地源热泵国外研究现状

地源热泵的定义：

地源热泵以地球表面浅层土壤作为热源（热汇），常将传统空调的冷凝器（或蒸发器）中需要排放（或吸收）的热量通过中间介质（通常是水）作为载体，并使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行冷热交换的目的。根据地下换热介质的不同地源热泵可分为三类：一是与岩土换热的地下耦合热泵系统（ground-coupled heat pump，GSHP，也叫土壤源热泵）；二是与地下水换热的地下水热泵系统（ground-water heat pump，GWHP）；三是与地表水换热的地表水热泵系统（surface-water heatpump，GSHP）。美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）在1997 年将地源热泵以往的各种名称统一称为地源热泵（ground-source heatpump，GSHP）[2]。考虑道地下水热泵和地表水热泵受地下水文地质条件和建筑周边环境条件的限制要多于地下耦合热泵，运用的广泛性均小于地下耦合热泵，故而本文中的地源热泵是指地下耦合热泵（或称土壤源热泵）。

工作原理：

在制冷工况时，空调房间的冷负荷连同压缩机的功所转化的热量被排入大地。室外埋管换热器1 与换热器2（此时换热器2 在热泵机组中起冷凝器的作用）之间通过管道连接成一个封闭的回路，在水泵7 的作用下，水在回路中往复循环，在换热器2（冷凝器）中吸收制冷剂的热量，通过室外埋管换热器 1 传入大地；在供热工况时，从压缩机 5 出来的制冷剂经换向阀8 作用换向，此时换热器 2 转换成为热泵机组的蒸发器，循环水流经室外埋管换热器 1 时吸收大地中的热量，在换热器2（蒸发器）中释放给制冷剂。在室内侧，同样既可以通过水的循环进行热量传递，也可以使制冷剂直接流经房间换热器 6 与空气进行热交换。

[2] 殷平, 地源热泵在中国, 现代空调, 2001（3）

[3] 肖益民, 何雪冰, 刘宪英. 地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例, 现代空调, 2001（3）

1.国内外应用研究现状

1912 年，瑞士的H．Zoelly 首次提出利用浅层地热能（地源能）作为热泵系统低温热源的概念，但由于当时一次能源充足，用热泵供暖的社会需求不足，导致热泵技术没有得到重视和发展。直到1948 年，Zoelly 的专利技术才真正引起普遍的关注，尤其是欧

洲和美国。20 世纪50 年代，美国和欧洲国家开始研究和利用地源热泵，但当时能源价格较低，使用热泵系统并不经济，因而没有得到推广。1974 年以来，由于石油危机的出现和环境的恶化，引发了人们对新能源的开发和利用，因此开始了地源热泵的研究和利用。这一时期欧洲建立了许多采用水平盘管地下换热器的土壤源热泵系统的研究平台。自1974 年起，瑞典、瑞士、荷兰等国政府资助的示范工程逐步建立起来，地源热泵技术也日趋完善。从热泵技术来说，此时的地源热泵系统大多直接利用地下水作为冷热源，因此对地下水温度有一定要求，而且当时的技术相对粗糙，甚至不设置回灌井。20 世纪70 年代末到90 年代初，美国开展了冷热联供地源热泵的研究工作。这一时期，地源热泵技术飞速发展并趋于成熟。美国的地源热泵机组生产厂家也十分活跃，成立了全国地源热泵生产商联合会，并逐步完善了工程安装网络，成为世界上地源热泵机组生产和使用的大国。

图.1990年、1995年和2000年美国地热直接利用比较

从图2中可以看出1990年、1995年和2000年地热直接利用中，地源热泵占有很大的比例，约为59%，而且发展很稳定，平均年增长率约为7.7%。1997年已安装12kW 的地源热泵4万台，2000年时有40万台左右，预计2010年总装机量可以达到150万台。目前地源热泵在美国应用最多的还是学校和办公楼，大约有600多万所学校安装了地源热泵，主要集中在中西部和南部地区，地源热泵技术真正的商业应用是从最近几十年开始的。

我国具有较好的热泵科研成果与应用基础，20世纪50年代，天津大学的热能研究所最早开展了热泵方面的研究工作，并于1965年研制了我国第一台水冷式热泵空调机组。我国对土壤源热泵的研究始于20世纪80年代，国内的科研工作者相继展开地源热泵的研究和试验工作，各种试验研究工作主要由各大学进行。虽然我国对地源热泵的研究和应用较晚，但发展势头很好，地源热泵发展已列入国家新能源和可再生能源产业发展十五规划。1978年-1999年，中国制冷学会第二专业委员会举办了9届“全国余热制

冷与热泵技术学术会议”，在2001年宁波召开的全国热泵和空调技术交流会和2002年在北京召开的国际热泵会议上，国内外有关人士开始关注中国这个很有发展潜力的大市场。近几年来国内加强了地热源热泵的应用研究力度，自行研究和生产地源热泵机组的厂家已达几十家，如山东的富尔达、北京的中科能等。另外国外很多知名公司已经在中国设立了销售部。目前我国地源热泵工程正逐年增加，并取得了初步效果。

但从总体上看，中国地源热泵的发展还不够规范，基础研究上还有待于进一步完善，行业之间缺少必要的合作交流，这些因素都或多或少影响着这项技术的推广。但是根据“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的要求，2008年的北京奥运会，在体育场馆、运动员村等奥运会建筑中将广泛采用太阳能、地热能等可再生能源，并将采用高效、清洁的常规能源利用技术，将在一定程度上代表了国际上最先进的用能方式，其产生的效应将直接影响北京市未来能源利用的发展方向。同时对国内其他地区地源热泵的发展也将产生一定的积极作用

2.国内外研究现状

国外对土壤源热泵的研究主要集中在地下换热器。1946年，美国进行了12个地下换热器的研究项目，这些研究项目测试了埋地盘管的几何尺寸、管间距、埋深等，并将热电偶埋入地下，测试了土壤温度随时间变化和受传热过程影响的情况。1953年，美国电力协会的研究表明，以上这些试验还没有提供可用于地下换热器的设计方法。20世纪50年代初，英国安装了用于住宅供暖的地源热泵系统。1974年，欧洲实施了30个工程开发研究项目，发展了地源热泵的设计、安装技术，并积累了运行经验。1971年一1978年，美国进行了多种形式地下换热器的测试，并引入太阳能集热器，组成混合土壤源热泵系统。这一时期开始采用塑料盘管代替金属盘管。美国和欧洲国家设计安装的土壤源热泵系统大多参照类似的已建工程设计安装，另一些工程的设计则采用估算方法。目前，国外对土壤源热泵的研究仍集中在地下换热器的传热性能上。地下换热器的设计、计算模型约30多种，对所有模型的建立，关键是求解岩土温度场的动态变化，其基本模型有2种：① 线热源模型，② 圆柱热源模型。

目前，国内外的热泵产品主要以风冷热泵和地源热泵为主，输出温度大于60℃，以地源或低温地热水(50℃以下)为热源的高温地源热泵在国内只有少数几个单位在研制，如中科院广州能源研究所、天津大学、清华大学等，广州能源研究所以于2001年初率先推出了最高出水温度可达75℃的高温地源热泵机组，并在近两年里由其下属公司一北京中科能源高科技有限公司，在北京、广州等地成功实施了十余个工程项目，涉及空调采暖、散热器采暖、热水供应、地热尾水热回收利用等多种形式，取得了良好的运行效果。国内对土壤源热泵的研究主要集中在以下5个方面：地下换热器的传热计算模型的建立，地下换热器传热计算的模拟研究，地下换热器的筛选及埋地盘管合理管间距的理论分析，土壤冻结对地下换热器传热的影响，地下换热器间歇运行工况的分析。