太阳能—地源热泵系统论文文献综述参考

1．3本课题的国内外研究状况
1．3．1太阳能热泵
1．3．1．1国外
20世纪50年代，太阳能热利用的先马区J0d∞和Therkeld就提出了太阳能与热泵联合系统的有利性，
指出太阳能集热器与热泵的联合可以同时提高集热器效率与热泵的供热性能”…。随后，美国、日本
及澳大利亚等发达国家相继组织了大量的人力、物力与财力对其进行了深入的研究，取得了一系列
成果，并建立了一些示范工程，取得了照好的经济效益。日本的柳木政助于1958年设计并建造了典
型的双槽式太阳能热泵供(冷)暖系统；此外，日本还建造了木村太阳房、积水十三菱重工、永大十
夏普等多种具有SAHP供冷暖系统的太阳房…1。Comakli等开发了一套用于模拟带有储能装置的太阳
能热泵系统供热性能的动态模拟计算程序，并将计算值与实验值进行了对比“”。Kaygusuz针对带有
相变储能装置的混合太阳能热泵系统进行了大量的理论与实验研究，并基于部件模型建立了系统模
拟计算程序，实验验证显示：模拟值与实测值吻合较好“””’。Cervantes等针对直膨式太阳能热泵系
统进行了实验研究，并在此基础上对系统进行了烟分析，结果表明：系统中炯损失最大的部件为蒸
发器(太阳能集熟器)“”。E Tortes等在实验研究的基础上，利用效率最大化原则对直膨式太阳能热
泵系统中蒸发器与冷凝器的工作流体温度进行了优化，并对各部件的不可逆性损失进行了比较“…。
J．P．Chyng等对一整体型太阳能热泵热水器(ISAHP)进行了模拟，模拟中认为系统中除蓄热水箱以
外的各部件均处于准稳态过程，检测结果表明：模拟结果与实验值比较吻合…。OOzg％er等则综述
了现有的有关太阳能热泵系统的能量与烟分析方面的研究，并对系统中各部件的炯效率进行了分析
与比较…1。
近十年来，一些发展中国家，例如土耳其，罗马尼亚及印度尼西亚等国也相继做了大量的太阳
能热泵研究。国外的澳大利亚Quaatum(康特姆)公司的太阳能热泵热水器和美国的SolarKing系列
太阳能热水泵是太阳能热泵的典型产品…1。在应用方面，美国在阿尔布开克市、科罗拉多州、匹兹
堡、弗吉尼亚、华盛顿、纽约等地实施了多项SAHP供热系统的示范工程，其中有民宅、办公室、图
书馆、商业建筑、游泳池等，取得了较好的效果。
1．3．1．2国内
我国对太阳能热泵的研究起步较晚，所查得的相关文献及报道均在近十年内，而且至今也没有东南大学博士学位论文
形成产品。天津大学、青岛建筑工程学院，上海交通大学、东南大学等先后对太阳能热泵进行了实
验及理论研究，取得了一定的成果。天津大学对串联

式太阳能热泵供热水系统(采用真空管集热器)
进行了实验研究和理论分析，结果表明，该系统可以一年四季可靠运行，向用户提供50℃生活热水，
COP达到2．64～2．85(冬)，2．61～3．5(夏)[231。青岛建筑工程学院对串联式太阳能热泵供暖系统(采
用单层盖板的平板集热器)进行了实验研究，该系统采用自行设计的单层盖板内涂无光黑漆的钢制壳
体作为太阳能集热器，总有效集热面积10．988mi。在整个供暖测试期间，尽管室外温度在一lO～4
℃之间变化，室内温度能够保持在16～22℃之间(平均为19．32℃)。热泵平均COP达到2．55。”“。上
海交通大学对直膨式太阳能热泵热水器进行了试验研究，该热水器可全天候提供45～50℃生活热水
150升，每天耗电量约为ikWh(夏)～2kWh(冬)，其分体式结构尤其适合于高层或多层建筑；此外，
这种热水器在阴雨天可以照样工作，其工作形式转变为空气源热泵1””。东南大学针对典型的SAHP，
给出了系统各设备的能量平衡方程，分析了SAHP的供热性能系数。1，同时还对太阳能热泵热水器进
行了理论分析与实验研究‘一1。厦门大学基于有限时间热力学理论和集热器的线性热损模型，研究了
热阻及工质内部不可逆性对太阳能吸收式熟泵系统优化性能的影响，导出了系统的总性能系数和集
热器的最佳工作温度，所得结论可为太阳能热泵系统的优化设计提供理论依据”“；山东建筑工程学
院基于系统能量平衡关系，建立水一水与空气一水太阳能热泵加热水系统的数学模型，并利用该模
型进行了计算…1。
1．3．2地源热泵
1．3．2．1国外
1912年，瑞士人佐伊利(}L zoELLY)首次提出了利用土壤作为热泵热源的专利设想。1，标志
着地源热泵研究的开始。但是，直到二战结束后，才在欧洲与北美兴起对其大规模的研究与开发。
1946年，美国开始对地源热泵进行了十二个主要项目的研究，同年在俄勒冈州的波兰特市区中心建
成第一台地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵研究的第一次高潮。在此期间主要是对
地源热泵进行了一系列基础性的实验研究，包括对土壤源热泵运行的实验研究、土壤埋管换热的实
验测试及埋地盘管数学模型的建立，同时也对埋管热流理论方面作过研究，如经典的开尔文(Kelvin)
线源理论及IIlgersoll的圆柱源理论””，为后来的研究提供了理论与试验基础。然而。由于地源热泵
的高投资及当时廉价的能源资源，再加上当时地下金属埋管的腐蚀问题没有很好的解决及土壤埋管
传热计算的复杂性，这一阶段的研究高潮持续到20世纪50年代中期便基本停止了。
1973年，由于“能源危机”的

出现，促使欧美国家重新开始了对地源热泵的大规模研究。欧洲
在80年代初先后召开了5次大型的地源热泵专题国际学术会议。1974年起，瑞士、荷兰及瑞典等
国家政府资助的示范工程逐步建立起来，地源热泵生产技术逐步完善。瑞典在短短的几年中共安装
了1000多台(套)地源热泵装置，以用于冬季供暖；垂直埋管式地源热泵技术在七十年代末引入，
此后，各种型式的垂直埋管方式主要在瑞典、德国、瑞士和奥地利等国得到应用。美国从80年代初
开始，在能源部(DOE)的直接资助下由ORNL(橡树岭)、BNL(布鲁克黑文)等国家实验室和
Oklahoma State Umversity等研究机构对地源热泵开展了大规模的研究，为其推广起到了重要的作用。
此时地下埋管己由早期的金属管改为塑料管，解决了土壤对金属管的腐蚀问题。这一时期的主要工
作是对埋地换热器的地下换热过程进行研究，建立相应的数学模型并进行数值仿真，这些研究成果
反映在J．E Bose‘“3、P．D Metz“1。…、V．C Mei”…及Eskilson．P”…1等人的论文、研究报告以及由
ASHRAE””出版的她源热泵设计手册中。
进入90年代以来，地源热泵的应用与发展进入了一个全新快速发展的时期，其相关的研究可参
见文献‘””。此时，地源热泵在欧美的热泵市场份额约占3％，每年报道的地源热泵应用工程项目和
研究报告不断增加。1993年，在OklahomaStateUniversity成立了国际地源热泵协会(IGSHPA)，1996
年，该协会专门推出了报道地源热泵研究的期刊和网上杂志(—www．ieshva—．okstate．edu)。在此阶段， 除报道有关埋地换热器的强化传热外，还有大量的关于地源热泵实际工程运行的总结和已建成工程
的性能比较，研究热点依然集中在埋地换热器的换热机理，强化换热及热泵系统与埋地换热器匹配
等方面。与前一阶段单纯采用的“线热源”传热模型不同，最新的研究更多地关注相互耦合的传热、
10第一章绪论
传质模型，以便更好的模拟埋地换热器的真实换热状况。同时，对于适用于不同气候地区、不同用
途的混合地源热泵系统也在进行研究中。此外，对于热物性更好的回填材料的研究以及现场测试地
下土壤热物性的技术也正在开展之中。在此期间，北美Oklahoma State University的以Spitler教授为领
队的研究小组对地源热泵进行了大量的研究，内容涉及到了各种混合地源热泵系统的模拟与优化、
土壤特性参数现场测试技术、地源热泵系统的模拟、垂直u型埋管的数值传热模型、地源热泵系统
的优化与控制及单井地下水地源热泵系统等方面，其研究成果均反映在了Spifler、C Yavuzturk、
Andrew D．Chiasson等人的论文中。

国际最新研究动态表明，有关埋地换热器的传热强化、土壤源热
泵系统仿真及最佳匹配参数的研究都是地源热泵发展的“核心”技术课题，也是涉及多个基础学科
领域且极具挑战性的研究工作。
1．3．2．2田内
自20世纪50年代以来，我国便开始了对热泵技术的探索性研究，但主要集中在对空气源和水
源热泵的研制与开发利用上。80年代末，在国家自然科学基金的资助下，国内的许多学者开始了对
地源热泵的探索研究，主要的研究领域侧重于对地下水平埋管、垂直U型埋管、套管及螺旋型埋管
地源热泵的供热供冷性能的实验与理论研究。
据文献资料报道””1，国内最早的土壤源热泵研究开始于1989年，当时青岛建筑工程学院(现
青岛理工大学)同瑞典皇家工学院合作建立了国内第一个水平埋管土壤源热泵实验室，随后又在此
基础上建立了53米埋深单u型垂直埋管地源热泵实验台，并相继进行了供冷供热的实验与理论研
究。1989～1993年，天津商学院的高祖锟等人分别对朔料和铜管的水平蛇行管、螺旋型埋管土壤源
熟泵进行了冬季供暖和夏季空调的性能研究‘一1。这一阶段研究工作的主要内容是研究利用热泵技
术实现低温地热水采暖和探讨在我国利用地源热泵技术的可行性及一些基本的实验测试，而对埋地
换热器地源热泵的埋管换热机理和地源熟泵系统的运行性能则没有开展更多的研究。
20世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响及地源热泵自身所具备的节能与环保优势，这项
技术逐渐受到人们的重视，越来越多的国内科技工作者开始投身于此项研究。1995年，国家科技部
与美国能源部共同签署了《中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部能源效率和
可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书》，并于1997年又签署了该合作协议书的附件《中华
人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议一书》。其中，两
国政府将地源热泵空调技术纳入了两国能源效率和可再生能源的合作项目，并拟在中国的北京、杭
州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的建筑，以推广运用这种“绿色空调技术”，缓解
中国对煤炭与石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。2000年6月，美国能源部和中国国
家科委联合在北京召开地源热泵产品技术推广会，这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广
应用。自此以后，国内便开始了以土壤为热源的地源热泵的理论与实验研究的高潮，主要针对一百
米埋深以内垂直埋管及部分水平埋管地源热泵的理论与实验研究，土壤热物

性的研究和地源热泵示
范工程的实验研究。
华中科技大学从90年代开始，在国家自然科学基金的资助下先后进行了单、双层水平单管换热
的试验研究、地下浅层井水用于供暖空调的研究‘一1。天津大学的赵军、李新国等人对垂直u型及桩
埋管式地源热泵进行了大量的实验与理论研究，并以天津市梅江生态小区土壤源热泵科研工程实例
为背景，对u型垂直埋管式换热器进行了单管与多管实验测试与理论研究‘一1；重庆建筑大学的刘宪
英等人从1999年开始对浅埋竖直套管换热器及水平埋管换热器地源热泵的采暖、供冷进行了大量的
实验测试与理论研究，并采用系统能量平衡法，结合热传导方程建立了地下竖埋套管式换热器的传
热模型‘”“；湖南大学提出了蓄热水箱式土壤源热系统的概念，并利用数值模拟的方法，对夏季工
况下的传热特性进行分析，表明：对于间歇运行的空调系统，采用该系统和提出的运行模式运行时，
能使系统在夏季启动阶段以比较低的冷凝温度运行，以达到节能效果；同时还进行了多层水平埋管
的换热特性研究‘…。同济大学的张旭、周亚素等在UTC的资助下，对土壤及不同比例的土砂混合 物，在不同含水率，不同密度条件下的导熟系数及土壤源热泵的冬季供暖性能进行了实验研究‘～“。
山东建筑工程学院的方肇洪、刁乃仁、曾和义等人对埋管换热器传热模型进行了深入的研究，提出东南大学博士学位论文
了u型埋管换热器中介质轴向温度的数学模型及有线长线热源模型，同时对埋管现场土壤热特性参
数测试方法进行了一定的分析，并在图书管学术报告厅建立了地源热泵示范工程，进行了长期的运
行测试””’。吉林大学热能工程系的高青等人，对间歇运行地源热泵中土壤温度场的分布及其恢复
特性进行了实验研究与理论分析，得出间歇运行方式有利于提高效率“”“1；吉林大学建筑工程系于
2000年开始在长春市政府的协助下完成与日本NEDo机构合作的封闭循环式地能中央空调示范工程
项目，实现一个冬季采暖期和夏季制冷运行，获得令人满意的结果，在国内率先成功地开展了封闭
式地能利用系统的示范上程“””1。从2000年开始，北京工业大学对户式地源热泵机组及垂直u型埋
管地源热泵进行了一定的理论与实验研究“”…。河北建筑科技学院城建系土壤源热泵空调装置于
2001年8月在河北省邯郸市建成并投入运行，并设立了数据采集与控制系统，对地源热泵系统中的压
力、温度、流量及功率等进行测试““。此外，浙江大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学，西南交
通大学及中科院广

州能源研究所等科研单位也对地源热泵进行了一定的研究，取得了不少的成果。
《中国“十五”能源发展规划》把优化能源结构作为能源的重中之重，并强调中国必须在2l世
纪前20年实现能源消费结构以煤为主到以天然气为主的跨跃，实施以开发风力、太阳能、地热能为
主的可再生能源战略。2005年2月28日，在第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议上通过
了《中华人民共和国可再生能源法》，其中地源热泵被列为可再生能源利用专项技术支持的五大重
点领域之一。2005年底，国家建设部还专门制定并颁布实施了《地源热泵供暖空调技术规程》，所
有这些为地源热泵在国内的推广应用与发展提供了政策支持与技术保障。
1．3．3太阳能一地源热泵系统
1．3．3．1国外
自1940年人类开始进行地源热泵性能研究以来，国外大量科研工作者和工程技术人员对其进行
了广泛的数值分析和实验研究，并发展为埋地换热器与太阳能集热器联合或交替使用的太阳能一地源
热泵系统。将太阳能集热器和埋入土壤的盘管进行组合，使过多的太阳能能够储藏在土壤中，这一
设想是彭罗德(Penrod)于1956年首次提出的”“1。1962年，彭罗德描述了太阳能一地源热泵系统的
工作原理图，1969年，又给出了设计太阳能一地热源热泵系统的过程，包括太阳能集热器与埋地盘
管的设计“”““。随后，用于计算与热泵联合工作时集热器与埋地盘管的大小等参数的复杂理论也应
运而生。1977年，由于能源危机的出现，美国又重新开始致力于对土壤源热泵的研究，主要包括对
土壤盘管参数的测试及与太阳能集热器联合使用的混合系统的研究。1978～1981年间，美国布鲁克
海文国家实验室BNL(BrookhavenNational Laboratory)对带圆柱型地下储能罐的串联太阳能热泵
系统进行了实验与模拟研究，结果表明：在冬季采暖运行工况下，地下储能罐可以使太阳能熟泵工
作性能更稳定，且可以减小辅助热源装置的容量“”…。1979年，Bose-J．E等人对以u型埋管与地
下水井作为储能设备的太阳能热泵系统进行了实验研究，结果显示：u型土壤埋管及地热井均能为
太阳能热泵系统提供很好储能的效果，且能显著提高热泵系统的运行效率与稳定性“2”2”。1981年，
Oklahoma s忉_培University的Faisal对空气源热泵、地源热泵及太阳能一地源热泵进行了动态模拟研
究，结果显示：地源热泵在降低峰值负荷方面显示出最大的优势，而太阳能一地源热泵对于提高与
维持地热水井温度方面具有很大的帮助“…。1985年，ED．Lmd对用垂直埋管换热器作为季节性储
能装置的太阳能熟泵供热系统进行了

数值模拟，讨论了储能容积、储能介质、集热器面积及集热器
类型对系统性能的研究“”1。随着计算机的迅速发展，计算机模拟技术已广泛地应用于太阳能一地源
热泵的性能研究与设计中，M．Inani应用复数有限傅里叶变换CFFr(ComplexFinite FourierTransform)
与有限差分方法模拟分析了带有地下圆柱型与球型储能罐的太阳能供热系统的地下温度场分布，对
集热器面积、储能容器容积及埋深等因素对地下温度场分布的影响进行了比较分析“”“。
进入2l世纪，由于世界各国对能源与环境问题的更加重视，太阳能一地源热泵的研究得到了进
一步的发展。R．Yummtas对埋设于地表土壤中的半球形与垂直圆柱形水罐作为季节性蓄热装置的太
阳能热泵供热系统进行了分析与计算，结果显示：土壤类型对储能区域的瞬态温度场及热泵的年平
均COP的影响很大，且土壤导热性小有助于改善全年平均系统性能“…“。2003年，Aadrew
D．Chiasson与cenk Yavuztork首次用TRNsYs作为模拟平台，以BLAST负荷计算软件为基础，对带有太阳能集热器辅助加热的混合地源热泵系统进行了模拟研究，并以包括芝加哥、盐湖城、丹佛
及布法罗等在内具有不同气候特点的美国六个城市作为模拟地区进行了为期20年的模拟，结果表
明：在以采暖为主的地区，带有太阳能集热器的混合地源热泵系统在经济上是可行的，且具有明显
的节能效果“…；2005年，Onder Ozgener等人对一用于温室加热的带有内径为32mm，埋深为50m
的垂直u型埋管的太阳能一地热源热泵系统进行了实验研究与理论研究及炯分析“…1。2006年， rillat等针对一用于向180时个人住宅供暖空调及供生活热水的带有太阳能集热器辅助的地源热泵
系统进行了实验研究，实验中太阳能集热器主要用于供生活用热水，多余的则通过U型埋管储存于
土壤中，检测结果表明：供暖期热泵供热平均COP为3．75“…。
．3．3．2国内
国内在地源热泵方面做了大量探索性的研究，取得了一定的成果，且有一部分工程实例在投入
使用。但是专门对于以太阳能与土壤热作为热泵热源的太阳能．地热源热泵系统的研究很少。据文献
资料报道，天津商学院是国内第一个尝试进行太阳能一地热源热泵实验研究的单位，该校于1994年～
995年度采暖季节进行了太阳能热泵和土壤源热泵供暖运行性能的实验研究，实验结果为：太阳能
热泵平均供热率为2334瓦，平均供热系数为2．73，土壤热泵的相应参数为2298瓦和2．83，太阳能·土壤热泵的相应参数为2316瓦和2．78““…。哈尔滨工业大学对哈尔滨地区太阳能一土壤源热泵系统
供暖运行工况进行了模拟研究，得出哈

尔滨地区太阳能一土壤源热泵系统中太阳能保证率为50％～
70％左右“”“。青岛理工大学对青岛地区太阳能一土壤源热泵系统的交替与联合运行模式进行了理
论研究，得出青岛地区太阳能一土壤源熟泵系统在以一天为交替运行周期时太阳能热泵的运行时间
比例可控制在42％～58％，联合运行模式较单独土壤源热泵节能8．3％～14．5％““。河北工程大学
针对邯郸地区，在已有的地源热泵实验台上通过增设集热器，尝试进行了太阳能一地热源熟泵的实
验测试，结果表明：与单独地源热泵相比，采用太阳能辅助后可显著提高热泵的性能系数“”1。此外，
国内少量研究者也对SGSHPS可行性方面作过一些理论分析，均得出太阳能与地热源的结合可显著
提高地源热泵的性能，具有较好的经济性“”“。除此之外，国内其他有关太阳能一地热源泵系统方
面的研究，目前尚未见公开报道。
综合上所述国内外研究状况，地源热泵的研究当前非常活跃，且日趋走向成熟，太阳能热泵在
国外有一定的研究，国内较少；但在太阳能一地热源耦合熟泵系统方面的研究却相当少，仍处于初级
阶段，目前还没有形成一套完整的理论体系，还有很多的基础研究工作有待于完成。可应用的基础
数据尚不足，还不能为其应用与推广提供充足的理论依据。但是，已有的研究表明：太阳能一地熟源
热泵有明显的节能与环保效果，且其组合灵活、功能多及热源匹配性好，从而具有广阔的发展前景·
因此，当前必须大力加强其相关基础理论的研究，以进一步地推动其应用与发展，这进一步为本课
题的顺利开展提供了良好的机遇与背景。
1．4本课题的主要研究内容



本课题主要是在前人所做工作的基础上，针对太阳能一地热源热泵系统展开研究，将要解决太
阳能与地热能直接或间接通过熟泵提升后如何综合合理利用，以及建筑物供暖与空调的相关问题，
并在此基础上进行相应的实验研究。具体研究内容如下：
(1)分析太阳能一地热源热泵系统的工作原理、特点及其功能，给出其运行流程与运行方式，
并在此基础上指出其应用研究中有待解决的问题，为后文研究的开展指明方向。
(2)分析太阳能热源特性、太阳辐射的计算方法及太阳能集热器的结构与换热过程，建立太阳
能集热器与蓄热水箱的传热模型，以为系统运行特性的研究提供理论基础。
(3)对地下埋管换热器的传热过程进行深入的分析与研究，主要包括土壤换熟特性及其测定方
法、u型埋管换熟器传热模型的建立以及土壤冻结与地下水渗流对埋管换热特性的影响，以解决太
阳能一地源热泵系统

中地下埋管换热器的传熟问题，为系统相关研究奠定基础。
(4)基于多孔介质传热传质理论及地下水渗流理论，建立利用u型埋管进行太阳能跨季节性
土壤蓄热的地热储热模型，以探讨利用系统中现有的u型埋管钻孔进行太阳能土壤蓄热的可行性及
其蓄热特性。
(5)建立合适的水源热泵仿真模型，以为系统动态模拟中热泵性能的预测提供理论基础。
(6)建立交替运行时埋管周围土壤温度场分布模型，并以此为基础对太阳能一地热源热泵系统
的交替运行特性进行研究，以探讨交替运行中地下埋管周围土壤温度的分布与恢复特性，从而为交
替运行时太阳能与土壤热源承担时间的分配比例提供依据。
(7)基于部件单元模型建立太阳能一地源热泵系统的动态模拟计算程序，对同时使用太阳能与
地热能作为热泵热源的联合运行方式进行动态模拟，并对各种联合方式的运行特性进行分析与比较。
从而找出合适的运行方式，并在此基础上对其进行优化设计。
(8)在理论研究的基础上搭建太阳能一地热能综合利用多功能热泵实验系统，并利用该实验台
进行地源熟泵冬夏季采暖与空调工况运行特性实验、埋管停止取热后土壤温度自然恢复实验、利用
太阳能补热后土壤温度强制恢复特性实验、联合使用地热能与太阳能(储热水箱)作为热源的热泵
实验及过渡季节采用土壤作为蓄热体的太阳能一u型埋管跨季节性土壤蓄热特性实验等，以探讨系统
相关运行工况的运行特性，并为相关理论模型的验证提供实验依据。
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