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1912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。