作者：高蓬辉
出版社：湖北科学技术出版社
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太阳能与地热能的耦合利用试读：
前言
面临化石类能源供应日趋紧张，开发新的能源及利用方式，成为当前国内外关注的焦点问题。太阳能和地热作为可再生能源，具有清洁环保、可以重复利用等优点，近年来，依托于热泵技术得到了大范围的应用和推广。但是围绕二者的高效耦合利用和地层储放能规律等基础问题的研究还很不完善，缺乏科学的指导和规范，一定程度上影响和制约了太阳能与地热耦合系统的普及应用。针对上述存在问题，本书围绕太阳能与地热能耦合系统进行了相关的论述和研究，主要内容如下。（1）介绍了导热和太阳能方面的相关概念和基础理论。（2）对不同含湿率的岩土传热特性进行了理论和实验研究，建立了地下含湿岩土非饱和传热计算模型。采用热源法分析研究了岩土含湿程度对其热传导特性的影响。分析表明，在岩土临界含湿量范围内，岩土的热传导特性随着岩土含湿量的增大而增强。岩土含湿率越大，温度响应越迅速，并且在热源的近端温度变化越剧烈，在热源的远端温度变化越缓慢。（3）在能量平衡和传热方程的基础上，建立了地层蓄热与释热的非稳态计算模型。分析了地层在蓄热与释热过程中，地下温度场的变化规律；比较了距离埋管不同距离处，沿深度方向的温度分布。研究表明，实际运行中，地层蓄热比地层取热的影响区域大；蓄热时，深部地层的温度低于靠近地表处地层的温度；地层释热时，深部地层的温度高于接近地表处地层的温度。（4）建立了能够反映地层蓄、放能的时空关系模型，明确了蓄、放能的数量、影响半径以及时间演化关系，揭示了地层蓄、放能的传播扩散规律。分析了地层储、放过程中能量与热作用半径和时间0之间的变化，确定当回灌流体状态参数为T，流量为G，地层中埋管∞管径为d，在某一时间τ内，半径为r，深度为z的岩土体的蓄热量或释热量。（5）根据太阳能与地热耦合能量系统组成和工作原理，结合有限时间热力学理论，在提出太阳能与地热耦合动态比的基础上，建立了不同供能条件下太阳能与地热的动态耦合关系模型。分析了耦合系统输入功率、低温换热器循环流量、高低温侧流体入口温降比、高温热源温度以及低温热源温度对耦合系统性能的影响，为太阳能与地热耦合系统的运行提供了理论指导和参考。（6）对不同供能条件下太阳能与地热耦合能量系统进行了相关的实验研究，同时对地热与太阳能耦合能量系统进行了技术经济性分析。其结果表明地热与太阳能耦合能量系统的投资回报要优于传统空气调节系统、传统集中供暖系统和电锅炉热水供应系统，具有较好的经济效益和生态效益。
随着太阳能和地热在供能方面的大力普及，相信本书将进一步促进该领域的向前发展，为探索新的能源利用途径和节能应用提供新的思路和方法。
本书在编写过程中得到了中国矿业大学力学与建筑工程学院周国庆教授的大力支持，黄建恩、张东海、冯伟、纪绍斌、王义江、万荣明等师生也对本书的编写提供了帮助。在此表示感谢！
限于水平，虽经努力，书中不足和错误仍在所难免，诚恳欢迎广大读者批评指正。著者2012年6月第一章太阳能与地热能现状及发展第一节背景
能源是人类生存发展的物质基础。为了避免能源危机的发生和生态环境的破坏，重视开发和利用清洁能源和可再生能源成为许多国家所采取的重要发展战略之一。太阳能、地热能、风能、海洋能、风能、海洋能以及生物能被称为“可再生能源”。自20世纪70年代以来，美、日和欧洲各国等开始大力发展可再生能源，并把可再生能源作为能源政策的基础。如美国早在1974年就通过“太阳能研究法案”，批准并建立基金进行太阳能的研究开发。瑞士能源法案规定可再生能源的税率比常规能源的税率低50%～75%。我国也将风能、太阳能、地热能和生物质能等可再生能源作为能源发展的明确目标，并于2006年1月颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利用的技术进步。国家发改委决定从2005年开始，设立可再生能源和新能源高技术产业化专项资金，主要用于风力发电、太阳能光伏发电、太阳能供热和地源热泵供热（制冷）、高温气冷堆示范电站和氢能利用等5个领域。
地热和太阳能作为可再生能源的主要能量资源，具有清洁环保、可以重复利用等优点，但一般情况下可再生能源的能量密度较低，而且存在间断性或不稳定性，在利用过程中需要结合其能量特点来具体实施以消除单一能源利用带来的不利因素，相互补充，发挥每种能源各自的优势以及提高其能源利用效率。近年来，地热与太阳能的综合利用成为可再生能源利用中所关注的焦点之一。
地源热泵作为利用地热资源的有效方式，是一种高效、节能、环保，有利于可持续发展的先进技术。瑞士Zoelly于1 9 12年首先提出“地热源热泵”的概念。美国于1946年在俄勒冈州建成世界第一个地源热泵系统并运行成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1994年，为了大力发展地源热泵，美国能源部（DOE）、电力研究所（EPRI）和美国环保署联合众多地源热泵厂家以及相关的实验室、大学进行了大量的科研攻关和技术开发，其中最著名的是“国家能源综合规划项目（NECP）”。到1997年美国安装地源热泵4.5万台，2000年已安装了45万台以上的地源热泵，预测2010年将增加110万套机组，总数将达到150万套。在欧洲，利用浅层地热资源来供热或取暖已较为普遍。在过去的几年，地源热泵系统每年新上机组速度均超过25%，其中2005年达到50%。国内20世纪50年代，天津大学的学者开始从事热泵研究；70年代后期，由于我国能源价格的特殊性，热泵在我国的发展一直较为缓慢；90年代后，国内对热泵的研究进入了一个高速发展期。中科院广州能源所、北京工业大学、西安交通大学、山东大学等机构在这一领域取得了一批成果。
太阳能以其取之不尽，安全、无污染等特点受到人们的重视。但是太阳能受环境等因素影响较大，热流密度低，导致各种形式的太阳能直接利用系统在应用上受到一定的限制。尤其在寒冷地区，单独利用太阳能对建筑物进行供暖，一般很难满足要求。热泵是通过消耗一定量的外功把热能从低温热源输送到高温热源的系统，按热源和热汇可分为水-水式热泵、水-空气式热泵、空气-水式热泵、空气-空气式热泵及土壤-水式热泵等。但由于土壤源热泵还存在一定的局限性，例如：土壤导热系数较小，热交换强度小，需要较大的换热面积，将受到实际应用场地的限制，特别是热泵长期连续从土壤取热，将会使土壤的温度场长期得不到有效恢复，从而造成土壤温度不断降低，降低了热泵机组的能效比（COP值或EER值）。同时传统地源热泵由于铺设的管路一般采用聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）等管材，在一定程度上影响了换热效果。
为了解决太阳能和土壤源热泵单独应用时存在的缺陷，我们提出太阳能-深部地热耦合热管式地源热泵混合系统，该系统将太阳能与地热很好的结合，太阳能可以提升地源热泵系统循环流体温度，提高运行效率；地热可以补偿太阳能的间歇性和不稳定性，弥补了单一太阳能热泵系统在阴雨、雪天以及夜晚时运行的缺点；同时，可以将富余的太阳能存储于岩土中，不仅可以起到恢复土壤温度的作用，而且可以减小其他辅助热源的容量。通过对不同条件下太阳能与地热在耦合利用过程中相互匹配、合理互补、高效利用等问题的研究，解决这一新型能量系统在实际应用中的基础理论问题和运行特性，促进我国在这一方面能量利用技术的发展。
通过研究将使我们了解和掌握地热在开采过程和热量回灌过程中，地下岩土温度场的变化规律，获得地热与太阳能在不同条件下的能量耦合特性，促进地热资源与太阳能的高效利用，为太阳能-深部地热耦合利用系统的高效利用提供理论基础和依据，采用热管进行热量的传递，为地热资源的采集和能量系统的简洁提供了新的途径和方法。第二节国内外研究现状及发展一、技术现状
地热能的开发利用有着悠久的历史，早在几千年前，人类就利用地热温泉治病洗浴。随着人类社会的不断发展，地热能开发利用的范围越来越广。在地壳中，地热的分布可分为可变温带、常温带和增温带。可变温带：受太阳和气候等影响较大，深度一般为15～20m，通过地表水的流动和太阳辐射热的共同作用，土壤表层的持续吸热率为22（能量密度）为20～40W/m，一般为25 W/m，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长周期的变化。常温带：温度变化幅度几乎为零，深度一般为20～30m。增温带：在常温带以下，温度随深度增加而升高。目前，国内外对地热的利用主要包括中低温和高温应用两个方面：中低温地热资源主要用于供热、地热空调、温泉医疗、干燥以及利用中等温度地热水通过双流体循环进行发电；高温地热资源主要来自于“干热型”高温岩石和“水热型”增压地热资源，可以直接用于发电。随着人类环保意识的增强以及国际社会“减炭”计划的实施，地[1、2]热资源在未来能源生产利用中将日趋重要。在浅层地热利用方面，主要是利用地下某一深度岩土温度的恒温，开发使用地源热泵系统。
我国地处北半球，幅员辽阔，大部分地区位于北纬45°以南，每年日照时间多在2 000h以上，根据全国700个气象站长期实测积累的882数据资料表明，我国各地年太阳辐射总量在34×10～84×10J/m，其82平均值约为58.6×10J/m。根据太阳辐射的多少，可以将我国分成5个区，表示5个热能等级，如图1-1，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等是太阳能丰富地区。图1-1 我国太阳能资源分布图
目前，国内外将太阳能与地热相结合，一方面利用地热资源，同时将土壤作为储热系统储集太阳能，为楼宇提供全年的生活用热水和[3]房间温度调节。这将是太阳能、地热、风能等可再生能源的发展方向，具有广阔的发展前景。20世纪70年代，欧洲对太阳能与地热组合系统进行研究，主要研究组合系统及部件性能测试方法及数值模拟方法、系统优化、系统的调查和推广3个方面的问题。20世纪60年代，Yanagimachi在日本的Tokyo, Bliss在美国的Arizona曾利用无盖板的平板集热器与地源热泵系统结合，设计了可制热和制冷的组合系统，但由于效率较低，初投资较大等原因没有推广。Sporn于1 955年第一次提出直膨式太阳能热泵概念，此后，以Chaturvedi等为首的国内外学[4～7]者对该系统进行了一系列的理论和实验研究，取得了大量成果。国内对太阳能-地热组合系统的研究始于20世纪80年代，如天津大学、东南大学、上海交通大学、山东建筑工程学院、哈尔滨工业大学等科研院所，对此进行了理论和实验研究，取得了一定的成果。天津[8]大学对串联式太阳能热泵供热水系统进行了理论和实验研究，该系统可以一年四季运行，COP值在制热时达到2.64～2.85，制冷时为2.61～3.5。山东青岛建筑工程学院自行设计了单层盖板内涂无光黑[9]漆的太阳能集热器热泵系统，实验表明，在室外温度为-10～4℃时，室内温度能够保持在16～22℃，热泵平均制热系数为2.19。上海交通[10]大学建立了直膨式太阳能热泵供热水系统实验台，该系统在各种天气下均可以生产50℃热水，平均COP值达到3.1。哈尔滨工业大学[11]对太阳能热泵系统的各种不同运行工况进行了分析研究，得出动态运行工况下集热效率较静态运行工况下提高22.7%。天津商学院对太阳-土壤源热泵交替供暖运行进行了实验研究，测得热泵平均COP[12]值为2.78。东南大学对太阳能与地热联合供暖运行模式进行了分析研究，得到联合供暖运行具有较好的节能效果，节能率可以达到[13]14.5%。在太阳能与地热综合利用中，涉及对岩土蓄能特性的研究，[14][15]国内外研究目前尚处于起步阶段。例如以线热源或圆柱热源模[16、17]型为基础，开展埋管传热理论研究。通过垂直埋管的传热实验和模拟计算，对蓄能的传热作用进行分析和探讨，表明：蓄能改变地[18]下蓄能体的能位；蓄能体温度分布的变化随时间而改变。对土壤[19]内热湿迁移进行了深入的研究，通过分形理论研究多孔介质内的热质传递，采用有限容积法分析多孔介质中的热传导等。
从以上太阳能地源热泵的使用来看，由于气候条件制约，南方地区以供冷为主，北方地区以供热为主。目前，地源热泵系统面临的一个最大挑战就是以年为周期的全年用能不平衡条件下如何使系统处于高效运行状态。这涉及太阳能与地热能的动态组合以及能量在地层中的存储与释放，是一个复杂、多变的系统问题。对这一问题的研究，国际上主要围绕地源热泵实现蓄能再利用，即地下蓄能（Underground Thermal Energy Storage, UTES）开展研究。吉林大学[20]李明对能量地下蓄能各阶段的传热传质机理进行了研究，分析了蓄能过程中的温变特性以及热流分布的时变特性，探讨了年周期用能不平衡状态下蓄能的控制策略。日本熊本大学与Kyushyu电力公司和Fujita公司合作，对一座运动场馆采用地热与热电互补系统进行功能，对建筑物在不同条件下的供能进行了分析预测，取得了较好的实际应[21]用效果。Ochifuji研究了地下蓄能的特性、热量使用规律和能量的平衡等问题。比较了井孔蓄能和含水层蓄能，指出了这两类能量使用[22]成本过高在实际中难以推广。Bernier采用逐时能量消耗的方法分析供热制冷负荷，建立了多载荷集成算法，讨论了井孔区温度场之间[24]的热干扰现象。Hepbasli利用热力学熵的原理推导了地源热泵系统使用过程中能量、质量、熵的平衡，并对地层蓄能的运行特性进行了[25]分析研究。Dariusz研究了地下蓄能和太阳能复合系统的性能，分[26]析了热泵系统的运行，研究了系统中能流特性。天津大学韩敏霞以土壤蓄热为重点开展理论和实验研究，分析了太阳能在土壤中的跨季节蓄存效果，提出了相关特征的分析指标。
而实际应用中得到大面积推广应用的为地源热泵耦合太阳能供能系统。地源热泵是一种利用可再生能源的高效、节能、无污染的既可供热又可制冷的新型空调系统。地源热泵根据其能量来源可分为水源热泵和土壤源热泵，土壤源热泵是以土壤作为冷热源，因其不从地下取水，从理论上讲，对地下空间环境影响较地下水地源热泵系统小、应用范围广，更符合我国国情。
地源热泵技术工作原理是以岩土体、地下水或地表水作为低温热源，由热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统，其工作原理与普通的空调机组类似（普通空调机组以空气为冷、热源），都是靠工作介质（氟利昂R22等）在蒸发器中蒸发吸热，在冷凝器中冷凝放热，来实现把一部分循环介质（主要是水或乙二醇）中的热量转移到另一部分循环介质中，从而实现夏季供冷和冬季供暖。因此，它的主要部件跟空调机组一样，包括：压缩机、冷凝器、膨胀阀（节流阀）、蒸发器。各部分主要功能如下。①压缩机：起着压缩和输送循环工质从低温、低压处到高温、高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏。②蒸发器：是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的。③冷凝器：是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的。④膨胀阀（节流阀）：对循环工质起到节流降压的作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。
地源热泵技术与目前普遍采用的空气源热泵技术制冷和燃煤、燃油等传统技术供暖相比，具有以下主要特点。（1）利用可再生能源。地源热泵技术开发利用的是浅层地温能资源，它是指地球浅表层200m深以内的土壤砂石和地下水中所蕴藏的一种低温热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。地球浅表层也是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然的保持能量接受和散发的相对平衡，这使得利用存储与其中的近于无限大的地温能成为可能，且主要还是冬、夏季能量的循环利用。因此，地源热泵利用的是一种清洁的可再生能源，它属于一种取之不尽、用之不竭的能源利用方式。（2）节能经济，运行费用低。冬季，地下岩土体和地下水中的温度比空气环境的温度高，热泵循环的蒸发温度提高，COP值较空气源热泵有所提高。夏季，岩土体和地下水温度比空气环境温度低，冷凝温度降低，机组效率得以提高。（3）运行稳定可靠、安全。岩土体和地下水的温度一年四季相对稳定，是很好的冷热源。因此，机组的运行情况稳定，几乎不受天气及环境、温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜之虑。（4）系统自动调节控制。系统由电脑控制，自动化程度高，能够根据室外气温和室内气温自动调节运行，运行管理可靠性高。机组使用寿命长，主机运行寿命可达15年以上。无任何燃烧设备，从而不存在爆炸、消防等安全隐患。（5）环境效益显著。地源热泵机组的运行没有任何污染，没有燃烧、排烟和废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。（6）一机多用，应用范围广。地源热泵可以供暖制冷，还可以供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。地源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑物，小型的地源热泵更适合别墅住宅的制冷和供暖。（7）占地面积小，节省空间。二、国内外发展概况
1．太阳能热利用发展概况
欧洲、北美对太阳能供热（热水、采暖）系统的工程应用已有几十年历史，过去主要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖综合系统工程应用有较快发展。
德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推广和应用；欧洲大多数国家都积极鼓励支持利用太阳能，对安装太阳能装置的家庭实行补贴政策，一般补贴为系统造价的20%～50%；以色列80%住宅装有太阳能热水器，政府以立法形式规定高度27m以下新建住宅必须安装太阳能热水器。
丹麦Marstal太阳能供热采暖工程是世界上最大的太阳能供热采暖系统，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器面积1.183×72710m，与社区热力网连接，1996年建成运行，年热负荷2.8×10kW·333h/年，同时使用2 100m水箱、4 000m水容量砂砾层及10 000m地下[27]水池蓄热。
与一些发达国家相比，我们国家在太阳能利用上取得了不少成绩，但还有一定差距。我国最早的太阳能热水淋浴室，1958年分别在天津大学和北京天堂河农场建成。20世纪70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。1975年在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。1979年在西安召开了第二届全国太阳能会议，这次会议的重点是推广和应用太阳能产品。20世纪90年代初，我国制定了“西藏阳光计划”，投资近2亿元在西藏地区建成了太阳4252灶2.4万台，太阳房3×10m，太阳温室1.3×10m。1992年世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》（1996—2000），明确提出我国在1996—2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应对策和措施。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。
我国太阳能产业发展很快，截至2006年，我国太阳能热水器年72生产能力达到1.5×10m，正在使用的太阳能热水器总集热面积达1×8210m，生产量和使用量居世界第一。虽然我国太阳能热水器应用已经相当广泛，但太阳能采暖系统工程应用却处于起步阶段，已建成的都是单体示范建筑，如北京清华阳光公司办公楼、天普新能源示范大楼等，太阳能区域供热采暖工程则还没有应用实践。
近年的太阳能采暖建设项目中，比较集中和有代表性的是北京周边郊区县新民居的太阳能采暖工程。由于农村住宅相对分散，密度低，不宜采用投资大，维护水平高的集中供暖模式，而传统的燃煤取暖方式又存在效率低、污染环境、费用较高等问题，在农村推广安全环保、运行费用低的太阳能采暖系统符合新农村建设的客观要求。太阳能采暖所需的集热面积远远大于太阳能热水系统，安装位置要求较大，对于高层建筑或居住密度较大的城区存在安装建设条件不足的问题，限制了应用，而农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，具备建设太阳能采暖项目的良好条件。北京平谷区新民居太阳能采暖工程项目进展较早，有很多成功应用的经验。
2．地源热泵系统发展概况
地源热泵（简称GSHPs），其历史最早可以追溯到1 9 12年瑞士的一个专利，但该技术的提出始于英、美两国。在20世纪四五十年代，美、英已开始研究采用地下盘管的家庭用热泵，美国从1946年开始对GSHPs进行了12个主要项目的研究。1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。
而对于利用地下水的地源热泵系统，美国从20世纪30年代即开始成功应用了。在1948年，俄勒冈州的一位工程师Krock-er开创了地下水热泵在商业建筑中的应用，许多地下水热泵空调系统至今仍在运行着。
GSHPs在美国应用最多的还是学校和办公楼，据地源热泵协会（GHPC）统计，目前美国有600多所学校使用GSHPs。美国的目标是每年的销售量从1995年的4千台达到2000年的4万台，美国在2000年地源热泵占地热能直接热利用的58.6%，一年提供3 334GW·h能量。
20世纪50年代，欧洲出现了利用GSHPs的第一次高潮，德国著名学者Von Cube在自己家里安装了一台水平钢管直接膨胀式GSHPs，运行了20多年，性能系数为2.53。由于当时能源价格低，这种系统缺乏经济竞争力，因而，未得到推广。中东石油危机以后，节能工作重新得到重视。在欧洲，对30多个GSHPs项目进行了研究，GSHPs研究进入了第二次高潮，此时地下埋管已由早期的金属管改为塑料管。这个时期，欧洲建立了不少GSHPs系统，其主要用[28]途是冬季供暖。
地源热泵在欧洲的应用主要是在中欧和北欧，利用垂直埋管的GSHPs在20世纪70年代末期引入。此后，各种形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，市场发展较早。而且GSHPs在热泵应用总量中，份额最高的是瑞士、瑞典，在瑞士新建住房中每4幢就有1～2幢装有GSHPs系统，其建筑密度，按换热器长度与建筑面积的比值，达到世界第一。这其中的一个重要原因是政府扶植，如瑞士联邦能源办公室对于利用热泵系统替代燃油加热装置以及利用埋地换热器GSHPs系统的用户提供一次性补助，补助额度为每千瓦电输入功率热泵¥200，最高补助¥5 200；在法国、奥地利和丹麦等国家，GSHPs也发展很快。
GSHPs技术在为家庭居民带来舒适、可靠和高效节能的同时，将成为降低国家能源消耗和环境污染的一股主要力量。世界能源联合会、国际能源机构、国际冷冻技术学会等国际著名组织都普遍认为，GSHPs是国际空调和制冷行业前沿课题之一，是最有前途的节能装置和系统，而且也是太阳能、地热能等可再生能源利用的重要形式。1998年美国暖通空调工程师学会的ASHRAE技术奖就授予地源热泵系统。
美国环保局（EPA）已经宣布GSHPs系统是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、制冷技术，比空气源热泵系统节省能源40%以上，比电采暖节省能源70%以上，按一次能源利用率进行比较GSHPs系统平均比空气源热泵高40%，比最好的燃气炉平均提高48%，比燃油暖风炉高出75%，该系统适用于各种情况，从供热、制[29]冷量几千瓦的机组到上千千瓦的设备均可应用。
在我国，热泵研究在我国也有数十年历史，早在20世纪50年代初期，天津大学的一些学者便开始了热泵研究工作。地源热泵的广泛研究始于20世纪80年代，最初研究工作主要是探讨技术利用的可行性，研究侧重于地下水平埋管、垂直U型埋管、套管及螺旋形地埋管[30～32]地源热泵的供热供冷性能的实验与理论，而对于地源热泵换热器的换热效果以及地源热泵机组的实际运行性能没有进行太多的理论研究。
1996年，我国开始在山东、河南、河北、北京、上海、江苏、辽宁等地建成地源热泵工程。目前国内在国际地源热泵协会注册的公司有80多家，其中包括合资、独资等。国内地源热泵应用影响比较大的是中美合作在中国建设的3个地源热泵示范工程。
1997年，中国科技部与美国能源部签署中美能源效率及可再生能源合作议定书，成为中国地源热泵发展的一个里程碑。根据议定书在中国建立了一系列地源热泵的示范工程，开创了政府扶持与引导地源热泵发展的先河。
尽管我国热泵技术起步较晚，但其发展还是紧跟世界先进水平，并在传统热泵的基础上提出很多创新方案，使得我国的热泵技术与世界先进水平的差距在缩小，有些甚至达到或超过世界水平。
在小型空气-空气热泵实验装置的研究和热泵空调的计算机模拟研究以及土壤源热泵的模拟和实验研究成果的基础上，近期我们又将土壤精合热泵技术与蓄冷技术相结合，并根据土壤的热特性必及我国峰谷电差价，提出土壤蓄冷和土壤精合热泵集成系统，该系统集合了土壤耦合热泵及蓄冷技术的优点，保证系统能够进行供冷、供热、蓄冷和蓄热4种工况下运行。现在正在进行基础性研究和实验研究，若能成功将是地源热泵的又一大创新。
针对风冷热泵不能在寒冷地区运用，哈尔滨工业大学的学者打破了传统的供热模式，提出了新型的供热理念，使之让能源循环利用，并创新性地提出了在“三北”地区采用双级锅台热泵空调系统进行供暖，该项技术得到了国家自然科学基金的资助。这种系统采用两级热泵，第一级是利用空气-水热泵提供10～20℃的热水，再利用第二级的水-水热泵或水-空气热泵从第一级中的热量并提供50～55℃的热水进行供暖，其供暖季节性能系数可达到2.5左右。该系统的成功，将风冷热泵的应用范围进一步向北延伸。同时，随着家用热泵空调器的普及，夏季大量的冷凝热，白白释放给大气，既造成了能源的巨大浪费又污染了室外环境。若将这些冷凝热量回收用于供应生活热水将是一项很好的节能环保技术，现已由厂商在研发这种带热水供应的节能和环保型的新一代热泵空调器。
除了自身技术创新外，我国的暖通学者也紧跟世界热泵发展的步伐。针对日本成功研发出一系列适用于寒冷地区运用的热泵型立柜式空调机后，北京工业大学也提出了一种适合于北方寒冷地区运用的热2泵空调机系列。同时对于现在研究很热的CO超临界热泵循环，天津2大学的马一太教授也对CO为工质的超临界热泵循环系统进行了可行性研究，并取得了一定的进展。同时我国的暖通学者对吸收式制冷、直燃机和土壤源、太阳能热泵都有较深的研究。
3．地源热泵与太阳能复合系统的形式及发展概况
目前地源热泵与太阳能复合系统主要有以下形式。（1）并联式太阳能与地源热泵系统。并联式太阳能辅助地源热泵系统如图1-2所示，实际上就是由传统的太阳能系统和地源热泵系统所联合组成，将太阳能供热系统和地源热泵系统交替使用。当太阳能集热器的温度较高，可以将集热器的热量转移到地下贮存，这样既可使土壤温度场得以较快的恢复，又可提高集热效率；当太阳能供热系统不能满足建筑物需求（阴天或夜间），则可采用地源热泵系统供热。并联系统主要用于地下水温度高于15℃的地区，太阳能只起辅助作用，地源热泵系统中是以地下土壤为冷热源的储存体，夏天蓄热、冬天取热，即夏热冬用、冬冷夏用；太阳能系统所采集的热量直接通入空调房间供暖，或者部分作为生活卫生热水。并联系统的特点就是不能互补或替换，总能量为太阳能和地源热泵系统能量的总和。图1-2 并联式太阳能与地源热泵系统原理示意图（2）串联式太阳能与地源热泵系统。如图1-3所示串联系统中，太阳能集热器采集的热量储存在蓄热水箱中，水箱中的热水通过换热，用于提升进入蒸发器入口的介质的温度，从而提供整个系统的COP值。冬天太阳能的热量可能由于温度过低，满足不了房间供热的需要，可以考虑采用它串接在地源热泵室外换热器（蒸发器），作为提升地源热泵蒸发器温度的辅助热源。在此系统中，太阳能采集到的热量储存于蓄热水箱中，然后蓄热水箱的热水进入蒸发器或者地下换热器，提高蒸发器的蒸发温度，从而提高整个热力系统的COP值。从图1-3可以看出随着蒸发器入口水温的升高，系统COP值增加迅速，远高于单独的太阳能或地源热泵系统。图1-3 串联式太阳能与地源热泵系统原理示意图（3）混联式太阳能与地源热泵系统。在混联式太阳能与地源热泵系统中，太阳能与地源热泵的混合连接方式可以有多种。图1-4所示太阳能与地源热泵混联系统中，另加空气换热器，由于地源热泵水温度比空气温度要稳定很多。在太阳能与地源热泵混联系统中，地源热泵可以有2个蒸发器，一个是以太阳能和地下土壤为热源，另一个以空气为热源，目的就是为了使得系统的COP值最高。当冬季蓄热水箱的温度高于一定温度（如30℃），就可以直接对房间供暖，暂时可以不启动地源热泵以节约电能；当蓄热水箱的水温度高于大气温度和地下土壤温度，可以利用它提升地源热泵蒸发器的温度，以便提高系统COP值；当蓄热水箱的水温度和地下土壤温度均低于大气温度，可以切换成为空气源热泵，当然还得考虑除霜问题。图1-4 混联式太阳能与地源热泵系统原理示意图
近年来，关于太阳能地源热泵系统的研究较为广泛，国内外学者围绕系统的实验和理论模拟研究以及经济分析方面作了很多的工作。关于太阳能和地源复合热源、集热器效率、热泵性能、土壤温度场的[33～分布、太阳能利用分数、经济性等方面的研究也在不断地展开35]。然而用地下岩土来储存太阳能的太阳能热泵系统，太阳能季节性地储存到土壤介质或是埋地蓄热罐中以备冬季采暖用的工程实例却很少，关于这方面的研究也基本上是针对某一地区某一特例，不具通用性。下面分别从国内国外两个方面，简述太阳能系统与地源热泵系统联合运行系统的研究现状。
太阳能集热器和埋入土壤的盘管组合的设想是彭罗德[36]（Penrod）于1956年首次提出的。1962年，彭罗德描述了太阳能地源热泵系统（Solar-Earth Source Heat Pump System, SES-HPS）的[37]工作原理。1969年又给出了设计SESHPS的过程，包括太阳能集热[38]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，美国有关机构加强了对地埋管地源热泵的研究，其中包括了对土壤盘管参数的测试及其与太阳能集热器联合使用的混合系统的研究。1978—1981年美国布鲁克海文国家实验室对带圆柱形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。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热泵工作性能更稳[39]定，而且可以减小辅助热源装置的容量。随着计算机技术的迅速发展，计算机模拟技术已广泛地应用于SESHPS的性能研究与设计方法中。M.Inalli应用复数有限傅立叶变换CFFT和有限差分方法，模拟分析了带地下圆柱形储能罐的太阳能供热系统的地下温度场分布；并就集热器面积、储能容器容积及其埋设深度等因素，对地下温度场分[40]布的影响进行了比较分析。Andrew D.Chiasson等人采用Yavuzturk和Spitler提出的U形地埋管换热器短时间步长温度响应因子模型，用TRNSYS作为平台，以BLAST负荷计算软件为基础，对带有太阳能集热器的复合式地源热泵系统进行了模拟研究。模拟对象为芝加哥、盐[41]湖城及丹佛等6个以热负荷为主的城市，模拟周期为20年。土耳其搭建了一个太阳能与地源热泵联合供热系统，并通过实验对系统进行了技术经济性分析以及热力学分析，得到系统的COP值大约为2.38，效率约为67.7%。
我国对SESHPS的研究很少。天津商学院是国内第一个进行SESHPS实验研究的单位，该校在1994—1995年度的采暖季节进行了太阳能热泵和地埋管地源热泵交替运行供暖时的性能实验研究。毕月虹等人进行了太阳能-地埋管地源热泵交替供暖的实验研究（晴天白天利用太阳能热泵供暖，阴天及晚上利用地埋管地源热泵供暖），[42]测得了不同运行条件下的供热量和供热系数。余延顺等人进行了针对寒冷地区应用太阳能-土壤复合式地源热泵的计算机模拟，得出在太阳能和地埋管换热器承担不同负荷的情况下，土壤温度场的分布情况及土壤温度场的恢复率。以土壤温度场恢复率为依据确定了太阳能热泵和地埋管地源热泵的最佳运行时间分配比例和太阳能集热器的
[43]面积。青岛理工大学的杨卫波、董华等人做了关于SESHPS联合供暖运行的模式的探讨，针对青岛地区的气候条件，对SES-HPS有、无蓄热水箱时各联合供暖运行模式进行了数值模拟，提出了最佳运行[44]模式，并进行了系统的优化设计。以上这些研究都是以日为周期的蓄热，并不能实现采暖季外太阳能资源的充分利用。2006年，天津大学在天津某休闲会馆成功建设了一套太阳能-地源热泵组合空调/[45]热水系统，并初步将太阳能跨季节蓄热理念付诸实践。这套系统采用了季节性蓄热技术，但是对于系统的设计并没有给出定量的设计方法。山东建筑大学与山东方亚地源热泵空调技术有限公司合作，2009年在德州蔚来城小区项目中应用了季节性蓄热的太阳能与地源热泵复合系统，是在实际工程中大规模地应用该技术的最新尝试[46]。近两年为了保持经济健康、平稳、较快的发展，国家加大了对新能源产业的重点扶持力度，这为以新能源为基础的季节性蓄热的太阳能与地源热泵复合系统的发展提供了一个很好的发展平台，势必激发该项技术的发展潜力，加快其广泛的推广应用。第二章导热及太阳能基础理论在引入太阳能与地热耦合利用之前，先简单介绍导热与太阳能方面的基本知识和理论。第一节导热一、导热基本定律（一）温度场
1．概念
温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。
由傅立叶定律知：物体导热热流量与温度变化率有关，所以研究物体导热必涉及物体的温度分布。一般地，物体的温度分布是坐标和时间的函数。
即：t=f（x, y, z, τ）
其中x, y, z为空间坐标，τ为时间坐标。
2．温度场分类（1）稳态温度场（定常温度场）。是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式t=f（x, y, z）。（2）稳态温度场（非定常温度场）。是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式t=f（x, y, z, τ）。
若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称一维温度场。
3．等温面及等温线（1）等温面。对于三维温度场中同一瞬间同温度各点连成的面称为等温面。（2）等温线。
1）定义：在任何一个二维的截面上等温面表现为等温线。一般情况下，温度场用等温面图和等温线图表示。
2）等温线的特点：物体中的任何一条等温线要么形成一个封闭的曲线，要么终止在物体表面上，它不会与另一条等温线相交。
3）等温线图的物理意义：若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。若Δt相等，且等温线越疏，则该区域热流密度越小；反之，越大。图2-1 温度场示意图（二）导热基本定律
适用条件：①一维导热。②一块平板两侧表面温度分别维持各自均匀的温度。
1）定义：在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反，即。
2）数学表达式：（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）2其中：q——热流密度W/m（单位时间内通过单位面积的热流量）；——物体温度沿x轴方向的变化率。
若物体温度分布满足：t=f（x, y, z）时，则3个方向上单位矢量与该方向上的热流密度分量乘积合成一个热流密度矢量。则傅立叶定律的一般数学表达式是对热流密度矢量写出的，其形式为其中：gradt——空间某点的温度梯度；——通过该点的等温线上的法向单位矢量，并指向温度升高的方向；——为该点的热量密度矢量。
如图2-2（a）所示，表示了微元面积dA附近的温度分布及垂直于该微元面积的热流密度矢量的关系。
1）热流线
定义：热流线是一组与等温线处处垂直的曲线，通过平面上任一点的热流线与该点的热流密度矢量相切。
2）热流密度矢量与热流线的关系：在整个物体中，热流密度矢量的走向可用热流线表示。如图2-2（b）所示，其特点是相邻两个热流线之间所传递的热流密度矢量处处相等，构成一热流通道。图2-2 等温线与热流线（a）温度梯度与热流密度矢量（b）等温线（实线）与热流线（虚线）（三）导热系数λ（1）导热系数的含义。导热系数数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模。（2）特点。其大小取决于：①物质种类（λ金＞λ液＞λ气）。②0物质的λ与t的关系：λ=λ（1+bt）其中：t——温度；
b——常数；0
λ——该直线延长与纵坐标的截距。二、导热微分方程式及定解条件
由前可知：（1）对于一维导热问题，根据傅立叶定律积分，可获得用两侧温差表示的导热量。（2）对于多维导热问题，首先获得温度场的分布函数t=f（x, y, z），然后根据傅立叶定律求得空间各点的热流密度矢量。（一）导热微分方程（1）定义。根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导热物体中的温度场应满足的数学表达式，称为导热微分方程。（2）导热微分方程的数学表达式（导热微分方程的推导方法，假定导热物体是各向同性的）。
1）针对笛卡儿坐标系中微元平行六面体。
由前可知，空间任一点的热流密度矢量可以分解为3个坐标方向的矢量。
同理，通过空间任一点任一方向的热流量也可分解为x, y, z坐标方向的分热流量，如图2-3所示。图2-3 导热微元体x
通过x=x、y=y、z=z，三个微元表面而导入微元体的热流量：Φ、yzΦ、Φ的计算。
根据傅立叶定律得：
通过x=x+dx、y=y+dy、z=z+dz三个微元表面而导出微元体的热xyz流量Φ+dx、Φ+dy、Φ+dz的计算。
根据傅立叶定律得：
对于任一微元体根据能量守恒定律，在任一时间间隔内有以下热平衡关系：导入微元体的总热流量加微元体内热源的生成热等于导出微元体的总热流量加微元体热力学能（内能）的增量。（a）其中微元体内能的增量=。（b）微元体内热源生成热=。（c）其中ρ, c,, τ分别为微元体的密度、比热容、单位时间内单位体积内热源的生成热及时间。λxyz（d）导入微元体的总热流量Φ=Φ+Φ+Φ。wx+dxy+dyz+dz（e）导出微元体的总热流量Φ=Φ+Φ+Φ。
将以上各式代入热平衡关系式，并整理得：
这是笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般表达式。
其物理意义：反映了物体的温度随时间和空间的变化关系。
讨论：其中：=α——称扩散系数（热扩散率）。
物体内无内热源，即，且λ= con st时，
若λ= con st时，且属稳态，即：
即数学上的泊桑方程。该微分方程属常物性、稳态、三维、有内热源问题的温度场控制方程式。
常物性、稳态、无内热：
即数学上的拉普拉斯方程。
一维，常物性，稳态，无内热源：
2）圆柱坐标系中的导热微分方程：
3）球坐标系中的导热微分方程：
综上说明：（1）导热问题仍然服从能量守恒定律。（2）等号左边是单位时间内微元体热力学能的增量（非稳态项）。（3）等号右边前三项之和是通过界面的导热使微分元体在单位时间内增加的能量（扩散项）。（4）等号右边最后项是源项。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]