地源熱泵的特點及發展

摘要：熱泵是從自然界中通過獲取空氣、水或土壤中的低品位熱，經過能量轉化，輸出可用的高品位熱能的過程，是一種清潔、高效的供能技術。由于熱泵是是當今最清潔、經濟的能源方式，因為它效率高，提取自然界中能量，沒有任何污染物排放。本文介紹了地源熱泵的特點及分類，并就目前地源熱泵在世界范圍內的發展現狀和市場前景進行深入剖析。

關鍵詞：地源熱泵 節能 土壤源熱泵

作為我國最傳統的供熱方式燃煤鍋爐，一方面造成嚴重的大氣污染；另一方面能源利用率低，資源浪費嚴重。然而隨著時代的進步以及節能減排的推廣，燃煤鍋爐在一些城市中正在逐漸消失，而燃油和燃氣鍋爐因為運行成本較高根本不能實行。社會經濟的發展大大提升了居民的生活質量，社會各界已開始關注公共建筑和住宅的供暖和制冷技術研究。不斷擴張的市場需求，使地源熱泵在技術、經濟等方面的優勢更加凸顯，它能較好地解決供熱和空調問題，滿足人們的日常生產和生活的需要。

1 地源熱泵的特點及分類

1.1 地源熱泵技術特點

環保：沒有外掛機，不產生噪音污染，工作不需冷卻，不存在熱島效應，不需要向周圍環境釋放熱量；不需要抽取地下水，不破壞地下水資源，使用電力驅動，對周圍環境零污染零排放，根本沒有燃燒過程。

性能穩定：實行全電腦控制，或者電話遙控，甚至可以進行新風配送和溫濕度控制。

使用壽命長：使用壽命至少為20年，是分體式或窗式空調器的2-4倍。

一機多用：夏季制冷、冬季供暖以及全年供應生活熱水。

1.2 地源熱泵的分類

在我國，地源熱泵亦稱地熱泵，根據地熱源的利用方式及種類，可以分為：地下水熱泵（GWHP）、土壤源熱泵或稱土壤耦合熱泵（GCHP）、地表水熱泵（SWHP）三類。

1.2.1 地下水熱泵系統

現階段，地下水熱泵系統被廣泛應用在商業建筑中。它最常用的形式是：一側走熱泵機組進行水冷卻；另一側走地下水，利用水-水式板式換熱器。在土壤源熱泵逐漸推廣應用以前，地下水熱泵系統已成為歐洲常用的地源熱泵系統。

1.2.2 土壤源熱泵

對于土壤源熱泵系統，熱泵的換熱器埋于地下，它是以大地作為熱源或者熱匯，與大地之間進行冷熱交換。土壤源熱泵系統主機通常采用水-水、熱泵機組、水-氣熱泵機組進行工作。土壤源熱泵系統按照地下熱交換器的布置形式，分為水平埋管、垂直埋管和蛇行埋管三類。

1.2.3 地表水熱泵系統

地表水熱泵系統主要有開路和閉路系統。在寒冷地區，只能采用閉路系統，開路系統并不適用。但是，管道或水中的其他設備在公共用的河中容易受到腐蝕和損害。另外，如果湖泊過小或過淺，就會產生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果，因為湖泊的溫度會隨著室外氣候發生較大的變化。總的來說，地表水熱泵系統具有造價低廉、相對泵耗能低、維修率低以及運行成本低等優點。

2 地源熱泵的由來及發展

從20世紀40年代后開始應用的地源熱泵，可以說是一項相當古老的技術。只是隨著近些年科學技術的進步，該技術的應用逐漸變成商業化。地源熱泵的名稱首次出現在1912年瑞士的一份專利文獻中，20世紀50年代該技術的應用在歐洲掀起了一股浪潮。地下埋管換熱器的線熱源理論，由Ingersoll和Plass在此期間根據Kelvin線源概念提出，但此系統因過高的造價與過低的能源價格之間的矛盾而未得到普及與推廣。70年代突發石油危機，人們開始廣泛關注節能課題。此時，塑料管已取代金屬管被廣泛應用在地下埋管供能系統中，自此，地源熱泵的發展達到全盛時期。在此時期，人們在冬季供暖中大面積應用水平埋管換熱器的地源熱泵。20世紀80年代初，冷暖聯供地源熱泵的研究和應用成為美國、加拿大等業界學者的熱點課題。很多文獻中都記載了地源熱泵不同形式地下埋管換熱器的傳熱過程及模型，同時附有部分工程的運行總結及性能比較。

美國的環境保護署與能源部共同認定，用于取暖、熱水、制冷的地源熱泵系統是現階段效率最高且有利于環境保護的供能系統。具體來講，該系統通過地下土壤或巖石的相對穩定溫度，為地源熱泵用戶的取暖及空調系統減少了20-50%的電費，在全年都能維持高效運行。

多區頂風系統、單區頂風系統、冷水變風系統、多區地源熱泵系統的效率比從一些文獻的計算結果可以看出，分別為1.54kw/ton、1.40kw/tom、1.23kw/ton和0.88kw/ton，kw/ton表示千瓦耗電/噸制冷量。由此可見，傳統的空調系統的工作效率已遠遠落后于地源熱泵系統。除此以外，建筑物若采用了地源熱泵系統，相同條件下的維護費用大大減少。地源熱泵系統比較耐用，其元部件多安裝在室內或地下埋設，很少受外界環境影響，因此其無需進行過多的機械運動。經驗證，該系統的地上部分和地下部分的服務年限分別為30年和50年，無需進行過多的維護，是免維護空調，在三年左右用戶的投資即可回收。

與普通空調系統相比，地源熱泵系統的運行費用要少得多。亞特蘭大市一家用戶每年只需支出826美元的費用，每年只需支出397美元便可滿足全年的地源熱泵系統的日常使用，而普通空調系統則需支付686美元。

除上述優勢以外，地源熱泵系統中的制冷劑全部經專業的生產廠家密封加工，保證不泄露，因而減少了對臭氧層的破壞，用戶任何時候均不必添補制冷劑。該系統可在新建筑施工時安裝，在面積不同、結構各異的居民建筑，以及就建筑物的改造中可廣泛應用，其極具彈性特點的設計理念對追求系統質量的空調用戶具有強大的吸引力。地源熱泵非常適合于夏季炎熱而潮濕的氣候，因其在去濕方面有特別的長處，因而若在地源熱泵系統的空氣配送裝置上加裝空調器，便能更加凸顯其去濕功能。由此可見，采用地源熱泵系統也可以達到室內空氣質量標準。

3 地源熱泵在中國的發展現狀及前景

近幾年來，我國已逐漸推廣應用地下水熱泵系統。而土壤源熱泵系統的研究仍停留在探索階段。

我國自1998年起進入土壤源熱泵的研發階段。國內已有多家學術機構已建立起土壤源熱泵實驗臺，主要開展對地下換熱器和地面熱泵設備長期聯合運行的研究。國內從2000年開始，濟南、重慶、米泉、長春和溫州紛紛建立起土壤源熱泵系統示范工程。土壤源熱泵系統越來越多地被房地產商所關注和采用。

我國建設部門自2001年10月起正式實施的《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中，對此項技術的研究和發展作了推薦。北京市政府機構會同相關科研部門以2008年奧運會為契機通力協作，基于國內外專家學者關于“綠色奧運、科技奧運”的提議，我國在2008年北京奧運會上特別指定采用地源熱泵中央空調作為中央空調型式。

早在毛主席紀念堂等國家建筑中就開始應用地源熱泵供能系統。國家分別將北京、天津、沈陽三個城市做為地源熱泵試點城市。現在這三個城市，甚至全國，大力發展地源熱泵。

4 結束語

隨著科學技術的進步，地源熱泵工程技術的研究也不斷產生新的突破。該供能系統在節能與環保方面具有傳統空調系統無法比擬的優勢，外界環境幾乎不影響系統穩定運行，可見其市場前景多么廣闊。可以說，該系統的研究和應用是現階段人們利用低溫熱能的最先進的技術研究，在全社會倡導能源節約的今天，熱泵技術這種最具競爭力的空調方式必將受到全世界的廣泛關注。

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