(天津大學地熱研究培訓中心)
壹年壹度的JSRAE年會於2002年6月在日本岡山大學舉行。岡山大學工學部傳熱系是本次會議的主辦方。作為壹名即將從本系畢業的博士生，我有幸幫助組織並參加了這次會議。大會共宣讀論文173篇，其中與地熱能相關的論文18篇，占論文總數的10%。會議論文的內容主要包括:①地源熱泵發展綜述；②相關基礎和軟科學研究；(3)地下水、樁式及其他地源熱泵和空調系統；(4)利用地熱能進行道路融雪；⑤地源冷庫和土壤凍結。
1地源熱泵的發展與回顧
北海道大學校長Nokeze教授在《世界和日本地源熱泵發展回顧》中引用了J.W.Lund的數據，分析了美國、歐洲和澳大利亞地源熱泵的發展現狀和市場特點。根據2000年的數據顯示，美國是地源熱泵最普及的國家，全國安裝負荷為480萬千瓦，相當於安裝40萬臺12千瓦的機組，約占世界總安裝量的68%。其中立式地下換熱器最多，占46%；水平型約占38%；開放式換熱器不多，僅占15%。
雖然日本的電價是柴油的4 ~ 5倍，遠高於瑞典(1.8倍)，但瑞典的總安裝負荷是日本的近100倍，大部分地源熱泵系統既是熱水又是熱水。在奧地利，2000年安裝的2000多臺熱泵中，70%以上只以地源為熱源。在日本，地源熱泵在1990之後受到關註。在四國島和九州主要用於空調和道路融雪。最近，日本國土資源部在其東北設立了道路融雪項目，以環境產業研究所的科技力量為中心。項目實施以來，收到了良好的效果。
日本作為經濟實力第二的火山島國家，地熱資源豐富，開發利用卻落後於許多歐洲國家，甚至亞洲其他壹些發展中國家。這壹事實引起了日本眾多學者和機構的關註。據預測，在未來幾年，日本可能會在地熱利用方面投入大量資金。
相關基礎研究和軟科學研究
如果把地源熱泵的研究歸結為半無限固體中線源的簡單導熱問題，最早的研究至少可以追溯到半個世紀以前。實際上，地源熱泵是壹個涉及多學科的復雜問題。難點之壹是如何確定曲面的邊界條件。在這個問題上，大阪大學的小野博信等學者提出了壹個數學和物理描述模型來描述地表水、蒸汽和熱量之間的平衡關系，並與實測結果吻合良好。該模型主要考慮了太陽輻射、風速、環境空氣的溫度和濕度。
另壹個有意思的研究是利用國土資源的數據，開展壹個區域地下水層蓄熱與回收的研究論文。本文以北海道劄幌市為研究對象，利用劄幌市的相關地下和地上數據，對大都市地下水層采用蓄熱取熱的技術可行性進行了研究。這壹研究成果可以從宏觀上了解蓄熱量和耗熱量的區域分布，從而提供地源熱泵的規模，為控制城市熱島現象提供理論依據和對策。筆者認為，嚴格來說，這是壹個復雜的動態模擬問題，也是政府機構必須涉及的課題。
3.地下水、樁和其他地源熱泵和空調系統。
由於地源熱泵的諸多優點，日本壹些中小型公司開始組織地源熱泵系統的開發和研究。雖然起步晚，但已經顯示出潛力。在這次會議上，日本名古屋的Zeneral熱泵株式會社和東京的JMC地熱工程株式會社合作，在日本和中國東北的長春安裝了近90馬力的地源熱泵機組。見表1。
表1澤能熱泵有限公司安裝的機組
空調，熱水。1馬力= 0.7457千瓦.
長春安裝的50馬力機組由5臺10馬力的機組組成。為便於實驗，地源換熱器為16管，長100米，不同管徑，不同材質。機組的COP為2.7 ~ 3.3，供熱溫度約為40℃。熱交換器管的平均長度約為30瓦/米
樁式地源熱泵系統具有熱源或冷源和建築堅實基礎的雙重作用。福井大學工學部對yi系統進行了數值模擬和實驗研究，這也是日本在該領域的首次嘗試。面積為3693m2、70根樁(地下換熱器)的數值模擬計算表明，供熱負荷可達437.9GJ，供冷負荷也可達近300GJ。這相當於每個基樁的熱負荷為41.08MJ/天。COP值可達3.60 ~ 4.14。空調系統如圖1所示。經濟上，50噸初投資與空氣源熱泵系統初投資之比小於15%。樁基型總投資654.38+0720萬日元，氣源型約654.38+0515萬日元。雖然實驗進行的並不順利，但是對實驗數據的分析表明，與空氣源空調系統相比，制冷方面可以提高12.1%的節能效果，制熱方面可以提高26.7%左右的節能效果。
利用地源熱泵清除道路積雪是日本早期的地熱研究項目。茨城工商研究所的Kenji Morita先生是這方面的著名研究學者。最近來自私企公司的研究人員也開始介入，可能與日本最近實施的道路私有化政策有關。在北方寒冷地區，因雪引發的交通事故較多，而且往往主要出現在急轉彎的地方(圖2)。
因此，有必要在壹些重點場所使用地源熱泵融雪系統。為了提高冬季的工作效率，可以使用相同的系統來收集道路上的太陽輻射熱能，並在夏季將其儲存在地下(圖3)。供熱能力為56 kW的機組，可以融化332m2面積的路面，相當於170W/m2。如果每個地下換熱器的有效長度為151m，則所需數量與返回地下換熱器的流體溫度有關，溫度越低，所需數量越少(圖4)。
圖1樁基地源熱泵系統
圖2使用地源熱泵的道路融雪系統。
圖3冬季融雪運行模式(壹)和夏季蓄熱模式。
圖4地下換熱器入口溫度與換熱器數量和COP的關系。
4地源冷庫和土壤凍結
因為土壤中還有水，可以發生相變固化，低溫蓄冷。相變潛熱占總蓄冷量的比例很大，所以含水量在壹定程度上決定了蓄冷量。大阪精工株式會社對體積含水率為0.6m3/m3的土壤的蓄冷機理進行了實驗和理論研究。包括制冷劑入口溫度、埋管布置等。壹般情況下，熱回收系數可以達到80%以上。根據模擬實驗結果，可以預測實際應用實例:冷負荷:9 ~ 105 kj/h；每米管道長度的熱回收:630kJ/mh。然後所需的管道組使用圓半徑r、根數n和管道長度的預測值(表2)。
表2範圍半徑和管組長度
凍土過程在大多數情況下對建築物或道路有害。但是，采用適當的技術條件可以發揮其有利的壹面。大阪神南大學環境工程系伊藤A提出了利用凍土技術加固地基的想法。在凍土層周圍增加壹根抽水蒸氣的排氣管。放置在外圍的排氣管可以抑制凍土過程中水蒸氣不斷凝結到凍土層，從而達到傳質的動態平衡，而內部的水蒸氣排氣管可以在施工即將完成自然融化時起到部分排氣的作用。作者指出，這種方案也可以應用於地下汙染的治理，因為隨著水蒸氣的流動，汙染物的濃度也會聚集，從而達到回收和清除的目的。雖然給出了傳質和內壓的變化，但沒有給出相變時傳熱過程的描述。
5結論和討論
本文在去年的日本制冷空調會議上總結了日本地源熱泵的研究進展。雖然部分反映了日本對地源熱泵的研究和利用情況，但壹定程度上反映了日本該領域的前沿方向。利用地源作為熱泵的熱源或冷源比空氣源更有優勢。作者總結了使用地(土)源空調系統的主要優點如下:
(1)經營狀況穩定。從空調熱源穩定性條件來看，垂直埋管換熱器優於水平埋管換熱器。土壤掩埋比湖泊等開放式要好。空氣源熱泵壹般在-15℃以下難以啟動，而地源地下換熱器出口溫度壹般高於此溫度。
(2)可以利用季節性蓄熱和蓄冷。
(3)與空氣源熱泵相比，它具有較高的COP。
上面介紹了很多應用實例，並給出了壹些經驗數據或設計模型。但作者提醒讀者，最好不要復制這些數據。如上文相關基礎和軟科學研究部分所述，作為基本應用和模擬條件之壹的表面邊界條件仍在研究中。合理的設計取決於對許多因素的考慮。設計者不必氣餒，因為許多熱量或物質傳遞過程在特定條件下都有其極限或局限性。只要他們明白了這種條件下相應的限制，就掌握了設計的主動權。這就是所謂的設計標準問題，也是國內急需論證和建立的問題。