地源热泵研究文献综述

地源热泵研究文献综述

作者：郭月明张春月王珂

来源：《中国科技博览》2013年第22期

[摘要]地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称低能，包括地下水、土壤或地表水等），通过输入少量高品位能源，实现低温位热能向高温位转移的高效节能空调系统。笔者主要通过网络搜索和图书馆阅读收集了大量关于地源热泵的文献期刊，通过总结过去几十年里国内外专家学者关于地源热泵的研究成果分析地源热泵研究中关于地源热泵运行、管理方面存在的研究空间。

[关键词]地源热泵研究成果运行

中图分类号：TU831；文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）22-0002-01

随着经济的发展和人们生活水平的提高，建筑供暖和制冷已成为普遍要求。作为中国传统供热的燃煤锅炉不仅能源利用率低，还造成严重的环境污染。在技术和经济上都具有较大优势的地源热泵便显示出极大的可行性和实用性。

如今，国外学者较侧重于地源热泵应用于实际的开发和应用。由于起步较晚，我国学者对于地源热泵的研究主要侧重于理论分析和应用于实际的方法，应用并不普遍。

笔者主要通过关键字“地源热泵技术的发展”“地源热泵使用技术”等查阅相关期刊，并通过网络搜索，对国内外学者关于地源热泵的研究著作进行深入学习，在此基础上进行归类、整理和总结，提出其存在的研究空间。

下面，笔者将从国外和国内两个层次对学者们关于地源热泵的研究进行分析。

一、国外研究情况

1912年，瑞士人Zoelly首次提出以土壤作为热泵能源的设想，标志着“地源热泵”这个概念的提出。

同年，瑞士人成功安装了一套以河水为媒介的用于供暖的热泵设备并申报专利，这是世界上最早的地源热泵。

1930年，Hal Dane在他的著作中报道了1927年安装的一台以氨为循环工质、环境为低温热源的用于取暖和加热生活用水的试验家用热泵。

1946年起，美国对地源热泵系统进行了十二个项目的研究，并于同年在俄勒冈州的波兰特市中心区安装美国第一台地源热泵系统，标志着地源热泵成功运用于建筑中。

1948年，L.R.Ingersoll提出将埋地盘管的中心轴线视为线热源，以定值与周围土壤进行热交换的线热源模型[1]。

1948年，Carslaw和Jaeger提出圆柱热源模型。

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程[2]。

由于地下金属埋管的腐蚀问题及土壤埋管传热的计算等问题都没有得到较好的解决，这一时期的地源热泵研究并未大规模地应用于实际生产中。直至经济危机的出现，人们才又一次将目光转向了清洁的可再生能源——地热能。

20世纪70年代末，由于进水温度的扩大，闭式环路地热交换器取代了之前的热交换器[3]。

1993年，国际地源热泵协会（IGSHPA）在Oklahoma State University成立。其后，Oklahoma State University的Spitler教授对地源热泵系统模型的模拟、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进行了深入的研究。

进入21世纪，愈演愈烈的能源危机使各国都更加重视以可再生清洁能源——地热能为依托的地源热泵的研究。

二、国内研究情况

我国最早研究地源热泵的是天津大学、天津商学院等。

上世纪50年代，天津大学的吕灿仁教授最早研究地源热泵，并于1965年研制出国内第一台水冷式热泵空调机。

随后，同济大学、湖南大学等也相继建立了地源热泵实验装置，地源热泵的研究达到了新的发展阶段。这一时期的研究内容有：地热换热器换热计算模拟、水平埋管换热器夏季瞬态工况数值模拟、地热换热器合理间距的理论分析、土壤冻结对地热换热器传热的影响、地热换热器间歇运行工况分析等[4]。

1991年，高祖锟教授以计算机模拟程序为依托，运用有限差分法对地下盘管工质温度和地下温度场进行模拟计算，克服了由于各地区土壤条件不同而引起的难以确定地下温度场的设计难题[5]。

1991年，马一太教授发表期刊论文《热泵系统自动变频调速容量调节研究》，公布其对混合工质热泵循环节能及高温压缩式变速容量调节进行的研究[6]。

20世纪90年代，张坤峰等人利用长江流域丰富的地表水作为蓄能和传热介质，以井为竖直埋管形式，提取土壤热量作为热泵系统冬季供暖热泵来研究埋管尺寸、水循环方式、工作状况的不同对热泵运行参数和性能的影响[7]。

孙纯武等人对1998年建成的双层水平埋管地源热泵系统进行冬夏季间歇运行测试及过度季大地温度场恢复测试，得出影响地源热泵的因素有埋管尺寸、土壤参数、热泵运行方案及季节性气温波动等，并指出地源热泵的冬季供暖效果和夏季制冷效果随着埋层深度的增加而提高[8]。

天津大学的王景刚、马一太等人依据经典的圆柱源理论，在考虑埋管井内热阻和热流变化对计算时刻温度影响的基础上，建立了耦合地面热泵机组和地下埋管换热器特性的模拟模型[9]。

2004年，刁乃仁指出将以地下水源热泵系统、地表水热泵系统、地下耦合热泵系统为基础的地源热泵系统应用于建筑中，不仅可以实现在不同季节对建筑物进行供热和制冷，还可以利用废热提供生活热水[10]。

马宏权、龙惟定在《地埋管地源热泵系统的热平衡》中分析了地源热泵地埋管换热器热平衡问题的产生与影响，并结合实际项目进行分析测试[11]。

2011年，河北省地热资源开发研究所专家刘金生在辽宁营口市奥林匹克中心以地下水回灌循环利用综合技术为指导，进行地源热泵无压回灌并获得成功[12]，解决了阻碍地源热泵推广的瓶颈——回灌问题。

随着科学技术的进步，地源热泵技术已逐渐趋于成熟。但查阅相关资料后，笔者发现关于地源热泵应用过程中所遇到如由于回灌技术的不完善而对环境造成的影响及解决方案、初投资和回收期的问题、安装维护费用高等困难及解决方案的研究文献还较少，存在较大的研究空间。本研究旨在在归纳所查阅到的参考资料的基础上对以上问题进行更加深入的研究，使地源热泵这一对环境最友好和最有效的供热、供冷系统得到更长足的发展。

参考文献

[1] 刁乃仁，方肇洪.地源热泵优化设计地热换热器[J].建设科技，2004，（7）：32-33.

[2] 孙晓光，林豹，王新北.地源热泵工程技术与管理[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3] 张佩芳.国内外地源热泵的发展概况[J].江苏：GEOTHERMAL ENERGY ，2004.

[4] 王景刚，孙建平.地源热泵运行特性的影响因素研究[J].建筑科学，2004.