日本地源热泵的研究与应用现状

2025-03-10 00:17:30

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回答1：

戴传山

（天津大学地热研究培训中心）

一年一度的日本冷冻空调学会（JSRAE Annual Conference）于2002年11月在红叶满开的日本冈山大学举行。冈山大学工学部传热教研室是这次大会的组织者，作为该教研室即将毕业的博士留学生，我有幸协助组织并参加了这次大会。大会共宣读了173篇论文，其中18篇与地热有关，约占论文总数的10%，会议论文的内容主要包括：①对地源热泵发展的回顾；②相关的基础及软科学研究；③地下水式、桩式等地源热泵和空调系统；④利用地热进行道路融雪；⑤地源蓄冷及土壤冻结。

1 地源热泵的发展与回顾

在对世界及日本地源热泵发展的回顾中，北海道大学长野克则教授在引用J.W.Lund的数据同时对美国、欧洲和澳大利亚的地源热泵的发展现状及市场特点进行了分析。基于2000年的数据表明美国是地源热泵普及最多的国家，全国安装负荷量为480万千瓦，相当于安装12千瓦的机组40万台，约占世界总安装量的68%。其中垂直式井下热交换器是最多的一种形式，占46%；而水平式其次约占38%；开放式换热器并不多，只占15%。

尽管日本的电价是柴油价格的4～5倍，远高出瑞典的1.8倍，但瑞典的总安装负荷却是日本的近百倍，而且大部分的地源热泵系统是兼供热水式。在奥地利，2000年仅一年内安装的2000多台热泵当中有超过70%是以地源作为热源。在日本地源热泵受到重视是在1990年以后。主要是在四国岛及九州地区的空调和道路融雪等规模的利用。最近，日本国土资源省在其东北部成立了以环境产业研究所科技力量为中心的道路融雪项目计划，项目实施以来收到很好的效果。

日本作为经济实力第二的火山岛国，地热资源丰富，地热能的开发利用落后于许多欧洲国家甚至一些亚洲的其他发展中国家。这一事实引起日本国内许多学者和机构的注意。预计在今后几年里，日本可能在地热利用方面将有较大的投入。

2 相关的基础研究及软科学研究

如果把地源热泵的研究归结为简单的半无限大固体内的线源导热问题，最早的研究可以追溯到至少半个世纪以前。而实际上，地源热泵是涉及许多学科的复杂问题。其中难点之一是如何确定地表的边界条件。在这个问题上大阪大学的奥野博信等学者提出一个描述地表水，水蒸气及热量等平衡关系的数学及物理描述模型，并与实测结果有很好的吻合。在该模型中主要考虑了太阳的辐射、风速及环境空气的温度和湿度等参量。

另一个有趣的研究是利用国土资源数据进行关于地域性的地下水层蓄热和回收的研究论文。该论文以北海道札幌市为研究对象，利用有关札幌市内的地下、地上相关数据进行大都市的地下水层内采用蓄热和取热的技术可行性。这一研究成果可以宏观上了解蓄热和用热的区域分布，从而可以提供地源热泵的规模，并对控制大都市的热岛现象提出理论依据和对策。作者认为，严格地讲，这是一个比较复杂的动态模拟问题，也是一个必须有政府机关介入的课题。

3 地下水式、桩式等地源热泵和空调系统

由于地源热泵的众多优点，一些日本中小企业公司开始组织开发和研制地源热泵系统的工作，尽管起步较晚，但已显示出所具有的潜力。在本次会上由日本名古屋Zeneral热泵股份有限公司和东京JMC地热工程有限公司合作，在日本及我国东北长春市安装了共近90马力的地源热泵机组。见表1。

表1 Zeneral热泵股份有限公司安装的机组

A/C：空调，H/W：供热水。1HP＝0.7457kW。

在长春安装的50马力的机组是由5台10马力的机组构成，出于实验的考虑，地源换热器是16根100m长，直径和材料各异的管材。机组的COP为2.7～3.3，供热温度在40℃左右。折合计算平均换热器管长取热约30W/m。

桩基式地源热泵系统有兼热源或冷源和建筑固基的双重效果。福井大学工学部对yi该系统进行了数值模拟和实验研究，也是日本国在该领域中的首次尝试。对面积为3693m²，桩根数（井下换热器）为70根的数值模拟计算表明，供热负荷可达到437.9GJ。供冷负荷也可达到近300GJ。相当于每根地基桩有41.08MJ/日的供热负荷。COP值可达到3.60～4.14。空调系统如图1所示。在经济上，对50冷吨规模的初投资与空气源热泵系统的初投资比增加不到15%。桩基式总投资为1720万日元，而空气源式约为1515万日元。尽管实验进行的不很顺利，但通所获得的实验数据进行分析，得到的结果是与空气源空调系统相比，在制冷时节能效果可提高12.1%，而供热时约26.7%。

利用地源热泵进行道路的积雪清除是日本比较早的地热研究项目。在这一方面比较有名的研究学者是茨城产总研的盛田耕二先生。最近，私人企业公司的研究人员也开始介入，这也许和日本最近实行的道路民营化政策有关。在北方寒冷的地区，由于积雪而造成的交通事故很多，且往往主要出现在转向较急的地方（图2）。

因此在某些关键地方采用地源热泵融雪系统很有必要。为了提高冬天时运行的工作效率，在夏季可以采用同一系统收集道路上的太阳辐射热能，蓄热到地下（图3）。对加热能力为56千瓦的机组来说，可以对面积为332m²的道路进行融雪，相当于170W/m²。如果每根井下换热器的有效长度为151m的话，所需的根数和返回井下换热器的流体温度有关，温度越低所需的根数越少（图4）。

图1 桩基式地源热泵系统

图2 采用地源热泵进行道路融雪系统

图3 冬季融雪运行模式（上）和夏季蓄热模式

图4 井下换热器入口温度与换热器根数及COP的关系

4 地源蓄冷及土壤冻结

由于土壤内还有水分，在低温下可以发生相变凝固而蓄冷。发生相变的潜热量占总蓄冷量的比例较大，因此，在一定程度上含水量的多少决定了蓄冷的能力。大阪精研公司对体积含水率为0.6m³/m³土壤的蓄冷机理进行实验和理论研究。包括冷媒的入口温度，埋管的排列方式等。在一般情况下，热回收系数可以达到80%以上。根据模拟实验的结果可以进行实际应用例子的预测：冷负荷：9～105kJ/h；每米管长的回收热：630kJ/mh。那么所需的管群用地圆半径R，根数N及管长的预测值（表2）。

表2 管群范围半径及管长

冻土过程在大多数情况下对建筑物或道路是有害的。然而，采用适当的技术条件可以发挥其有益的一面。大阪摄南大学环境工学部伊藤A提出了利用冻土技术实现地基坚固强化的设想。在冻土层的周围添加抽水蒸气的排气管。外围放置的排气管可以抑制由于冻土过程中水蒸气向冻土层的不断凝聚，从而达到一个传质动态的平衡，而内部水蒸气排气管可以起到在施工即将完成自然融解时的部分排气。作者指出：这一方案也可适用于地下污染的处理，因为伴随着水蒸气的流动，污染物的浓度也随之聚集，达到回收清除的目的。文中尽管给出了传质和内部压力的变化情况，但未给出相变过程中传热过程的描述。

5 结论与讨论

本文总结了去年在日本冷冻空调大会上日本在地源热泵研究上的进展。虽然是部分反映日本国地源热泵的研究和利用情况，但一定程度上反映日本国内关于该领域的前沿方向。利用地源作为热泵的热源或冷源要比空气源有更多的优越性。作者把采用地（土壤）源的空调系统的主要优点总结如下：

（1）有稳定的运行条件。从空调机的热源稳定性条件看，垂直式井下换热器优于水平式。土壤埋式优于湖泊等开放式。一般空气源热泵在－15℃以下较难启动，而地源井下换热器的出口温度一般都高于这一温度。

（2）能够利用季节性的蓄热和蓄冷。

（3）与空气源热泵相比有较高的COP。

以上介绍了许多应用实例，给出了一些经验数据或设计模型。但作者提醒读者最好不要照搬套用这些数据。正如上面在相关的基础及软科学研究一节中所阐述的，作为基本应用和模拟条件之一的地表边界条件仍然有人在研究。合理的设计取决于对许多因素的考虑。设计者也不必望而却步，因为许多热或物质的传递过程在一定条件下都有其极限或限制，只要了解这一条件下所对应的限制，也就掌握了设计主动。这就是所谓的设计标准问题，在这一方面国内也急需论证和设立。

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