文 献 综 述

地源热泵^[1,2]是以大地中的低品位热源为冷热源的一种热泵形式,它充分利用地下浅层地热资源既可以供热又可以制冷,具有节能环保的特点。土壤源热泵是利用地下土壤作为冷、热源，将换热管直接埋于地下一定深度的土壤中，管内的水通过管壁与土壤换热后，将土壤中的热量或冷量输入热泵系统。文献表明^[3]，地下5米以下的浅层土壤温度基本保持不变，约为当年的年平均气温，夏季比外界环境温度低，冬季比外界环境高，是很好的冷、热源，并且运行过程中不破坏地下水质。

一、土壤源热泵的发展进程

我国在开展土壤源热泵系统的研究与应用方面起步较晚, 从已有的文献报道来看，国内最早的研究开始于1989年^[4]当时山东青岛建筑工程学院在国内建立了第一台土壤源热泵系统的试验台，开始主要主要从事水平埋管的研究工作，后又完成了竖直埋管换热的研究工作。天津商学院几乎在同一时间开始了土壤源热泵系统的研究，高祖锟等人在结合国外有关的研究数据的基础上，重点对螺旋管埋地换热器作了研究，但研究工作后来没有继续^[5]同济大学的张旭等人从1999年开始在联合技术公司（UTC）的资助下，进行了为期多年的一项土壤- 太阳负荷热源的研究，重点针对长江中下游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进行测试^[6]。湖南大学从1998年开始也进行了多层水平埋管的换热特性研究^[7]。

国外对土壤源热泵的研究主要集中在地下换热器。1946年,美国进行了12个地下换热器的研究项目,这些研究项目测试了埋地盘管的几何尺寸、管间距、埋深等,并将热电耦埋入地下,测试了土壤温度随时间变化和受传热过程影响的情况。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。20世纪50年代初,英国安装了用于住宅供暖的地源热泵系统。1974年,欧洲实施了30个工程开发研究项目,发展了地源热泵的设计、安装技术,并积累了运行经验。目前,国外对土壤源热泵的研究仍集中在地下换热器的传热性能上。地下换热器的设计、计算模型约30多种,对所有模型的建立,关键是求解岩土温度场的动态变化,其基本模型有两种:1)线热源模型。1948年,L.R.Ingersoll提出线热源模型,1983年BNL(Brooken Na-tional Lab,国家实验室)对线热源模型进行修正,并将埋地盘管周围的岩土划分为两个区(严格区和自由区)^[8]。2)圆柱热源模型。1948年,Carslaw和Jaeger首次提出圆柱热源模型,后来在1954年将圆柱热源模型引入地源热泵系统的研究,包括定壁温和定热流量两种模型。1995年,Y.Gu等在回填材料和岩土界面加上了一系列解除条件,将圆柱热源射线性解析解推广到非均匀空。对350 多套商用土壤源热泵系统的调查表明^[9]: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^[10]。

二、土壤源的特点分析^[11-17]

（1）辅助动力少。评价土壤源热泵系统性能的参数之一是辅助动力，它是系统经济性的重要因素之一。室外设备不需要其他能量，仅设置管道泵作为水循环的动力。水流速度是决定泵容量的主要因素之一。为了保证充分的热交换和地下管道的水力平衡，地下埋管系统严格控制临界速度，因为水流处于层流状态，传热会恶化，甚至由于水流速度慢，会出现气塞现象，气塞会造成水利不平衡。而在紊流状态下增加流速不会对传热带来多大的改善，因为此时的热阻主要由管道热阻造成，水的热阻相对来说很小，此时增加流速只会增加泵的容量。

（2）运行管理方便，运行状况好。土壤源热泵另一个优点是对设备的维护要求不高。首先这种系统减少了室外许多运转设备，不需要冷却塔、锅炉这种长期维护设备。另外对于热泵系统来说为了解决结霜问题，人们不得不采用电加热等方式，除霜融霜后的设备突然启动就更危险。而热泵系统与大地接触，与大地换热保证了不会结霜。系统运转部件少则系统噪音小，这很适用于对噪音有要求的住宅、医院、学校等地区。

三、土壤源热泵的相关应用。

地埋管换热器是土壤源热泵技术的核心和重要应用基础^[18]。土壤源热泵埋管换热器传热，是一个十分复杂的非稳态传热过程:一方面，换热器的埋管方式 土壤特性 地下水文参数 回填材料以及地面气象参数都影响着换热器的传热过程;另一方面，地下埋管传热过程又与地面热泵机组的运行特性 建筑负荷相互影响^[19]。工作原理图1^[20]如下：