浅谈地源热泵技术的发展及应用

【摘 要】本文系统介绍了地源热泵空调系统的发展历史,工作原理以及特点等。

【关键字】地源热泵；工作原理；发展 应用

1 基本概念

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达4.0～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。因此，近十几年来，尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

2 地源热泵工作原理

地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水―水式或水―空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：

2.1 全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。

2.2 冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。

2.3 地源有较好的蓄能作用。

3 地源分类

地源按照室外换热方式不同可分为三类：1.土壤埋盘管系统，2.地下水系统，3.地表水系统。

根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。

闭环系统如埋盘管方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置换热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式。

4 地源热泵应用方式

地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

4.1 家用系统

用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

4.2 集中系统

热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

4.3 分散系统

用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。

4.4 混合系统：

将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。

5 发展前提

如太阳能等清洁能源在能源结构中的比重的提高，已成为我国能源结构调整战略的重要组成部分。近年来的统计表明，住宅、办公楼、商店、旅馆、影剧院、学校、医院等建筑物的能耗在总能量消耗中所占的比例不断增加。建筑物的能耗，按其用途可分为空调用、照明用、卫生用及其他用能，其中空调用能耗在建筑物总能耗中的比例相当大。从可持续发展的角度看，利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的根本途径。有着节能和环保特征的地源热泵系统就成为了暖通空调工作者们关注的热点。

6 应用现状

进入二十世纪九十年代，土壤源热泵的应用与发展进入了一个全新快速发展的时期，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，但与国外相比仍处在一个整体水平相对较低的大环境之下。相继有天津大学、天津商学院、华中理工大学、青岛建筑工程学院、重庆大学B 区（原重庆建筑大学）、湖南大学和同济大学科研机构从事了地源热泵方面的研究。并且有浙江横店国际商贸城、山东建工学院学术报告厅、重庆中安翡翠湖别墅（在建）等等总空调面积在500m2 以上的建筑采用了土壤源地源热泵系统。

7 注意问题

地源热泵的性能很大程度上依赖于地下埋管的换热性能。而地下埋管性能又在很大程度上依赖于大地的热物理性质（如岩土的类型、湿度等）。岩土的热物理特性随地点的变化而有所差别，在不同地区之间甚至同一地区的不同片区之间的研究结果可能完全不能够相互套用，必须进行相应的修正甚至重新研究。需要对不同地区、不同地层中地下埋管换热器传热模型和地层热物性参数进行研究，为地源热泵工程设计提供正确可靠的技术数据；需要对新型地下热交换器材料进行研究，包括热交换管材、管材内传热介质、管材外回填材料等，以提高传热效率，降低钻孔长度。其次，地源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术相结合的综合技术，两者缺一不可。土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入，如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。完善地下热交换器的钻孔技术、安装方法，以便解决复杂地层中钻孔和安管的难度，从而提高施工效率，降低施工成本。由于钻井费用可能占到整个系统初投资的50%以上，并不是所有的地源热泵系统都是经济合理的，有些投资者可能会回到传统的空调形式。要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、并做出充分的技术经济分析（目前地源热泵系统的安装费用较电制冷、天然气加热系统为高，回收期大约是5～8 年）。再者，我国国土面积广阔，覆盖地域众多。除长江中下游地区（夏热冬冷地区）的供暖和供冷负荷大致相等以外，其余地区的供热和供冷负荷并不相同，需要合理的设置地源热泵辅助系统，以避免地下耦合系统吸、放热量不均而造成地温的变化进而降低地源热泵的能效比。在以供冷为主要目标的南方地区或热负荷大的商业建筑，可以通过设置冷却塔辅助供冷；在以供暖为主的北方地区可通过太阳能或者锅炉进行辅助供暖。

参考文献

[1]戴彦德, 我国可持续发展中的能源问题, 电力需求侧管理, 2002.Vol.4,No.5

[2]殷平, 地源热泵在中国, 现代空调, 2001（3）

[3]肖益民, 何雪冰, 刘宪英. 地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例, 现代空调, 2001（3）

[4]付祥钊, 夏热冬冷地区建筑节能技术, 北京: 中国建筑工业出版社, 2002