地源热泵系统在我国的发展和应用

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摘要：地源热泵系统主要有三个类别，分别是土壤源热泵、地下水热泵系统、地表水热泵系统，作者先后对这三类技术及其各自特点进行了详细的分析和介绍。

关键词：地源热泵 技术 系统 发展

中图分类号： U173.3 文献标识码： A 文章编号：

地源热泵(GSHP)技术以大地中的低品位热源为冷热源，是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地表水、岩土体、地下水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统，具有节能环保的特点。该系统把浅层岩土体作为热泵系统的热(冷)源或热汇，即在在冬季供热过程中，流体从土壤中收集热量，再通过系统把热量带到室内，夏季把室内的热能取出来储存到低于地表环境温度的土壤中，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。近些年，随着世界范围内的能源紧张，同时可再生能源应用获得的国家的政策扶持，地源热泵行业发展迅速。本文接下来将多方面介绍地源热泵系统在我国的发展和应用情况，希望能够帮助人们更加深入的了解地源热泵技术。

地源热泵系统及其特点

地源热泵的工作原理是：由电能驱动压缩机，使工质循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中汽化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热(或制冷)功能。

1.1地源热泵系统

地源热泵系统是一种利用地表浅层地热资源作为冷热源，实现对建筑物的供暖或供冷的高效节能的空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，蕴藏着无限的可再生能源，地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)，通过热泵实现低温位到高温位的能量转移。在冬季利用热泵吸收其热量向建筑供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放，实现对建筑物的供冷。其工作原理大都是通过外部管道及阀门的切换来实现冬夏工况的转换，夏季空调供、回水走蒸发器，水源水走冷凝器，冬季空调供回水走冷凝器，水源水走蒸发器。

地表浅层地热资源的温度计一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是热泵很好的供热热源和供冷冷源，这种特性使得地源热泵比传统空调运行效率要高35％左右，通常地源热泵机组的性能系数COP(指其制热量与所消耗的电能的比值)达到3．8—5．4，即消耗lkW的能量可以得到4kW以上的热量或制冷量。

1.2地源热泵系统构成

地源热泵系统由地表浅层地热资源、地热能交换系统、热泵机组、建筑物内系统(末端装置)组成一完整的供热空调系统。

1.3 地源热泵系统特点

1．节能。地源热泵系统利用地表浅层地能进行供热、制冷，与使用煤、气、油等常规能源供热制冷方式相比，地源热泵系统供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，节约了煤、气、油等这些常规的不可再生能源；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的水耗。

2．环保。利用地源热泵系统供热、制冷无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染，不产生废渣、废水、废气和烟尘。

3．运行效能高、费用低。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得地源热泵系统换热效率很高。因此，产生同样热量或冷量，其只需小功率的压缩机就可实现，大大减少了电能消耗。其耗能仅为普通中央空调和锅炉系统的50％-60％。

4．便于建筑物景观设计。传统的空调供热，要有一个锅炉房，空调一般要在楼上放一个冷却塔。地源热泵系统免设锅炉房，又避免了在楼顶设置冷却塔。

二、地源热泵的分类及其各自特点

2.1 土壤源热泵

土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。垂直埋管换热器通常采用的是U形方式，按其埋管深度分为浅层(100 m)三种。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：占地面积小；土壤的温度和热特性变化小；需要的管材最少，泵耗能低；能效比很高。而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。除需要较大场地外，水平埋管换热器系统的劣势还在于：运行性能不稳定；泵耗能较高；系统效率降低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器的20％～30％，但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所以有的将其归入水平埋管换热器。

2.2 地下水热泵系统

最常用的系统形式是采用水一水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。地下水热泵系统的优势是：造价比土壤源热泵系统低，水井很紧凑，不占场地，技术也相对比较成熟。其劣势就在于：1)有些地规禁止抽取或回灌地下水；2)可供的地下水有限；3)水质不好或打井不合格要注意水处理；4)泵选

择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。

2.3 地表水热泵系统

地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他设备容易受到损害。与其他供冷或供热系统相比具有以下特点：1)稳定的热源；2)良好的蓄热能力；3)良好的环保特性；4)制冷供热一体化；5)无需除霜。当然，地源热泵也存在一些不足之处，其中最主要的是初投资较大：地源热泵的初投资不仅包括传统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括地下换热埋管、投埋地盘管敷设投资以及购买敷设盘管所需土地的使用权或所有权的投资。

三、地源热泵系统的管理机制和前景

地下热平衡问题在土壤源热泵系统设计与使用过程中必须受到足够重视，一个不考虑热平衡方案的设计是一个不完善甚至冒险的设计，长期运行后不仅会出现效率地下，而且还会对生态环境造成难以预测的影响。地下热平衡问题作为土壤源热泵应用上的一个技术难题，完全可以在正确认识土壤源热泵工作原理实质的基础上，通过前期的优化设计与后期规范化的运行管理来缓解与解决，这可以通过政府主管部门的政策制度、业内的正确宣传及设计部门、施工部门与运行管理部门的共同配合来实现。为了保护地下的地质环境和地下水资源、保护业主与用户的利益，及时地发现问题并纠正错误实现真正的可持续发展，2002 年起国土资源部、国家发改委等部门及各省市陆续颁布了关于规范浅层地热能和地源热泵利用的相关文件。在当前全地源热泵系统工程建设正朝着规模化发展和区域性利用的时刻，需要主管部门对地源热泵系统工程推行与实施监测管理合鼓励研发机制。

在国家科技部、住建部的支持下，“十一五”规划就已经安排了对浅层专项研究如：地源热泵对环境的影响、节能优化方法、系统检测技术等。国家之所以不断的加大对地源热泵技术的研究和探索，是因为地源热泵技术应用可以调整我国能源结构、降低传统能源能耗符合长期能源规划战略。“十二五”规划针对目前对浅层地热能开发利用的现状和问题，再次要求综合考虑资源、地质、地下空间利用及应用条件等因素，在开展浅层地热能资源调查与评价基础上，研究开发利用管理机制，编制技术规程，稳妥积极地开展地热能开发利用。鼓励在有条件的公共建筑以及大型居住社区、商务区和新城规划建设中，科学合理地开发利用

浅层地热能。可以说建筑节能取得的成效一年比一年大，但建筑节能并不能一蹴而就，需要一个漫长的过程，在这过程中需要我们共同的努力。

结语：

目前，世界各国的经济和工业的发展都是以大量消耗能源为基础的，随着世界范围内的能源紧张，世界各国都在发展和研究新能源，地源热泵技术就是在这样的情况下得到了迅速的发展。

参考文献：

[1] 杨卫波.土壤源热泵系统地下热平衡问题分析.2009

[2] 徐伟等译.地源热泵工程技术指南.中国建筑工业出版社.2007