此有必要采用制冷系統(tǒng)熱動力學的方法。

2、土壤源熱泵的系統(tǒng)全年能耗的經(jīng)濟分析
從土壤源熱泵的熱力系統(tǒng)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(tǒng)的全年能耗分析。對于需要全年進行空調(diào)的場合,采用土壤源熱泵是否具有優(yōu)越性的結(jié)論應該是基于全年能耗分析的結(jié)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(jié)的冷熱負荷可能是不一樣的。是應該優(yōu)先考慮冬季采暖,夏季冷負荷的不足部分由傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)(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(chǔ)上,全面考慮系統(tǒng)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(jù)。

因此只有在能夠?qū)Φ叵聯(lián)Q熱器的換熱過程以及熱泵系統(tǒng)的動態(tài)熱特性有了一個較完備的認識和了解的基礎(chǔ)上,結(jié)合建筑物的全年動態(tài)負荷,才能使得土壤源熱泵的優(yōu)越性得以充分的發(fā)揮,達到節(jié)能和環(huán)保的目的。

3、土壤中傳熱、傳質(zhì)過程的研究
整個系統(tǒng)中處于最底層的是埋地換熱器次級子系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,主要關(guān)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(tài)的土壤骨架、液態(tài)和氣態(tài)水以及空氣組成的多相分散體,目前大多數(shù)的研究中采用的簡單的復合不穩(wěn)態(tài)導熱,將水分和空氣的輸運過程作用歸結(jié)為一導熱系數(shù)的附加值來描述土壤中的熱質(zhì)耦合的作法顯然會帶來較大的誤差,相應的結(jié)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(tǒng)總成本的20%-30%),無法與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)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(shù)學模型進行描述,全面考慮傳熱和傳質(zhì)過程。多孔介質(zhì)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(shù),有可能使數(shù)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(zhì)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(guān)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(nèi)尚未見到類似的研究報道。

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