1、地源熱泵國(guó)外研究現(xiàn)狀地源熱泵的定義：地源熱泵以地球表面淺層土壤作為熱源（熱匯） ， 常將傳統(tǒng)空調(diào)的冷凝器（或蒸發(fā)器） 中需要排放（或吸收） 的熱量通過中間介質(zhì)（通常是水）作為載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過大地循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行冷熱交換的目的。根據(jù)地下?lián)Q熱介質(zhì)的不同地源熱泵可分為三類：一 是 與 巖 土 換 熱 的 地 下 耦 合 熱 泵 系統(tǒng)（ ground-coupled heat pump， GSHP，也叫土壤源熱泵） ；二是與地下水換熱的地下水熱泵系統(tǒng)（ ground-water heat pump， GWHP）； 三是與地表水換熱的地表水熱泵系統(tǒng)（ surface-wat

2、er heatpump， GSHP）。 美國(guó)采暖、 制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì) （ ASHRAE ）在 1997 年將地源熱泵以往的各種名稱 統(tǒng) 一 稱 為 地 源 熱 泵 （ ground-sourceheatpump， GSHP） 2 。考慮道地下水熱泵和地表水熱泵受地下水文地質(zhì)條件和建筑周邊環(huán)境條件的限制要多于地下耦合熱泵，運(yùn)用的廣泛性均小于地下耦合熱泵，故而本文中的地源熱泵是指地下耦合熱泵（或稱土壤源熱泵） 。工作原理：在制冷工況時(shí)， 空調(diào)房間的冷負(fù)荷連同壓縮機(jī)的功所轉(zhuǎn)化的熱量被排入大地。室外埋管換熱器 1 與換熱器2（此時(shí)換熱器2 在熱泵機(jī)組中起冷凝器的作用）之間通過管道連接成一個(gè)封閉的回

3、路，在水泵 7的作用下，水在回路中往復(fù)循環(huán)，在換熱器2（冷凝器）中吸收制冷劑的熱量，通過室外埋管換熱器1 傳入大地；在供熱工況時(shí)，從壓縮機(jī) 5 出來(lái)的制冷劑經(jīng)換向閥8作用換向，此時(shí)換熱器2 轉(zhuǎn)換成為熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，循環(huán)水流經(jīng)室外埋管換熱器1時(shí)吸收大地中的熱量，在換熱器2（蒸發(fā)器）中釋放給制冷劑。在室內(nèi)側(cè)，同樣既可以通過水的循環(huán)進(jìn)行熱量傳遞，也可以使制冷劑直接流經(jīng)房間換熱器6 與空氣進(jìn)行熱交換。2 殷平 , 地源熱泵在中國(guó) , 現(xiàn)代空調(diào) , 2001（ 3）3 肖益民 , 何雪冰 , 劉憲英 . 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工方法及應(yīng)用實(shí)例, 現(xiàn)代空調(diào) , 2001（ 3）1. 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀

4、1912 年，瑞士的H Zoelly首次提出利用淺層地?zé)崮埽ǖ卦茨埽┳鳛闊岜孟到y(tǒng)低溫?zé)嵩吹母拍睿捎诋?dāng)時(shí)一次能源充足，用熱泵供暖的社會(huì)需求不足，導(dǎo)致熱泵技術(shù)沒有得到重視和發(fā)展。直到1948 年， Zoelly的專利技術(shù)才真正引起普遍的關(guān)注，尤其是歐地源熱泵國(guó)外研究現(xiàn)狀洲和美國(guó)。 20 世紀(jì) 50 年代，美國(guó)和歐洲國(guó)家開始研究和利用地源熱泵，但當(dāng)時(shí)能源價(jià)格較低，使用熱泵系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因而沒有得到推廣。1974 年以來(lái)，由于石油危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)境的惡化， 引發(fā)了人們對(duì)新能源的開發(fā)和利用，因此開始了地源熱泵的研究和利用。這一時(shí)期歐洲建立了許多采用水平盤管地下?lián)Q熱器的土壤源熱泵系統(tǒng)的研究平臺(tái)。自 19

5、74 年起，瑞典、瑞士、荷蘭等國(guó)政府資助的示范工程逐步建立起來(lái)，地源熱泵技術(shù)也日趨完善。 從熱泵技術(shù)來(lái)說(shuō)， 此時(shí)的地源熱泵系統(tǒng)大多直接利用地下水作為冷熱源，因此對(duì)地下水溫度有一定要求，而且當(dāng)時(shí)的技術(shù)相對(duì)粗糙，甚至不設(shè)置回灌井。20 世紀(jì) 70 年代末到 90 年代初，美國(guó)開展了冷熱聯(lián)供地源熱泵的研究工作。這一時(shí)期，地源熱泵技術(shù)飛速發(fā)展并趨于成熟。美國(guó)的地源熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠家也十分活躍，成立了全國(guó)地源熱泵生產(chǎn)商聯(lián)合會(huì)， 并逐步完善了工程安裝網(wǎng)絡(luò)， 成為世界上地源熱泵機(jī)組生產(chǎn)和使用的大國(guó)。圖 .1990 年、 1995 年和 2000 年美國(guó)地?zé)嶂苯永帽容^從圖 2 中可以看出1990 年、1995

6、 年和 2000 年地?zé)嶂苯永弥校?地源熱泵占有很大的比例，約為 59%，而且發(fā)展很穩(wěn)定，平均年增長(zhǎng)率約為 7.7%。 1997 年已安裝 12kW 的地源熱泵 4 萬(wàn)臺(tái)， 2000 年時(shí)有 40 萬(wàn)臺(tái)左右，預(yù)計(jì) 2010 年總裝機(jī)量可以達(dá)到 150 萬(wàn)臺(tái)。目前地源熱泵在美國(guó)應(yīng)用最多的還是學(xué)校和辦公樓， 大約有 600 多萬(wàn)所學(xué)校安裝了地源熱泵， 主要集中在中西部和南部地區(qū)，地源熱泵技術(shù)真正的商業(yè)應(yīng)用是從最近幾十年開始的。我國(guó)具有較好的熱泵科研成果與應(yīng)用基礎(chǔ)，20 世紀(jì) 50 年代，天津大學(xué)的熱能研究所最早開展了熱泵方面的研究工作，并于1965 年研制了我國(guó)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)組。我國(guó)對(duì)土

7、壤源熱泵的研究始于20 世紀(jì) 80 年代，國(guó)內(nèi)的科研工作者相繼展開地源熱泵的研究和試驗(yàn)工作， 各種試驗(yàn)研究工作主要由各大學(xué)進(jìn)行。雖然我國(guó)對(duì)地源熱泵的研究和應(yīng)用較晚， 但發(fā)展勢(shì)頭很好， 地源熱泵發(fā)展已列入國(guó)家新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)地源熱泵國(guó)外研究現(xiàn)狀展十五規(guī)劃。 1978 年 -1999 年，中國(guó)制冷學(xué)會(huì)第二專業(yè)委員會(huì)舉辦了9 屆 “全國(guó)余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”，在 2001 年寧波召開的全國(guó)熱泵和空調(diào)技術(shù)交流會(huì)和2002 年在北京召開的國(guó)際熱泵會(huì)議上，國(guó)內(nèi)外有關(guān)人士開始關(guān)注中國(guó)這個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ拇笫袌?chǎng)。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)加強(qiáng)了地?zé)嵩礋岜玫膽?yīng)用研究力度，自行研究和生產(chǎn)地源熱泵機(jī)組的廠家已達(dá)幾十家

8、，如山東的富爾達(dá)、北京的中科能等。另外國(guó)外很多知名公司已經(jīng)在中國(guó)設(shè)立了銷售部。目前我國(guó)地源熱泵工程正逐年增加，并取得了初步效果。但從總體上看， 中國(guó)地源熱泵的發(fā)展還不夠規(guī)范，基礎(chǔ)研究上還有待于進(jìn)一步完善，行業(yè)之間缺少必要的合作交流，這些因素都或多或少影響著這項(xiàng)技術(shù)的推廣。但是根據(jù)“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”的要求， 2008 年的北京奧運(yùn)會(huì)，在體育場(chǎng)館、運(yùn)動(dòng)員村等奧運(yùn)會(huì)建筑中將廣泛采用太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?，并將采用高效、清潔的常?guī)能源利用技術(shù)， 將在一定程度上代表了國(guó)際上最先進(jìn)的用能方式，其產(chǎn)生的效應(yīng)將直接影響北京市未來(lái)能源利用的發(fā)展方向。同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)其他地區(qū)地源熱泵的發(fā)展也將產(chǎn)生一定

9、的積極作用2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)土壤源熱泵的研究主要集中在地下?lián)Q熱器。1946 年，美國(guó)進(jìn)行了 12 個(gè)地下?lián)Q熱器的研究項(xiàng)目，這些研究項(xiàng)目測(cè)試了埋地盤管的幾何尺寸、管間距、埋深等，并將熱電偶埋入地下，測(cè)試了土壤溫度隨時(shí)間變化和受傳熱過程影響的情況。1953 年，美國(guó)電力協(xié)會(huì)的研究表明，以上這些試驗(yàn)還沒有提供可用于地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)方法。20世紀(jì) 50 年代初，英國(guó)安裝了用于住宅供暖的地源熱泵系統(tǒng)。1974年，歐洲實(shí)施了 30個(gè)工程開發(fā)研究項(xiàng)目，發(fā)展了地源熱泵的設(shè)計(jì)、安裝技術(shù)，并積累了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。1971年一 1978 年，美國(guó)進(jìn)行了多種形式地下?lián)Q熱器的測(cè)試，并引入太陽(yáng)能集熱器，組成混合土壤源熱

10、泵系統(tǒng)。 這一時(shí)期開始采用塑料盤管代替金屬盤管。美國(guó)和歐洲國(guó)家設(shè)計(jì)安裝的土壤源熱泵系統(tǒng)大多參照類似的已建工程設(shè)計(jì)安裝，另一些工程的設(shè)計(jì)則采用估算方法。目前，國(guó)外對(duì)土壤源熱泵的研究仍集中在地下?lián)Q熱器的傳熱性能上。地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)、計(jì)算模型約 30 多種，對(duì)所有模型的建立，關(guān)鍵是求解巖土溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，其基本模型有 2 種： 線熱源模型， 圓柱熱源模型。目前，國(guó)內(nèi)外的熱泵產(chǎn)品主要以風(fēng)冷熱泵和地源熱泵為主，輸出溫度大于 60，以地源或低溫地?zé)崴?(50以下 )為熱源的高溫地源熱泵在國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)單位在研制，如中科院廣州能源研究所、天津大學(xué)、清華大學(xué)等，廣州能源研究所以于2001年初率先推出了最高出水溫度可達(dá)75 的高溫地源熱泵機(jī)組， 并在近兩年里由其下屬公司一北京中科能源高科技有限公司，在北京、廣州等地成功實(shí)施了十余個(gè)工