1概述
地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。因此，目前在国内空调行业引起了人们广泛的关注，希望尽快应用这项新技术。现在尚未见到有关地源热泵技术设计手册供设计人员使用，但又不能等待设计手册出版后才使用地源热泵技术。笔者从实践角度对中小型地源热泵空调工程设计程序进行深讨，供同行讨论。
地源热泵技术的关键是地下换热器的设计。本文将着重探讨有关地下换热器的问题。
2地源热泵地下换热器的形式
众所周知，热泵机组的热源有空气源、水源、土壤源等。
土壤源热泵空调也叫地源热泵空调，就是在地下埋设管道作为换热器，管道与热泵机组连接形成闭式环路，管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下（供冷工况），或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热（供热工况）。
土壤源热泵换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。
3竖直埋管换热器型式
最常用的竖直埋管换热器就是由垂直埋入地下的U型管连接组成。
3.1竖直埋管深度
竖直埋管可深可浅，须根据当地地质条件而定，如20m、30m……直到200m以下。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。例如天津地区地表土壤层很厚，钻孔费用相对便宜，宜采用较深的竖直埋管，因深埋管的成本低、换热性能好、并可节约用地。
3.2竖直埋管材料
埋管材料最好采用塑料管，因与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择，如DN20、DN25、DN32等。
3.3竖直埋管换热器钻孔孔径及回填材料
竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。
根据地质结构不同，钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。
回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。
4竖直埋管换热器中循环水温度的设定
竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时，由于蓄热地温提高，机组运行时水温不断上升，停机时水温又有所下降，当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反，由于取热地温下降，当建筑物失热最多时，换热器中水温达到最低点。
设计时，首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度，因为这个设定和整个空调系统有关。如夏季温度设定较低，对热泵压缩机制冷工况有利，机组耗能少，但埋管换热器换热面积要加大，即钻孔数要增加，埋管长度要加长。反之温度设定较高，钻孔数和埋管长度均可减少，可节省投资，但热泵机组的制冷系数cop值下降，能耗增加。设定值应通过经济比较选择最佳状态点。笔者认为埋管水温应如下设定：
4.1热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7—12℃，与普通冷水机组相同。地埋管中循环水进入U管的最高温度应<37℃，与冷却塔进水温度相同。
4.2热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。
我们知道风机盘管供热能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷负荷大于冬季热负荷，所以风机盘管的选型是以夏季冷负荷选型、冬季热负荷校核。采用地源热泵空调冬季供热时，可根据冬季热负荷实际情况，让风机盘管冬季也满负荷运行而反算出供热水温度，此温度要小于常规空调60℃的供水温度（大约供水为40℃左右）。将此温度定为热泵机组冬季供水温度。供回水温差取7～10℃。
地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3—4℃。当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。
5换热面积与综合传热系数
5.1换热面积
一般换热器换热面积计算公式为：
……………………⑴
式中：
Q—换热器换热量w；
K—传热系数w/m·℃；
ΔT—对数温差℃。
5.2综合传热系数
地埋管换热器用以上公式计算很不方便，因为很难确定其换热面积。
竖直埋管换热器可以假设为“线热源”模型。引入综合传热系数进行计算，则较为简单、方便。
这里，将以某一流经地埋管换热器内的流体介质与大地初始温度每相差1℃，通过单位长度换热管，单位时间所传递的热量定义为综合传热系数K。
……………………⑵
式中：
K—综合传热系数w/m℃；
Q—换热器单位时间换热量，Q=Cm(t进-t出)W；
L—换热管有效长度m；
TP—流体介质平均温度，℃；
T进—U型管换热器进水温度℃；
T出—U型管换热器出水温度℃；
C—水比热4.180KJ/Kg·k；
m—水的质量流量kg/s；
Td—地温℃。
地温是恒定值，可通过测井实测。有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4℃左右。天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。
影响竖直埋管综合传热系数的因素有：地理位置、地质构造、埋管深度、埋管材料及管径、钻孔直径及回填材料、管中水的流速、热泵运行方式（连续运转还是间断运转）。
综合传热系数k可通过测井测得。由公式⑵可以看出，做一个地面钻孔与预计工程应用完全相同的U型竖直埋管，人为制作冷、热源，通入冷、热水，测出各个参数带入公式⑵即可计算出综合传热系数。
测井也可测出U型竖埋管出水温度T出。
综合传热系数K在系统运行初期波动值较大，系统运行一段时间后其值趋于一稳定值。我们通过实测K值波动在一个较小的范围内，在目前数据资料较少情况下可取波动平均值作为计算数据误差不会太大。
6竖直埋管地源热泵空调的设计
6.1确定设计参数与热泵机组
6.1.1计算建筑物空调夏季冷负荷及冬季热负荷。
6.1.2确定夏季冷水的供回水温度及地埋管进出水温度，进而确定机组中工质的夏季蒸发温度及冷凝温
度。
6.1.3计算冬季风机盘管的供水温度，取回水温度比供水温度低7～12℃。设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。
6.1.4由建筑物空调夏季冷负荷、机组蒸发温度和冷凝温度,以及冬季热负荷和冬季机组蒸发温度和冷凝
温度，就可以进行热泵机组的选型设计，或将参数提供给生产厂家，由厂家制造热泵机组。
6.1.5确定热泵机组型式（活塞机、螺杆机、蜗旋压缩机等），查出或计算出
该机组在夏季埋管水温最高时和冬季埋管水温最低时工况下的COP值。
6.2计算夏季总放热量和冬季总吸热量
6.2.1夏季竖直埋管换热器总放热量等于建筑总冷负荷加上埋管最高水温时机组消耗功率（机组消耗功率等于夏季冷负荷除以埋管最高水温时的COP值）。
6.2.2冬季竖直埋管换热器总吸热量等于建筑物总热负荷减去埋管最低水温
时机组所消耗的功率（机组消耗功率等于冬季热负荷除以埋管最低水温时COP值）。
6.3计算竖直埋管总长度
6.3.1夏季竖直埋管总长度计算
①夏季换热温差DTx8C
DTx=Tx-Td……………………⑶
式中：
Txü夏季竖直埋管内最高设计平均水温8C；
Tdü地温8C。
②夏季每米竖直埋管散热量qxW/m
qx=Kx·DTx……………………⑷
式中：
Kxü夏季综合传热系数W/m8C。
③夏季竖直埋管换热器埋管总长度Lxm
……………………⑸
式中：
Q夏—建筑物夏季总冷负荷W；
A—安全系数，取1.1-1.2。
6.3.2冬季竖直埋管总长度计算
①冬季换热温差DTD8C
DTD=Td-TD……………………⑹
式中:
TDü冬季竖直埋管内最低设计平均水温8C。
②冬季每米竖直埋管散热量qDW/m
qD=KD·DTD……………………⑺
式中：
KDü冬季综合传热系数W/m8C。
③冬季竖直埋管换热器埋管总长度LDm
……………………⑻
式中：
Q冬—建筑物冬季总热负荷W；
A—安全系数取1.1-1.2。
6.3.3确定竖直埋管换热器埋管总长度
以上计算取LX、LD二者中较大数值为本工程埋管总长度Lm。
6.4计算竖直埋管数量并确定布置形式
6.4.1竖直埋管数量计算
……………………⑼
式中:
n—U型竖直埋管个数；
H—竖直埋管设计有效深度m；
L—埋管总长度m。
6.4.2竖直埋管布置形式
结合工程场地可一字型布置、L型布置或矩阵型布置均可，根据测试结果分析,U型竖直埋管间距以5—6m为宜。
6.5确定竖直埋管水流速度与水泵选型
6.5.1确定水流速
试验显示，竖直埋管中如提高水流速度则换热量可适当增加，但增加量不与流速提高量成比例。竖直埋管中水流应为紊流状态，流速太快会增加循环水泵能量消耗，流速取1m/s左右为宜。
6.5.2确定水泵型号
流速确定后计算循环水流量及压力损失即可选择循环水泵的型号。
7结论
7.1地源热泵空调是节能、环保、对地下水无污染，并不影响地面沉降的好形式。特别是竖直埋管地源热泵更具有诸多优点，应予推广。
7.2采用土壤钻孔的综合传热系数法，可简化地源热泵的传热计算。
7.3竖直埋管地源热泵空调的设计步骤，为设计人员提供了一种设计方法，有利于提高设计速度，并减少设计失误。
参考文献
1、曾淼等，地源热泵地下U型管换热器实验研究，全国暖通空调制冷1998年学术年会《论文集》，P371；
关键词：长江中下游地区；夏季；极端降水量；时间演变；空间分布
中图分类号：S166文献标识码：ADOI：10.11974/nyyjs.20170631064
1长江中下游地区夏季极端降水与夏季降水量的关系
下图给出长江中下游地区1961―2010年夏季极端降水量的时间序列和对应50a夏季降水量的时间序列。由图1可以看出极端降水量与当年夏季降水量具有极相似的变化趋势，极端降水高值年对应降水总量大的年份，粗略地可以说明：极端降水的高低在一定程度上影响着夏季降水的丰沛程度。分别计算6个空间型代表台站的极端降水与夏季降水量的比值（表略），统计可得：长江中下游各个主要空间型的夏季极端降水在总降水中占有很大的比重，且略有地区差异。其中，两湖平原型比值达40%以上的多达19a，南部型达16a，运河流域型和沿海型达12a，入海型为11a，北方型仅5a；比值达50%除了北方型为1a，沿海型为8a、入海型为9a之外，其它3站均达12a。总体而言，在长江中下游地区夏季降水总量增加的情况下，极端降水的献率很大。造成各分区比率不同的原因可能与地理位置和地形有关，北方型居于内陆，周围大湖大河系统较之其它空间型小，来自东南海上的水汽在向陆地行进中逐渐减少；入海型和沿海型靠海，地势平坦，降水基数较大且年际间变化幅度不会过大，异常年份多是受台风等强天气系统影响。
2长江中下游地区夏季极端降水年际变化分析
下面给出长江中下游地区夏季极端降水量标准化距平序列与Mann-Kendall统计量曲线。由图2（a）可以看出，长江中下游地区夏季极端降水在80年代中期之前持续波动，整体以负距平为主；自80年代中期到20世纪末，极端降水距平呈持续上升走势，于1997年到达峰点值，进入20世纪90年代后极端降水正距平值明显大于负距平绝对值。另外，以±0.3的距平值为界限，易得出极端降水相对多年：1969、1980、1991、1995、1996、1998、1999、2002年共8年；极端降水相对少年：1963、1966、1967、1971、1978、1985年共6a。
图2（b）中UF曲线显示，长江中下游地区自20世纪80年代以来，夏季极端降水量呈增长趋势，并且从1995年开始上升趋势明显，曲线超过了α=0.05临界线，甚至于1998年持续超过0.001显著性水平（相应临界线值为|±2.56|）[19]，这表明长江中下游地区夏季极端降水量增加趋势是十分显著的。UF曲线与UB曲线相交于1988年且交点位于临界线之间，说明长江中下游地区夏季极端降水量20世纪90年代初的增多是一次突变现象，具体是1988年开始。
为了进一步了解长江中下游地区夏季极端降水量50a的趋势变化情况，采用线性倾向估计法，给出气候趋势系数[20]空间分布图来说明极端降水随时间的变化，和气候倾向率[21]的空间分布图来说明变化趋势上升下降的速率。由图3（a）相关系数可知，长江中下游地区夏季极端降水量除了湘北部、江西北部以及长江中下游东北部这3块极小区域表现为减小趋势之外，其余绝大部分区域均表现为增加趋势，其中江浙两省交界处的小部分区域增加相对而言显著（阴影区通过了0.05信度检验）。由图3（b）倾向率可以看出，长江中下游地区大部分区域50a来的夏季极端降水量的增加率大于10mm/10a，其中浙江平湖的增加最为显著，为37.3mm/10a。因此可知，1961―2010年长江中下游地区夏季极端降水量的6个主要空间型年际变化特征并不完全一致，除了湘北、赣北、长江中下游东北部的极小块区域极端降水量表现为减少外，其余区域均表现为增加趋势。
3结论
长江中下游区域6个主要空间型的夏季极端降水量年际变化特征并不完全一致，但从长期变化趋势来看，除了湘北、赣北、长江中下游地区东北部，这3块小区域的极端降水表现为减少外，其余区域均表现为增加趋势。
关键词日照；变化规律；山东莒县；1960—2009年
中图分类号P422.11文献标识码A文章编号1007-5739（2013）15-0271-01
随着人类活动的加剧，越来越多的学者密切关注其对天气气候变化的影响[1-2]。莒县气象站为国家基准气候站，也是鲁东南地区唯一的国家基准气候站，其位于暖温带亚湿润气候区，探测环境保护较好，资料序列时间长，对研究该地区的气候变化具有很好的代表性。为了给莒县当地农业生产的健康发展提供气象科技支持，研究1960—2009年莒县日照时数变化规律，揭示莒县气候变化特征，探讨其对农作物生长情况的影响。现将研究结果总结如下。
1资料来源及研究方法
研究所用的资料为1960年1月至2009年12月莒县国家基准气候站各月的日照时数等数据。利用日照数据分析其各个季节的变化规律特征[3-5]，其中季节划分如下：冬季（12月至翌年2月）、春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）。采用线性倾向的最小二乘法对日照时数的季节变化和年变化进行趋势倾向模拟。由于世界气象组织将日照时数定义为在一定时间太阳直接辐照度达到或超过120W/m2的那段时间的总和[6]。本文依据莒县太阳总辐射资料，分析了该地区太阳总辐射、各季度总辐射的变化趋势。
2结果与分析
2.1日照时数变化特征
2.1.1年日照时数变化。采用最小二乘法对年日照时数的气候变化趋势进行估算，并建立如下线性倾向方程：
f（t）=at+b（1）
式（1）中，f（t）为日照时数逐年变化值；a为年日照时数的线性趋势（a0表示年日照时数呈上升趋势）；t为变化年数。
将各月日照时数数据进行计算，模拟年日照时数的变化趋势，求得其气候倾向方程如下：
f（t）=-13.9t+2726.5（t=0，1，2，3，…，49）（2）
计算结果表明：近50年来，莒县的年日照时数呈明显下降趋势，该时间段内年平均日照时数达2385.9h，年平均递减13.9h，降幅近0.6%。1998年以来年日照时数在明显的波动中呈下降趋势，1960年的日照时数为近50年最多年份（2827.8h），较平均值偏多441.9h，而2008年的日照时数为近50年最少年份（1864.3h），较平均值偏少521.6h。从5年日照时数滑动曲线（图1）可以看出，1960—1985年莒县年日照时数均高于50年平均值，而1986—2009年的年日照时数均低于50年平均值。
近年来，日照时数的减少不但受天气变化的影响，还受到大气垂直能见度降低的影响。尤其是生产中大量排放工业粉尘污染物，增加了大气浑浊度，直接影响光照强度的变化。日照时数的骤减必定影响到农作物的生长发育，导致农作物贪青现象的发生，甚至影响到农业种植结构的调整。
2.1.2各季度日照时数变化。通过各月日照时数求得各季度日照，再用线性倾向的最小二乘法模拟各季度日照时数的变化趋势，分别求得各季度日照时数气候倾向方程如下：
f（t春）=-2.31t+738.9（3）
f（t夏）=-5.02t+739.9（4）
f（t秋）=-2.95t+644.9（5）
f（t冬）=-3.28t+585.9（6）
式（3）～（6）中，f（t春）、f（t夏）、f（t秋）、f（t冬）分别表示春、夏、秋、冬日照时数季节变化值，t=0，1，2，3，…，49。比较各季度日照的变化可知：日照季节线性倾向变率在春、夏、秋、冬季4个季节均为负值，即春、夏、秋、冬季4个季节的平均日照时数均呈连续递减规律变化。其中夏季日照年变化率最大为-5.02h，春季日照年变化率最小为-2.31h，这说明春、夏、秋、冬季4个季度日照时数都有不同程度的减少趋势，尤其夏季年日照时数减少最明显。从莒县近50年各月平均日照时数的变化（图2）中可以看出，春季日照时数明显多于其他季节，夏季7月的日照明显少于其他2个月，这主要与春季降水少、7月是当地主汛期有关。
2.2太阳辐射变化分析
在水平面上，天空2π立体角范围内接收到的太阳直接辐射和散射辐射之和称为太阳总辐射。近年来莒县的年平均曝辐量达到5051.92MJ/m2，太阳总辐射线性变率为-19.74MJ/m2（年平均递减19.74MJ/m2，降幅达到近0.4%）；从各季度辐射量的变化来看，夏季呈明显的下滑趋势，年变化率最大为-16.26MJ/m2，这与年日照时数的变化趋势相同，同时也排除了人为因素的影响，如日照纸质量对日照迹线的影响。
3结论与讨论
分析结果表明，1960—2009年近50年来，莒县年日照时数呈现明显下降趋势，尤其是20年代80年代中、后期以来，年日照时数在明显的波动中呈下降趋势，年平均递减13.9h，降幅近0.6%。从日照时数的季节性变化来看，春、夏、秋、冬4个季节的日照时数均呈连续递减规律变化，尤其夏季年日照时数的递减最明显。日照时数的骤变必然会影响农作物的生长，导致部分农作物“贪青”现象的发生，甚至影响到农业生产种植结构的调整。总辐射年变化趋势与日照时数的变化趋势相同，也呈明显的下降趋势。
4参考文献
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