土壤源热泵的研究现状与发展前景

摘要：本文概述了地源热泵系统的分类及特点，重点分析了土壤源热泵在国内外的研究及发展现状，提出了土壤源热泵技术在我国发展所面临的问题及发展前景。

关键词：土壤源热泵 地埋管 研究现状 发展前景

0 引言

随着常规能源日益短缺，可再生能源的开发与利用日益引人关注。可再生能源是指能够持续生长而可供人类长期使用的能源，包括：太阳能、风能、海洋能、水力发电、生物质能、地热能、生物燃料及氢能等。其中地热能是指地球表面浅层土壤通过吸收太阳辐射能或地球内部物质发生衰变放出热量等从而形成的较低品位的热能资源。浅层土壤在一年内温度基本恒定，通常为18℃左右，因此，在夏季可作为空调系统的冷源，而在冬季又可作为采暖系统的热源。利用地能的主要设备就是地源热泵。

1 地源热泵的类型、工作原理及特点

地源热泵是一种高效节能环保既可制冷又可供暖的新型空调系统，它利用地下浅层地能资源（主要是地下水、地表水、土壤等），为建筑物提供热量或冷量。地源热泵系统通过输入少量的高品位能源（如电能），在冬季，将地下的热量取出来，由低温热源传向高温热源，给室内供热；而夏季的热量传递方向则相反，将室内的热量取出，释放到地下，从而使室内温度降低达到空调效果。根据使用的低品位热源的来源或种类不同，地源热泵可分为地下水源热泵、地表水源热泵及土壤源热泵三种。

1.1 地下水源热泵

地下水源热泵是通过钻井由水泵将地下水抽出作为冷、热源，经过热交换后再回灌入地下。地下水一年四季温度基本稳定，夏季比外界环境温度低，冬季比外界环境温度高，是良好的冷源和热源。水作为世界最为宝贵的资源之一，任何对水资源的浪费和污染都是不允许的。国外对使用地下水要求也越来越严格，因而地下水源热泵的应用越来越少，我国一些大中城市不允许打井取水；而且如果水硬度过大也会造成换热器表面结垢，热泵系统的传热性能下降。地下水源热泵的钻井有单井和多井两种，典型单井的直径为150mm，井深450m。多井系统的抽水井和回灌井分别是两组井，为避免井井之间的热干扰，两井之间要保持一定距离，一般为50m，抽水井和回灌井定期交换使用有利于保持两井的出水和回水性能[1]。

1.2 地表水源热泵

地表水源热泵是以河流、池塘、湖泊或城市污水作为热泵的低温热源，将蒸发器置于水中，制冷剂直接蒸发吸热。该热泵只有在靠近江、河、湖、海等大容量自然水体的地方，才有条件利用这些自然水体作为热泵的低温热源。地表水源热泵初投资较低，运行较稳定，但与空气源热泵类似，地表水受环境温度影响较大，当环境温度越低时，热泵的供热量越小，热泵系统的性能系数会显著降低。此外，地表水水质可能使换热器表面结垢甚至腐蚀换热器，使传热性能下降。

1.3 土壤源热泵

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[2]，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。

1.3.1 土壤源热泵工作原理

土壤源热泵系统主要有三部分组成：地埋管换热器、土壤源热泵机组和室内空调末端。夏季，地埋管换热器中的水与土壤进行热交换，水释放热量后，通过水泵进入冷凝器，在冷凝器中吸取制冷剂的热量，然后再循环将热量传给地下土壤；同时冷凝器中的制冷剂被冷却，通过膨胀阀进入蒸发器；在蒸发器中制冷剂吸收室内空调系统中循环水的热量，从而降低循环水的温度；循环水与室内空气进行热交换，从而降低室内空气温度，达到人们舒适的温度值；制冷剂吸收热量后，进入压缩机压缩，之后进入冷凝器，如此循环。

1.3.2 土壤源热泵的特点

土壤源热泵的优点：

①机房占地面积小，节省空间与投资，可设在地下。土壤源热泵系统节省了空间和土地，因为它没有集中式空调集中占地问题，没有冷却塔和其他室外设备。②高效节能。土壤源热泵系统的COP值一般为3~6，每年运行费用可节约40%左右，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右。③利用可再生能源。土壤源热泵技术利用储存于地表浅层近乎无限的地能，地表浅层地热资源(地能)作为冷热源进行能量转换，它既是可再生能源，也是清洁能源。④一机多用，既可供暖，又可制冷，最大限度地利用了能源，利用制冷时产生的余热还可提供热水。⑤自动化程度高。机组内部及机组与系统均可实现自动化控制，达到最佳节能效果，同时节省了人力物力，它可根据室外温度变化及室内温度要求控制机组启停。⑥绿色环保、无污染。没有燃烧、没有排烟及废弃物，土壤源热泵系统只是利用地表浅层地热资源。

土壤源热泵存在的主要缺点：①土壤热导率较小，传热量较小。②连续运行时热泵的冷凝温度或蒸发温度随土壤温度的变化发生波动。③土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有较大影响，埋地换热器受土壤影响较大。

1.3.3 土壤源热泵地下埋管形式

土壤源热泵地埋管换热器有水平和垂直两种方式。水平地埋管换热器初投资较低，但是占地面积较大，并且由于埋得较浅，因此受外界环境影响较大，造成系统运行不稳定；垂直地埋管换热器占地面积小，运行稳定，应用最为广泛，但是由于埋管较深（通常为30m以上），钻井费用高，使系统初投资较高，成为制约土壤源热泵推广的瓶颈。

①水平埋管换热器

水平埋管热泵埋管系统有单层和双层之分，可采用U型、螺旋型等形式。单层是最早也是最常使用的形式，一般设计埋管深度为0.5~2.5m。双层埋管第一层深度约为1.2m，第二层深度约为1.9m，双层敷设降低了挖掘土方量和回填砂石量，相对单层来讲较为经济。

②垂直埋管换热器

垂直埋管换热器有浅埋和深埋两种，浅埋一般为8~10m。深埋根据地质条件与经济条件一般为30~180m。垂直埋管又有不同的形式，主要有垂直U型管式、垂直套管式、桩基式等。