日本地源热泵的研究和应用现状
(天津大学地热研究培训中心)
一年一度的JSRAE年会于2002年6月在日本冈山大学举行。冈山大学工学部传热系是本次会议的主办方。作为一名即将从本系毕业的博士生，我有幸帮助组织并参加了这次会议。大会共宣读论文173篇，其中与地热能相关的论文18篇，占论文总数的10%。会议论文的内容主要包括:①地源热泵发展综述；②相关基础和软科学研究；(3)地下水、桩式及其他地源热泵和空调系统；(4)利用地热能进行道路融雪；⑤地源冷库和土壤冻结。
1地源热泵的发展与回顾
北海道大学校长Nokeze教授在《世界和日本地源热泵发展回顾》中引用了J.W.Lund的数据，分析了美国、欧洲和澳大利亚地源热泵的发展现状和市场特点。根据2000年的数据显示，美国是地源热泵最普及的国家，全国安装负荷为480万千瓦，相当于安装40万台12千瓦的机组，约占世界总安装量的68%。其中立式地下换热器最多，占46%；水平型约占38%；开放式换热器不多，仅占15%。
虽然日本的电价是柴油的4 ~ 5倍，远高于瑞典(1.8倍)，但瑞典的总安装负荷是日本的近100倍，大部分地源热泵系统既是热水又是热水。在奥地利，2000年安装的2000多台热泵中，70%以上只以地源为热源。在日本，地源热泵在1990之后受到关注。在四国岛和九州主要用于空调和道路融雪。最近，日本国土资源部在其东北设立了道路融雪项目，以环境产业研究所的科技力量为中心。项目实施以来，收到了良好的效果。
日本作为经济实力第二的火山岛国家，地热资源丰富，开发利用却落后于许多欧洲国家，甚至亚洲其他一些发展中国家。这一事实引起了日本众多学者和机构的关注。据预测，在未来几年，日本可能会在地热利用方面投入大量资金。
相关基础研究和软科学研究
如果把地源热泵的研究归结为半无限固体中线源的简单导热问题，最早的研究至少可以追溯到半个世纪以前。实际上，地源热泵是一个涉及多学科的复杂问题。难点之一是如何确定曲面的边界条件。在这个问题上，大阪大学的小野博信等学者提出了一个数学和物理描述模型来描述地表水、蒸汽和热量之间的平衡关系，并与实测结果吻合良好。该模型主要考虑了太阳辐射、风速、环境空气的温度和湿度。
另一个有意思的研究是利用国土资源的数据，开展一个区域地下水层蓄热与回收的研究论文。本文以北海道札幌市为研究对象，利用札幌市的相关地下和地上数据，对大都市地下水层采用蓄热取热的技术可行性进行了研究。这一研究成果可以从宏观上了解蓄热量和耗热量的区域分布，从而提供地源热泵的规模，为控制城市热岛现象提供理论依据和对策。笔者认为，严格来说，这是一个复杂的动态模拟问题，也是政府机构必须涉及的课题。
3.地下水、桩和其他地源热泵和空调系统。
由于地源热泵的诸多优点，日本一些中小型公司开始组织地源热泵系统的开发和研究。虽然起步晚，但已经显示出潜力。在这次会议上，日本名古屋的Zeneral热泵株式会社和东京的JMC地热工程株式会社合作，在日本和中国东北的长春安装了近90马力的地源热泵机组。见表1。
表1泽能热泵有限公司安装的机组
空调，热水。1马力= 0.7457千瓦.
长春安装的50马力机组由5台10马力的机组组成。为便于实验，地源换热器为16管，长100米，不同管径，不同材质。机组的COP为2.7 ~ 3.3，供热温度约为40℃。热交换器管的平均长度约为30瓦/米
桩式地源热泵系统具有热源或冷源和建筑坚实基础的双重作用。福井大学工学部对yi系统进行了数值模拟和实验研究，这也是日本在该领域的首次尝试。面积为3693m2、70根桩(地下换热器)的数值模拟计算表明，供热负荷可达437.9GJ，供冷负荷也可达近300GJ。这相当于每个基桩的热负荷为41.08MJ/天。COP值可达3.60 ~ 4.14。空调系统如图1所示。经济上，50吨初投资与空气源热泵系统初投资之比小于15%。桩基型总投资654.38+0720万日元，气源型约654.38+0515万日元。虽然实验进行的并不顺利，但是对实验数据的分析表明，与空气源空调系统相比，制冷方面可以提高12.1%的节能效果，制热方面可以提高26.7%左右的节能效果。
利用地源热泵清除道路积雪是日本早期的地热研究项目。茨城工商研究所的Kenji Morita先生是这方面的著名研究学者。最近来自私企公司的研究人员也开始介入，可能与日本最近实施的道路私有化政策有关。在北方寒冷地区，因雪引发的交通事故较多，而且往往主要出现在急转弯的地方(图2)。
因此，有必要在一些重点场所使用地源热泵融雪系统。为了提高冬季的工作效率，可以使用相同的系统来收集道路上的太阳辐射热能，并在夏季将其储存在地下(图3)。供热能力为56 kW的机组，可以融化332m2面积的路面，相当于170W/m2。如果每个地下换热器的有效长度为151m，则所需数量与返回地下换热器的流体温度有关，温度越低，所需数量越少(图4)。
图1桩基地源热泵系统
图2使用地源热泵的道路融雪系统。
图3冬季融雪运行模式(一)和夏季蓄热模式。
图4地下换热器入口温度与换热器数量和COP的关系。
4地源冷库和土壤冻结
因为土壤中还有水，可以发生相变固化，低温蓄冷。相变潜热占总蓄冷量的比例很大，所以含水量在一定程度上决定了蓄冷量。大阪精工株式会社对体积含水率为0.6m3/m3的土壤的蓄冷机理进行了实验和理论研究。包括制冷剂入口温度、埋管布置等。一般情况下，热回收系数可以达到80%以上。根据模拟实验结果，可以预测实际应用实例:冷负荷:9 ~ 105 kj/h；每米管道长度的热回收:630kJ/mh。然后所需的管道组使用圆半径r、根数n和管道长度的预测值(表2)。
表2范围半径和管组长度
冻土过程在大多数情况下对建筑物或道路有害。但是，采用适当的技术条件可以发挥其有利的一面。大阪神南大学环境工程系伊藤A提出了利用冻土技术加固地基的想法。在冻土层周围增加一根抽水蒸气的排气管。放置在外围的排气管可以抑制冻土过程中水蒸气不断凝结到冻土层，从而达到传质的动态平衡，而内部的水蒸气排气管可以在施工即将完成自然融化时起到部分排气的作用。作者指出，这种方案也可以应用于地下污染的治理，因为随着水蒸气的流动，污染物的浓度也会聚集，从而达到回收和清除的目的。虽然给出了传质和内压的变化，但没有给出相变时传热过程的描述。
5结论和讨论
本文在去年的日本制冷空调会议上总结了日本地源热泵的研究进展。虽然部分反映了日本对地源热泵的研究和利用情况，但一定程度上反映了日本该领域的前沿方向。利用地源作为热泵的热源或冷源比空气源更有优势。作者总结了使用地(土)源空调系统的主要优点如下:
(1)经营状况稳定。从空调热源稳定性条件来看，垂直埋管换热器优于水平埋管换热器。土壤掩埋比湖泊等开放式要好。空气源热泵一般在-15℃以下难以启动，而地源地下换热器出口温度一般高于此温度。
(2)可以利用季节性蓄热和蓄冷。
(3)与空气源热泵相比，它具有较高的COP。
上面介绍了很多应用实例，并给出了一些经验数据或设计模型。但作者提醒读者，最好不要复制这些数据。如上文相关基础和软科学研究部分所述，作为基本应用和模拟条件之一的表面边界条件仍在研究中。合理的设计取决于对许多因素的考虑。设计者不必气馁，因为许多热量或物质传递过程在特定条件下都有其极限或局限性。只要他们明白了这种条件下相应的限制，就掌握了设计的主动权。这就是所谓的设计标准问题，也是国内急需论证和建立的问题。