地源热泵系统

土壤源热泵的国内外研究现状

近年来,随着土壤源热泵在国内的研究和应用日益广泛,它的节能应用特性受到了越来越多的关注,它的适用性和局限性也成为众多研究人员、设计师和业主关注的焦点,本文试图对国内外土壤源热泵的研究和应用现状做一客观的分析和展望。
 
  土壤热泵受人关注的特性显然来自于其可能的节能特性。它的起源可以追溯到1912 年瑞士人佐伊利(H.Zoelly)提出的关于利用土壤作为热源的专利设想:将热泵装置的室外侧制冷剂-空气换热器改为制冷剂-中间换热流体介质(水或其它抗冻液)-土壤换热器。由于土壤源热泵无需采用空气换热器时不可避免的融霜循环,同时由于土壤的蓄热特性,地表以下一定深度处的土壤相对于地表温度较高,因而热泵装置的COP 会更高,具有显著的节能特性。
 
  从土壤源热泵的实际应用情况来看,只要设计合理,它完全可以取代传统空调系统中的锅炉和冷却塔等对周围环境造成污染的装置,也具有显著的直接环保优势。当然,单从能够节能这一角度来看,采用土壤源热泵本身就具有间接的环保特性。正是具有上述两项特性,使得土壤源热泵在欧美等西方发达国家得到广泛的应用,目前已进入成熟的商品化、市场化的阶段。
 
  现在土壤源热泵的概念的外延已经极大的扩展了,不仅仅包括冬季采暖也包括夏季供冷的情况。对于室外侧直接或以土壤为热源或热汇(Heat source/sink)的系统都被称为土壤源热泵系统,我们可以从国外对土壤源热泵所采用的专业名词的最终统一看出这一趋势。
 
  土壤源热泵最初的术语有Ground source heat pump,Ground coupled heat pump,Earth Coupled Heat pump,Earthsource heat pump,Geothermal Heat pump等,现在采用Geothermal Heat Pump 的称谓占绝大多数,同时它还包括了以前以地下水和浅层地表水为热源或热汇的热泵装置。为方便计,本文仍然采用Ground Source Heat Pump一词。
 
  土壤源热泵的研究在国外大致可分为三个大阶段。
 
  尽管佐伊利早在1912 年就提出了土壤源热泵应用的思想,但大规模的应用直到二战结束以后,才在欧洲和北美兴起。土壤源热泵的许多基础性理论,包括至今仍被设计师们采用的“开尔文线源理论”等数学理论模型。同时还提供了大量的试验测试数据,为后来的研究提供了试验验证的基础。但第一波的研究高潮持续到20 世纪50 年代中期就在土壤源热泵的初投资较高、当时的廉价能源等多种因素的打压下基本上停止了。
 
  1973 年在欧美等国开始的“能源危机”重新促使人们对土壤源热泵研究的兴趣和需求,特别是北欧国家如瑞典等的兴趣。瑞典在短短的几年中共安装了土壤源热泵装置1000 多台套。美国从1977 年开始,重新开始了对土壤源热泵的大规模研究,最显著的特征就是政府积极支持与倡导。资料研究显示表明:几乎所有的研究都是在美国能源部的支持下,由美国的多所大学和ORNL,B N L 国家级重点实验室进行的。可以认为,土壤源热泵的大部分工作都在这一阶段完成并完成了商品化和大规模推广应用的准备工作。
 
  进入20 世纪90 年代,土壤源热泵的应用和发展进入了一个新的发展阶段。目前,土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有份额大约是3%。每年见诸报道的土壤源热泵实际应用工程项目和研究报告不断增加。
 
  1993 年成立了国际土壤源热泵协会(IGSHPA),1996年该协会专门推出了专门报道土壤源热泵研究的期刊和网上杂志(www.igshpa.okstate.edu)。土壤源热泵还开始应用于大型的商业建筑,其制冷/ 供热量也从几冷吨到几千冷吨不等。对350 多套商用土壤源热泵系统的调查表明[2]:土壤源热泵系统通过与水环热泵(Water Loop HeatPump)的结合使用,可以取得良好的节能效果,为土壤源热泵的的应用开辟了一个良好应用前景。1997 年的ASHRAE Technology Awards 就授予给了一个采用土壤源热泵系统的实际应用工程[3]。
 
  目前,以欧美为主要代表的土壤源热泵系统市场的主要研究工作,已经转向了土壤源热泵系统与整个空调系统的结合运行的研究及商业化、市场化中一些亟待克服的问题的解决。
 
  从检索到的1995~1999年间的EI(Engineering Index)中相关文献的结果来看,每年相关的文章和研究报告都在20 篇左右,而NITS(美国科技研究报告索引)中检索得到的结果显示1993 年至1998 年的研究报告(未公开发表)数量为51 篇,1999 年为9 篇。显然土壤源热泵系统的研究仍然有许多工作值得深化。