土壤源熱泵的研究現狀與發展前景

摘要：本文概述了地源熱泵系統的分類及特點，重點分析了土壤源熱泵在國內外的研究及發展現狀，提出了土壤源熱泵技術在我國發展所面臨的問題及發展前景。

關鍵詞：土壤源熱泵 地埋管 研究現狀 發展前景

0 引言

隨著常規能源日益短缺，可再生能源的開發與利用日益引人關注?？稍偕茉词侵改軌虺掷m生長而可供人類長期使用的能源，包括：太陽能、風能、海洋能、水力發電、生物質能、地熱能、生物燃料及氫能等。其中地熱能是指地球表面淺層土壤通過吸收太陽輻射能或地球內部物質發生衰變放出熱量等從而形成的較低品位的熱能資源。淺層土壤在一年內溫度基本恒定，通常為18℃左右，因此，在夏季可作為空調系統的冷源，而在冬季又可作為采暖系統的熱源。利用地能的主要設備就是地源熱泵。

1 地源熱泵的類型、工作原理及特點

地源熱泵是一種高效節能環保既可制冷又可供暖的新型空調系統，它利用地下淺層地能資源（主要是地下水、地表水、土壤等），為建筑物提供熱量或冷量。地源熱泵系統通過輸入少量的高品位能源（如電能），在冬季，將地下的熱量取出來，由低溫熱源傳向高溫熱源，給室內供熱；而夏季的熱量傳遞方向則相反，將室內的熱量取出，釋放到地下，從而使室內溫度降低達到空調效果。根據使用的低品位熱源的來源或種類不同，地源熱泵可分為地下水源熱泵、地表水源熱泵及土壤源熱泵三種。

1.1 地下水源熱泵

地下水源熱泵是通過鉆井由水泵將地下水抽出作為冷、熱源，經過熱交換后再回灌入地下。地下水一年四季溫度基本穩定，夏季比外界環境溫度低，冬季比外界環境溫度高，是良好的冷源和熱源。水作為世界最為寶貴的資源之一，任何對水資源的浪費和污染都是不允許的。國外對使用地下水要求也越來越嚴格，因而地下水源熱泵的應用越來越少，我國一些大中城市不允許打井取水；而且如果水硬度過大也會造成換熱器表面結垢，熱泵系統的傳熱性能下降。地下水源熱泵的鉆井有單井和多井兩種，典型單井的直徑為150mm，井深450m。多井系統的抽水井和回灌井分別是兩組井，為避免井井之間的熱干擾，兩井之間要保持一定距離，一般為50m，抽水井和回灌井定期交換使用有利于保持兩井的出水和回水性能[1]。

1.2 地表水源熱泵

地表水源熱泵是以河流、池塘、湖泊或城市污水作為熱泵的低溫熱源，將蒸發器置于水中，制冷劑直接蒸發吸熱。該熱泵只有在靠近江、河、湖、海等大容量自然水體的地方，才有條件利用這些自然水體作為熱泵的低溫熱源。地表水源熱泵初投資較低，運行較穩定，但與空氣源熱泵類似，地表水受環境溫度影響較大，當環境溫度越低時，熱泵的供熱量越小，熱泵系統的性能系數會顯著降低。此外，地表水水質可能使換熱器表面結垢甚至腐蝕換熱器，使傳熱性能下降。

1.3 土壤源熱泵

土壤源熱泵是利用地下土壤作為冷、熱源，將換熱管直接埋于地下一定深度的土壤中，管內的水通過管壁與土壤換熱后，將土壤中的熱量或冷量輸入熱泵系統。文獻表明[2]，地下5米以下的淺層土壤溫度基本保持不變，約為當年的年平均氣溫，夏季比外界環境溫度低，冬季比外界環境高，是很好的冷、熱源，并且運行過程中不破壞地下水質。

1.3.1 土壤源熱泵工作原理

土壤源熱泵系統主要有三部分組成：地埋管換熱器、土壤源熱泵機組和室內空調末端。夏季，地埋管換熱器中的水與土壤進行熱交換，水釋放熱量后，通過水泵進入冷凝器，在冷凝器中吸取制冷劑的熱量，然后再循環將熱量傳給地下土壤；同時冷凝器中的制冷劑被冷卻，通過膨脹閥進入蒸發器；在蒸發器中制冷劑吸收室內空調系統中循環水的熱量，從而降低循環水的溫度；循環水與室內空氣進行熱交換，從而降低室內空氣溫度，達到人們舒適的溫度值；制冷劑吸收熱量后，進入壓縮機壓縮，之后進入冷凝器，如此循環。

1.3.2 土壤源熱泵的特點

土壤源熱泵的優點：

①機房占地面積小，節省空間與投資，可設在地下。土壤源熱泵系統節省了空間和土地，因為它沒有集中式空調集中占地問題，沒有冷卻塔和其他室外設備。②高效節能。土壤源熱泵系統的COP值一般為3~6，每年運行費用可節約40%左右，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右。③利用可再生能源。土壤源熱泵技術利用儲存于地表淺層近乎無限的地能，地表淺層地熱資源(地能)作為冷熱源進行能量轉換，它既是可再生能源，也是清潔能源。④一機多用，既可供暖，又可制冷，最大限度地利用了能源，利用制冷時產生的余熱還可提供熱水。⑤自動化程度高。機組內部及機組與系統均可實現自動化控制，達到最佳節能效果，同時節省了人力物力，它可根據室外溫度變化及室內溫度要求控制機組啟停。⑥綠色環保、無污染。沒有燃燒、沒有排煙及廢棄物，土壤源熱泵系統只是利用地表淺層地熱資源。

土壤源熱泵存在的主要缺點：①土壤熱導率較小，傳熱量較小。②連續運行時熱泵的冷凝溫度或蒸發溫度隨土壤溫度的變化發生波動。③土壤的熱工性能、能量平衡、土壤中的傳熱與傳濕對傳熱有較大影響，埋地換熱器受土壤影響較大。

1.3.3 土壤源熱泵地下埋管形式

土壤源熱泵地埋管換熱器有水平和垂直兩種方式。水平地埋管換熱器初投資較低，但是占地面積較大，并且由于埋得較淺，因此受外界環境影響較大，造成系統運行不穩定；垂直地埋管換熱器占地面積小，運行穩定，應用最為廣泛，但是由于埋管較深（通常為30m以上），鉆井費用高，使系統初投資較高，成為制約土壤源熱泵推廣的瓶頸。

①水平埋管換熱器

水平埋管熱泵埋管系統有單層和雙層之分，可采用U型、螺旋型等形式。單層是最早也是最常使用的形式，一般設計埋管深度為0.5~2.5m。雙層埋管第一層深度約為1.2m，第二層深度約為1.9m，雙層敷設降低了挖掘土方量和回填砂石量，相對單層來講較為經濟。

②垂直埋管換熱器

垂直埋管換熱器有淺埋和深埋兩種，淺埋一般為8~10m。深埋根據地質條件與經濟條件一般為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、樁基式等。

2 土壤源熱泵的研究現狀

2.1 國外研究現狀

1912年瑞士Zoelly首次提出了利用地下土壤作為熱泵系統低溫熱源的概念，并申請了專利。直到20世紀50年代，該技術才逐漸引起了人們的注意，歐美各國開始研究土壤源熱泵。土壤源熱泵有許多基礎性的理論如“開爾文線源理論”及其數學模型都是當時開發的[3]。

19世紀70年代，出現了世界能源危機，地源熱泵又受到重視，激起人們對其研究的興趣。1974年，歐洲開始了30個工程開發研究項目，發展地源熱泵的設計方法、安裝技術并積累運行經驗。瑞典安裝了6000個水平地下埋管系統；德國也有大量的此類工程出現，所有的地源熱泵系統都只用于供暖，且主要安裝水平埋管；美國自1977年開始，重新開始了對土壤源熱泵的大規模研究，最顯著的特征就是政府積極支持與倡導。

2.2 國內研究現狀

20世紀80年代，地源熱泵在我國逐漸興起。1983年在北京召開的中國制冷學會地源熱泵與熱泵技術會議發表了我國在這方面的研究成果，并指出必須進一步探討利用熱泵提高能源利用率的問題。從20世紀90年代開始，每屆全國暖通制冷學術年會上都會有“熱泵應用”的專題。1998年是我國在該領域的一個里程碑，國內專家建立地源熱泵試驗臺，研究換熱效率。1998年重慶建筑大學在國家自然科學基金資助下建立了包括淺埋垂直地埋管換熱器和水平埋管換熱器在內的實驗臺[4]。同年湖南大學建設了水平理管土壤源熱泵實驗裝置[5]。2003年，曾和義等[6]采用準三維模型對于對稱布置的雙U型埋管地熱換熱器鉆孔內的傳熱情況進行了分析研究。宋小飛等人采用CFD仿真模擬軟件對U形地埋管換熱器系統中的流動和傳熱進行了數值模擬，研究了地埋管換熱器的換熱效率與管間距、回填材料導熱系數的關系[7]。袁艷平等人對地源熱泵地埋管換熱器的傳熱研究進行了綜述，介紹了地埋管換熱器的分析解(包括線性源理論和圓柱源理論)、數值解的研究情況，分析了埋管之間的熱干擾、地下水、回填材料以及管內循環流體的流量對地源熱泵運行特性的影響[8]。

3 土壤源熱泵的發展前景

土壤源熱泵在發展過程中還存在以下問題：

①土壤特性方面，不同地點的土壤特性有所差別，我們需進行重新研究或者相應的修正，在一個地區的研究結果可能不適用于另外一個地區。

②地下換熱器與熱泵系統最佳匹配技術研究的不夠，造成整個系統的COP值不夠高，地下換熱器傳熱機理研究方面較多，但是缺乏與實踐的有機結合。

③在初投資方面，由于鉆井費用較高，可能會占到整個系統初投資的20%-50%，初投資較高，影響其發展。

④在觀念方面，人們在選擇土壤源熱泵時會有阻力，擔心有技術風險，主要是由于空氣源熱泵等的技術相對成熟。

我國不但能源短缺，而且能源利用率較低，據統計，我國總的能源利用率約為34%，僅相當于發達國家20世紀80年代的水平。就土壤源熱泵而言，所需的熱量有70%來自于地下，系統運行時所消耗的電能較少，因此，土壤源熱泵技術的應用在一定程度上能緩解我國的能源壓力。

長期以來，在我國能源的消費中，煤炭占70%左右，能源結構有待改善。土壤源熱泵沒有燃料燃燒時所排放的污染物，減少了大氣污染，這項技術能緩解我國城市空氣污染問題，對我國實現可持續發展起到促進作用。隨著環境保護更加深入人心及節能意識的增強，具有節約常規能源、充分利用可再生能源、減少環境污染等優點的熱泵必將備受青睞。

我國地域廣闊，蘊藏著豐富的土壤熱能，有發展地源熱泵的潛力。這項技術的應用可以在一定程度上調整我國能源結構不合理的局面，并且是降低常規能源能耗的有效方法。我國的地源熱泵應用處于起步階段，但發展迅速，隨著政府及群眾的重視，這項技術將有廣闊的發展空間。因地制宜選擇地源熱泵的形式可以提高對現有地熱源的利用率，是目前開發低溫熱能的重要手段，將對中國節能減排工作起到促進作用。

參考文獻：

[1]周政平.水源熱泵空調應用.浙江建筑，1998，（1）：34-38.

[2]呂麗霞.地源熱泵地下換熱埋管傳熱特性研究[D].大連理工大學，2005.

[3]Bose J E，Parker J D.Ground-coupled heat pump research[J].ASHRAE Transactions，1983，89(2):375-390.

[4]王勇，劉憲英，付祥釗.地源熱泵及地下蓄能的實驗研究[J].暖通空調，2003，33(5):21-23.

[5]魏先勛，李元旦，林玉鵬等.土壤源熱泵的研究[J].湖南大學學報，2003，27(2):62-65.

[6]曾和義，方肇洪.雙u型埋管地熱換熱器的傳熱模型[J].山東建筑工程學院學報，2003，18(1):11-17.

[7]宋小飛，溫治，司俊龍.地源熱泵U型管地下換熱器的CFD數值模擬[J].北京科技大學學報，2007，29(3):329-333.

[8]袁艷平，雷波，余南陽等.地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究[J].暖通空調，2008，38(4):25-32.