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1、 本文由混混乐2217贡献13本课题的国内外研究状况131太阳能热泵1311国外20世纪50年代，太阳能热利用的先马区J0d 和Th e r k e l d 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195 8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。
2、Co m a k l i 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“” 。Ka y g u s u z 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“”。Ce r v a n t e s 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 To r t e s 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
3、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“。JPCh y n g 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。 OOz g e r 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Qu a a t u m (康特姆)公司的太阳能热泵热水器和美国 的So l a r Ki n g 系列太阳能热水泵是太阳
4、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。1312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p a g e 1提供50生活
5、热水，COP达到264285(冬)，26135(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10988m i 。在整个供暖测试期间，尽管 室外温度在一l O4之间变化，室内温度能够保持在1622之间(平均为1932)。热泵平均C OP达到255。”“。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 4550生活热水150升，每天耗电量约为i k Wh (夏)2k Wh (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
6、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。132地源热泵1321国外1912年，瑞士人佐伊
7、利( L z o ELLY)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(Ke l v i n )线源理论及IIl g e r s o l l 的圆柱源理
8、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p a g e 2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
9、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Ok l a h o m a St a t e Um v e r s i t y 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JE Bo s e “3、PD Me t z “1。、VC Me i ”及Es
10、k i l s o n 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Ok l a h o m a St a t e Un i v e r s i t y 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(w w w i e s h v a o k s t a t e e d u )。在此阶段， 除报道有关埋地换
11、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Ok l a h o m a St a t e Un i v e r s i t y 的以Sp i t l e
12、r 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Sp i f l e r 、C Ya v u z t u r k 、An d r e w DCh i a s s o n 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。1322田内自20世纪50年代以来，
13、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、p a g e 3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。19891993年，天津商学院的高
14、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。1 995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
15、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
16、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p a g e 4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
