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。

　　土壤源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一空气换热器改为制冷剂一中间换热流体介质（水或其它抗冻液）一土壤换热器。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（Heatsource/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终统一看出这一趋势。

　　土壤源热泵初的术语有Ground HeatPump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GroundSourceHeatPump一词。

　　2国外研究现状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”等数学理的研究提供了试验验证的基础。但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，显著的特征就是政府专题研讨积极支持与倡导。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，BNL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：土壤源热泵系统通过与水环热泵（Water LoopHeatPump）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ASHRAETechnologyAwards就授予给了一个采用土壤源热泵系统的实际应用工程。

　　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。

　　1999年间的EKEngineeringIndex）中相关的结果来看，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。

　　3国内研究现状我国在开展土壤源热泵系统的研究与应用方面起步较晚，但到2000年左右，在各种因素的共同作用下，成为一个非常“热门”的研究课题，虽然这样的热门是处在一个整体水平相对低下的大环境之下。

　　从已有的报道来看，国内早的研究开始于1989年。当时山东青岛建筑工程学院在国内建立了台土壤源热泵系统的试验台，开始主要从事水平埋管制冷空调与电力机械的研究工作，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。

　　华中理工大学从90年代开始，在国家自然科学基金的资助下，进行了水平单管的换热研究，后来又进行了地下浅层井水用于夏季供冷和冬季采暖的研究。但现在这方面的工作也已经停止。

　　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。

　　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。

　　重庆建筑大学的刘宪英等人从1999年开始在国家自然科学基金的资助下进行了浅埋竖直管换热器地源热泵的采暖和供冷特性研究。

　　闭式环路的土壤源热泵系统在国内的应用实例见诸报道的仅有一例，据闻2000年在浙江省有一个工程准备采用闭式土壤源热泵系统，但还没有见到公开的报道，实际效果尚无从得知。

　　4土壤源热泵的核心技术要真正使土壤源热泵能够取代传统的空调系统，尚有众多的核心技术问题有待进一步解决。给出了一个完整的土壤源热泵的系统动态热特性示意。从系统的角度分析，按微观到宏观的次序来看有下列问题需解决。

　　4.1土壤中传热、传质过程的研究整个系统中处于底层的是埋地换热器次级子系统。在该系统中，主要关心的问题是埋地换热器与周围土壤的热交换过程。由于土壤是一个由固态的土壤骨架、液态和气态水以及空气组成的多相分散体，目前大多数的研究中采用的简单的复合不稳态导热，将水分和空气的输运过程作用归结为一导热系数的附加值来描述土壤中的热质耦合的作法显然会带来较大的误差，相应的结果是土壤源热泵的埋地换热器的尺寸偏大，热泵装置的初投资加大（埋地换热器的成本一般占到热泵系统总成本原因：程应用土壤源热泵在我国的应用并不象预期的那样好，主要的原因是缺少实际工程应用，在我国仅有的一例闭式电或能海羔求制冷空调与电力机械的2030），无法与传统的空调系统相抗衡。

　　因此亟待解决的方法是对埋地换热器与土壤的热交换过程采用更完善的数学模型进行描述，全面考虑传热和传质过程。多孔介质流体力学方法可能是一个有力的工具。有研究者提出采用不可逆热力学的方法来加以研究，也是一个颇有新意的可行的方法。还有研究者提出采用分形的方法来研究土壤中的导热系数，有可能使数学模型得到简化，使研究的难度降低。

　　研究土壤中的传热传质过程的另一个目的，是希望能找到强化传热的新型填充材料，国外已有研究者从事过这方面的研究，并有相关报道。当然，终的目的是一致的，就是要尽可能的减少土壤源热泵埋地换热器的初投资费用，但国内尚未见到类似的研究报道。

　　4.2与热泵装置的耦合过程研究研究与热泵装置的耦合过程的目的在于优化热泵装置子系统的性能。因采用土壤作为热源，无论是冬季或夏季运行，热泵系统的运行条件（室外侧换热器的工作点）都与传统的空气热泵或一般的水源热泵的工作点有一定的差别，从而引起整个热泵系统的工作特性都随着发生变化。具体说来就是在新的室外侧换热流体温度下，应该如何配置相应的蒸发器、冷凝器、压缩机乃至整个系统的部件，使热泵的热力循环性能优、大程度的发挥土壤源热泵的节能潜力。因此有必要采用专题研讨制冷系统热动力学的方法。

　　4.3土壤源热泵的系统全年能耗的经济分析从土壤源热泵的热力系统图上可以看出待研究问题的第三个层次是对整个热泵系统的全年能耗分析。对于需要全年进行空调的场合，采用土壤源热泵是否具有优越性的结论应该是基于全年能耗分析的结果而得到的。

　　这一点在确定土壤源热泵的方案时尤为重要。对于不同的气象条件及不同的建筑物功能需求，建筑物冬夏两个季节的冷热负荷可能是不一样的。是应该优先考虑冬季采暖，夏季冷负荷的不足部分由传统的空调系统（比如加装冷却塔）加以补充；还是以夏季冷负荷为基准，冬季采用辅助热源的模式，应该在全年能耗分析的基础上，全面考虑系统的初投资和运行费用，终以投资回收期来作为判断的依据。

　　因此只有在能够对地下换热器的换热过程以及热泵系统的动态热特性有了一个较完备的认识和了解的基础上，结合建筑物的全年动态负荷，才能使得土壤源热泵的优越性得以充分的发挥，达到节能和环保的目的。

　　5在国内应用中存在的问题及发展前景由于经济发展水平不同和气候地理条件等的差异，土壤源热泵技术在国内的推广还有许多技术问题需要解决。经过十多年的研究，国内研究者取得了一些成果。

　　但从总体上来看，中国的土壤源热泵的研究仍然处在较低的水平。尽管从理论上讲，我们的研究是站在“别人的肩膀上”进行的，应该具有明显的“后发优势”，但事实上并非如此。归纳起来，大致有以下两个方面的电或K它能源价格r丨热闱装说广系统。I总成木专题研讨系统还是国外的工程师设计的。即便是如此，这个的实际工程的效果尚未得到国内业界的一致认可。开式系统在我国北方的一些省份被采用，但开式系统存在着破坏地下水资源等问题，很难有好的应用前景。

　　设计师和业主没有足够的热情采用土壤源热泵没有实际应用的需求，使得这样一项在国外已经较为成熟的节能技术在中国依然显得“很超前仅仅是大学和科研院所作为申请研究课题的方案和构想，很难形成大规模的研究和产业化的环境。由于没有企业的参与，使得研究投入的经费更加捉襟见肘，无法真正拿出具有实际意义的研究成果。

　　研究与实际工程应用脱节笔者有幸地接触到了国内很多参与过土壤源热泵研究课题的人员。从了解的情况来看，重复研究的情况比较严重的。笔者曾收集和阅读过几乎所有相关的土壤源热泵的国外公开报道，并与国内开展的以土壤源热泵和相关内容为主题的自然科学基金课题和其它研究课题的内容比较，发现国内土壤源热泵相关课题理论上的创新性很少。另一方面，国内的研究由于缺乏应有的交流，在内容上有很多都是雷同的，包括试验台的重复建设，造成资源的浪费和研究成果的贬值。

　　而且，由于大多数的课题都基本上处于实验室研究阶段，尚没有工程应用和推广的。在这种条件下研究出来的成果其实用性很难得到企业界和业主的认同。国内的广大研究人员应该以更加务实的科学精神和协作精神来开展相关基础理论和实际应用的研究。

　　尽管国内对于土壤源热泵的研究的现状令人担忧，但土壤源热泵的应用前景仍然十分良好。国外的许多大的公司和企业集团包括政府部门都希望能在中国推广土壤源热泵的技术和产品。2000年6月，美国能源部（DOE）和中国国家科委联合在北京召开土壤源热泵的技术产品推广会，这是一个令人振奋的信号和良好的开端。相信在中国加入WT0后，土壤源热泵技术能够在中国有较大的应用并被大众所接纳。

　　本文在总结国内外土壤源热泵的研究现状后，对土壤源热泵系统的关键技术重点进行了分析，同时指出了制冷空调与电力机械造成国内相关研究落后的原因主要是缺乏实际工程应用和资源的整合。但在未来的几年中土壤源热泵在中国的应用前景依然会十分良好。