地源熱泵國外研究現(xiàn)狀

1、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，從而實現(xiàn)與大地進行冷熱交換的目的。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-coupledheatpump,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-waterheatpump，GWHP）；三是與地表水換熱的地表水熱泵系統(tǒng)（surface-waterheatpump,GSHP）。美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會（ASHRAE

2、）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，空調(diào)房間的冷負荷連同壓縮機的功所轉(zhuǎn)化的熱量被排入大地。室外埋管換熱器1與換熱器2（此時換熱器2在熱泵機組中起冷凝器的作用）之間通過管道連接成一個封閉的回路，在水泵7的作用下，水在回路中往復循環(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，從壓縮

3、機5出來的制冷劑經(jīng)換向閥8作用換向，此時換熱器2轉(zhuǎn)換成為熱泵機組的蒸發(fā)器，循環(huán)水流經(jīng)室外埋管換熱器1時吸收大地中的熱量，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與空氣進行熱交換。2 殷平,地源熱泵在中國,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)計施工方法及應用實例,現(xiàn)代空調(diào),2001（3）1. 國內(nèi)外應用研究現(xiàn)狀1912年，瑞士的HZoelly首次提出利用淺層地熱能（地源能）作為熱泵系統(tǒng)低溫熱源的概念，但由于當時一次能源充足，用熱泵供暖的社會需求不足，導致熱泵技術(shù)沒有得到重視和發(fā)展。直到

4、1948年，Zoelly的專利技術(shù)才真正引起普遍的關(guān)注，尤其是歐洲和美國。20世紀50年代，美國和歐洲國家開始研究和利用地源熱泵，但當時能源價格較低，使用熱泵系統(tǒng)并不經(jīng)濟，因而沒有得到推廣。1974年以來，由于石油危機的出現(xiàn)和環(huán)境的惡化，引發(fā)了人們對新能源的開發(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)的研究平臺自1974年起，瑞典、瑞士、荷蘭等國政府資助的示范工程逐步建立起來，地源熱泵技術(shù)也日趨完善。從熱泵技術(shù)來說，此時的地源熱泵系統(tǒng)大多直接利用地下水作為冷熱源，因此對地下水溫度有一定要求，而且當時的技術(shù)相對粗糙，甚至不設(shè)置回灌井。2

5、0世紀70年代末到90年代初，美國開展了冷熱聯(lián)供地源熱泵的研究工作。這一時期，地源熱泵技術(shù)飛速發(fā)展并趨于成熟。美國的地源熱泵機組生產(chǎn)廠家也十分活躍，成立了全國地源熱泵生產(chǎn)商聯(lián)合會，并逐步完善了工程安裝網(wǎng)絡(luò)，成為世界上地源熱泵機組生產(chǎn)和使用的大國。12345應用|1990年吋95年.2000年圖.1990年、1995年和2000年美國地熱直接利用比較從圖2中可以看出1990年、1995年和2000年地熱直接利用中，地源熱泵占有很大的比例，約為59%，而且發(fā)展很穩(wěn)定，平均年增長率約為7.7%。1997年已安裝12kW的地源熱泵4萬臺，2000年時有40萬臺左右，預計2010年總裝機量可以達到150

6、萬臺。目前地源熱泵在美國應用最多的還是學校和辦公樓，大約有600多萬所學校安裝了地源熱泵，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)應用是從最近幾十年開始的。我國具有較好的熱泵科研成果與應用基礎(chǔ)，20世紀50年代，天津大學的熱能研究所最早開展了熱泵方面的研究工作，并于1965年研制了我國第一臺水冷式熱泵空調(diào)機組。我國對土壤源熱泵的研究始于20世紀80年代，國內(nèi)的科研工作者相繼展開地源熱泵的研究和試驗工作，各種試驗研究工作主要由各大學進行。雖然我國對地源熱泵的研究和應用較晚，但發(fā)展勢頭很好，地源熱泵發(fā)展已列入國家新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展十五規(guī)劃。1978年-1999年，中國制冷學會第二

7、專業(yè)委員會舉辦了9屆“全國余熱制冷與熱泵技術(shù)學術(shù)會議”，在2001年寧波召開的全國熱泵和空調(diào)技術(shù)交流會和2002年在北京召開的國際熱泵會議上，國內(nèi)外有關(guān)人士開始關(guān)注中國這個很有發(fā)展?jié)摿Φ拇笫袌觥＝鼛啄陙韲鴥?nèi)加強了地熱源熱泵的應用研究力度，自行研究和生產(chǎn)地源熱泵機組的廠家已達幾十家，如山東的富爾達、北京的中科能等。另外國外很多知名公司已經(jīng)在中國設(shè)立了銷售部。目前我國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技術(shù)的推廣。但是根據(jù)“綠色奧運、科技奧運、人文奧運”的要求，2

8、008年的北京奧運會，在體育場館、運動員村等奧運會建筑中將廣泛采用太陽能、地熱能等可再生能源，并將采用高效、清潔的常規(guī)能源利用技術(shù)，將在一定程度上代表了國際上最先進的用能方式，其產(chǎn)生的效應將直接影響北京市未來能源利用的發(fā)展方向。同時對國內(nèi)其他地區(qū)地源熱泵的發(fā)展也將產(chǎn)生一定的積極作用2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對土壤源熱泵的研究主要集中在地下?lián)Q熱器。1946年，美國進行了12個地下?lián)Q熱器的研究項目，這些研究項目測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，測試了土壤溫度隨時間變化和受傳熱過程影響的情況。1953年，美國電力協(xié)會的研究表明，以上這些試驗還沒有提供可用于地下?lián)Q熱器的設(shè)計方

9、法。20世紀50年代初，英國安裝了用于住宅供暖的地源熱泵系統(tǒng)。1974年，歐洲實施了30個工程開發(fā)研究項目，發(fā)展了地源熱泵的設(shè)計、安裝技術(shù)，并積累了運行經(jīng)驗。1971年一1978年，美國進行了多種形式地下?lián)Q熱器的測試，并引入太陽能集熱器，組成混合土壤源熱泵系統(tǒng)。這一時期開始采用塑料盤管代替金屬盤管。美國和歐洲國家設(shè)計安裝的土壤源熱泵系統(tǒng)大多參照類似的已建工程設(shè)計安裝，另一些工程的設(shè)計則采用估算方法。目前，國外對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、計算模型約30多種，對所有模型的建立，關(guān)鍵是求解巖土溫度場的動態(tài)變化，其基本模型有2種：線熱源模型，圓柱熱源模型。目前，國內(nèi)外的熱泵產(chǎn)品主要以風冷熱泵和地源熱泵為主，輸出溫度大于60C,以地源或低溫地熱水（50C以下）為熱源的高溫地源熱泵在國內(nèi)只有少數(shù)幾個單位在研制，如中科院廣州能源研究所、天津大學、清華大學等，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75C的高溫地源熱泵機組，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、廣州等地成功實施了十余個工程項目，涉及