综述暖通空调中地源热泵的新技术

摘要：　目前由于能源消耗的急剧增加，热泵作为一种通过消耗少量高品位能源，把热量由低温级上升到高温级的特殊装置而受到了人们的青睐。本文根据作者多年的工作经验对暖通空调中地源热泵的一些新技术做出的以下分析。

关键词：地源热泵 暖通 发展

地源热泵（Ground　source　heat　pump）也称为地热热泵（Geothermal　heat　pump），它是以地源能土壤、地下水、地表水、低温地热水和尾水作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源的系统，同时也是实现采暖、制冷和生活用水的一种系统。它用来替代传统的用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式，是改善城市大气环境和节约能源的一种有效途径，也是国内地源能利用的一个新发展方向。地源热泵系统根据不同的构成形式有不同的名称：地耦合式热泵、土壤热源热泵、水源热泵、地热热泵、闭环热泵、太阳能热泵、地源热泵等。

1　地源热泵背景现状

我国自20世纪50年代起一些单位开始了热泵研究工作，但其发展缓慢。直到80年代初，为了利用低品位能源和回收大量工业余热，热泵在各个领域的研究逐步形成热潮，热泵技术得到较快的发展，并有了初步的成效。1983年，在北京召开了中国制冷学会低位热泵与热泵技术会议，发表了我国在这方面的研究成果，并指出必须进一步探讨通过热泵提高能源利用率。

2　地源热泵原理

地源热泵，就是把传统空调的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，使其与大地进行热交换，或是通过中间介质（通常是水）作为热载体，使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行热交换的目的。也就是说，地源热泵是以大地为热源对建筑物进行空气调节的设备。冬天通过热泵将大地中低位热能提高品位对建筑供暖，同时储存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑进行降温，同时储存热量，以备冬用。夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相等，冷暖负荷基本相同，用同一系统，可以充分发挥地下储能的作用。热泵装置工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不同（工作原理见图1，系统图见图2）。图1中，Ta是环境温度；To是低温物体的温度；Th是高温物体的温度。a表示热泵装置，它从环境中吸取热量传递给高温物体，实现供热目的；b表示制冷机，它从低温物体吸取热量传递给环境，实现制冷目的；c表示供冷供热联合循环机，它从低温物体吸热，实现制冷，同时又把热量传递给被加热的物体，实现供热的目的。

根据热力学第二定律，当以高位能作补偿条件时，热量可以从低温物体转移到高温物体。因而热泵循环中，为了向被加热的物体供热Q，要消耗功W。按热泵驱动的形式，可把常见的热泵分为四种：1）机械压缩式热泵；2）吸收式热泵；3）蒸汽喷射式热泵；4）热电热泵。

3　地源热泵优点

地源热泵存在以下优点：1）不向建筑外大气环境排放废冷或废热，有利于环保；2）室外换热器埋在地下，不存在冬季除霜问题；3）不影响建筑外立面的美观；4）全年土壤温度波动小且数值相对稳定。夏季土壤中的温度低于气候条件下的地面空气温度，冬季土壤中温度高于对应气候条件下的地面空气温度。理论上讲，降低冷凝温度和提高蒸发温度都可提高循环效率，达到节能的效果；5）在室外空气温度处于极端状态时，用户对能源需求量处于高峰期。而由于土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟，和空气热源相比，在相同的条件下，它可以分别提高夏季或冬季的供冷量或供热量；6）利用土壤的蓄热能力，将夏季空调房间中的热量排入土壤中，冬季供暖时取用。将冬季供暖房间中的冷量排入土壤中，夏季制冷时取用，可满足冬夏两季供暖与制冷的需求，而且不会对大气环境造成热污染及噪声污染。

4　地源热泵存在的问题

1）土壤特性问题。地源热泵系统的性能好坏与当地土壤热特性密切相关，地热源的最佳间隔和深度取决于当地土壤的热物性和气候条件。土壤的热特性研究主要包括土壤的能量平衡、热工性能、土壤中的传热与传湿以及环境对土壤热物性的影响等。

2）地下换热器传热机理的理论研究繁多，但缺乏理论与实践的有效结合，缺乏多环境下应用技术的系统研究以及实际有效的强化传热方法。

3）不同冷、热负荷下，地下换热器与热泵系统最佳匹配技术的研究不够。90年代以来，地热空调技术的研究热点依然集中在地热能换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地热能换热器匹配等方面。与前一阶段单纯采用“线源”传热模型不同，最新的研究更多地开始关注相互耦合的传热、传质模型，以更好地模拟地热能换热器的真实换热情况；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，以强化土壤埋管在土壤中的导热过程，从而降低系统用于安装土壤埋管的初投资；为进一步优化系统，国外有关地热能换热器与热泵装置的最佳匹配参数的研究也在开展。

4）热泵技术与其他技术的配合问题：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，这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。

5　自己的观点

地源热泵技术虽然具有很大的潜力，但是不会小规模应用，只能在很大程度上进行大规模的使用，至于初期投资，运行稳定性以及由于地源热泵而造成的影响应该深入研究，从而实现其可行性。由于地源热泵的冷热源不同，不同区域的设计绝对不能照抄，只能通过对比分析，结合当地的实际情况来设计适合于实际情况的地源热泵。

6　展望

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，高效环保节能的供热和制冷空调已成为城镇居民的基本生活需求，市场前景很好。另外，由于形式多样，安装灵活，地源热泵将为我国中小城市，甚至广大农村人民生活质量的提高做出贡献。在地源热泵技术的应用中，尽管还有许多技术问题需要解决，但由于其技术上的优势和节能、环保、可持续发展的优点，是建筑物供暖和制冷的合理可行选择方案之一。在能源可持续发展战略中，地源热泵将倍受人们的重视与青睐。

参考文献：

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