地源熱泵應用

徐海光

（中國葛洲壩集團股份有限公司勘測設計院湖北武漢　430223）

地源熱泵應用

徐海光

（中國葛洲壩集團股份有限公司勘測設計院湖北武漢430223）

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（亦稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能現低位熱能向高位的轉移。地源熱泵系統應用情況調查研究分析報告》顯示，地源熱泵已地源熱泵已經受到廣泛關注，不同所有制形式企業都參與到其開發、應用之中，地源熱泵在我國長江黃河流域等廣大對冷熱都有需求的地區，具有較高適用性，在我國有很好的應用前景。

地源熱泵；原理；節能環保

1　前言

現國家大力提倡和鼓勵再生、可持續能源的開發和利用，地源熱泵作為可再生、可持續、新型環保的地源能的利用，國家也相繼出臺了一系列的法規和政策。比如《中華人民共和國節約能源法》的第四條：《建設部建筑節能“十五”計劃綱要》等等。都對地下能源在建筑中的利用推進做出了明確規定。

“地源熱泵”的概念，最早在1912年由瑞士的專家提出，而這項技術的提出始于英、美兩國。英國主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應用情況，對我國地源熱泵的發展有著借鑒意義。

地源熱泵的發展：

美國（The United States）1946年，美國第一臺地源熱泵系統在俄勒岡州的波蘭特市中心區安裝成功。

1973年，美國阿克拉荷馬大廈安裝了地源熱泵空調系統，并且進行全面的系統研究。

1978年，美國能源部（DOE）開始對地源熱泵投入了大量的科技研發基金。

1979年，美國阿克拉荷馬州能源部成立了地源熱泵系統科技研發基金會。

1987年，國際地源熱泵協會（IGSHPA）在阿克拉荷馬州大學成立。

1988年，美國俄克拉荷馬商務部開始對地源熱泵進行商務推廣。

1993年，美國環保署（EPA）大力宣傳地源熱泵系統，加深美國民眾對地源熱泵的認識。

1994年，美國政府第一套地源熱泵空調系統在俄勒岡州國會大學安裝，地源熱泵從此在美國政府，軍隊，電力公司等得到了大量應用。

1998年，美國環保署（EPA）頒布法規，要求在全國聯邦政府機構的建筑中推廣應用地源熱泵系統。美國總統布什在他的得克薪斯州宅邸中也安裝了地源熱泵空調系統。目前，全球75%的地源熱泵系統安裝在北美地區。

美國：是世界上地源熱泵生產、使用和發展的頭號大國。

2000年：400，000臺；

2004年：670，000臺；

2005年：1，000，000臺。

加拿大：2005年地源熱泵系統新增比例增加了50%。

瑞士、挪威：是世界上地源熱泵應用人均比例最高的國家，應用比例高達96%。

奧地利：應用比例為45%；

丹麥：應用比例為35%。

中國（China）1997年，美國能源部（DOE）和中國科技部簽署了《中美能效與可再生能源合作議定書》，其中主要內容之一是“地源熱泵”項目的合作。

1998年，國內重慶建筑大學、青島建工學院、湖南大學、同濟大學等數家大學開始建立了地源熱泵實驗臺，對地源熱泵技術進行研究。

2006年，1月，國家建設部頒布《地源熱泵系統工程技術規范國家標準》。

2006年，9月，沈陽被國家建設部確定為地源熱泵技術推廣試點城市，到2010年底，實現全市地源熱泵技術應用面積約占供暖總面積的1/3。

2006年，12月，建設部發布文件《“十一五”重點推廣技術領域》。作為新型高效，可再生能源新技術的水源熱泵技術被列入目錄。

2　地源熱泵概念

地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源（如電能）實現由低品位熱能向高品位熱能轉移。地源熱泵屬于一種空調系統，可以供暖，也可以制冷，與其他空調系統不同的是，其冷熱源為太陽能資源，不會對環境造成污染，屬于一種清潔技術。該系統將土壤與水體當成一個集熱器，用來收集太陽能并對其進行利用，這個巨型“集熱器”中可以收集將進一半的太陽輻射能量，超過人類所能利用太陽能的500倍；我們可以將這個系統理解為一個能量平衡系統，土壤和水體保持能量平衡，一邊會接收能量，一邊又會發散能量，地源熱泵技術就是要對這些將要發散出的能量加以利用，將該系統作為應用太陽能的一種途徑。

地源熱泵是利用大地（土壤，地層，地下水）作為冷熱源。在較深的地層中，土壤的溫度常年保持穩定，夏季時地下土壤的溫度比室外空氣的溫度低，冬季時比室外溫度高。在冬季時通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后為建筑供熱，使大地的溫度降低，蓄存了冷量；夏季時將建筑物中的熱量排到大地中，使大地的溫度升高，蓄存了熱量，這樣交替使用，提高了空調系統的能源利用率。

3　地源熱泵工作原理

熱量從高溫流向低溫是一種自然現象，與水往低處流是一個道理。但是人們可以應用能量守恒原理，利用能量的轉換使水從低處流向高處，同理也可以使熱量從低溫流向高溫，這就是地熱泵的工作原理，也是將地熱泵稱為“熱量提升裝置”的原因，其可以把環境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的1/3或更低，這就是熱泵節能的特點。

制冷模式：

系統在制冷時，機組中的壓縮機會對冷媒進行做功，完成汽-液轉化過程。在蒸發器中冷媒的作用下，熱量會被自然吸收到冷媒中，這些熱量是由風機盤管所攜帶。冷凝循環吸收熱量的同時，冷凝器內部發生冷凝作用，然后在水路循環作用下，這些熱量被吸走，轉移到土壤和地下水中。這樣就實現了室內溫度向地下的轉移，達到制冷目的，風機盤管會以冷風的方式向室內供冷，制冷溫度在13℃以下。

供暖模式：

系統在供暖時，壓縮機會對冷媒做功，冷媒流動方向會受到換向閥的控制。水路循環會自動吸收土壤和地下水熱量，這些熱量會在冷凝器蒸發作用下被冷媒吸收，冷媒在進一步循環的過程中會通過冷凝作用吸收熱量，這些熱量同樣是由風機盤管中的冷媒所攜帶。這就實現了地下熱量向室內的轉移，風機盤管會以暖風的方式向室內供暖，最高供暖溫度在35℃左右。

4　地源熱泵形式

4.1地下水源熱泵

地下水源熱泵是抽取地下水，經過水水換熱器與冷卻水進行熱交換或者直接與熱泵機組的換熱器進行交換，通過機組將熱量或冷量傳遞到房間，然后通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層或者排入地表水系統。此種系統采用地下水，會對地下生態造成一定的影響。

4.2地表水熱泵

利用江，河，湖泊或海等地表水作為冷熱源，從中取熱。地表水熱泵比較容易受自然條件的限制，夏季時環境溫度越高，水溫越高，建筑冷負荷升高，但系統制冷系數下降，冬季時環境溫度越低，水溫越低，建筑熱負荷升高，制熱系數下降。同時地表水源熱泵在取水和處理方面需要一定投資，如需要清理水中的浮游垃圾或者污泥，采取防腐蝕的管材或換熱器以避免水對換熱器或管道的腐蝕等。

4.3地埋管地源熱泵

地埋管地源熱泵系統是利用地下土壤中的熱量，通過與水平或者豎直的地埋管中的循環液進行熱交換，從而實現制冷或制熱。它通常有三個環路組成：室外環路，制冷劑環路，室內環路。室外環路主要由地下埋管組成的封閉環路，冬季從土壤中吸收熱量，夏季從土壤中吸收冷量；制冷劑環路主要指由蒸發器，冷凝器，壓縮機，節流閥四大部件及輔助設備組成的制冷機組環路；室內環路主要通過循環液體或氣體完成建筑與機組之間的換熱對于本建筑，采用集中空調系統，優先采用地源熱泵系統。根據本建筑所處地理位置，離江河湖泊較遠，敷設管道復雜，同時考慮到對地下生態環境的影響，采用地埋管熱泵系統。

5　地源熱泵系統特點及優勢

5.1高效節能

土壤淺層溫度比較穩定，即使季節更換也不會發生太大變化，因此熱泵的動載荷波動不大，不會發生太大磨損，運行起來比較穩定，如果沒有特殊情況熱泵的使用壽命至少可以達到20年，滿足高效節能要求的同時，可以達到理想的經濟效益。

對于冬季來說，土壤淺層以及地下水溫度在16～18℃之間，即使是容量較大的地表水，溫度也在6～14℃之間，比空氣溫度要高出很多，熱泵在運行過程中能效比系數明顯提升，壓縮比明顯降級，與一般空氣源熱泵相比，最多可以節約一半能耗。

對于夏季來說，土壤表層與地下水溫度在18～20℃之間，即使是容量較大的地表水，溫度也在22～26℃之間，比空氣環境要低出很多，冷凝壓力明顯降低，與一般制冷空調相比，可以幫助用戶節約一半費用。

5.2一機多用功能

地源熱泵系統可供暖氣、冷氣實現舒適空調，可取代常規的鍋爐加空調的兩套裝置。如果熱源條件允許，機組還可以為用戶提供生活熱水，不僅使用起來方便，不僅經濟實惠，而且使用起來非常方便。

5.3環境效益顯著（略）

5.4優勢

與普通熱源泵相比，地源熱泵不會產生熱氣流導致溫室效應；與煤鍋爐相比，其不需要通過燃燒獲取能量，不會向空氣中排放二氧化硫（是造成大面積酸雨的主要原因），也不必擔心燃燒物存儲安全問題。其在運行過程中也不會產生廢棄物，所有能量的轉移都將土壤以及地下水作為介質，不會消耗這些資源，更不會對水資源造成污染。

實際上地源熱泵所利用的能量都是存儲于土壤和地下水中的太陽能，這些能源具有清潔、可再生的特征，供暖和制冷過程同時滿足低費用、低能耗、低污染和高效率的要求。

地源熱泵與風冷熱泵相比，節能40%；與電采暖相比，節能70%；與燃氣爐相比，效率提高48%。

地源熱泵系統運動部件要比常規系統少，因而減少維護，系統安裝在室內，不暴露在風雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。

地源熱泵系統在運行中無需燃燒，因此不會產生有毒氣體，也不會發生爆炸。

由于地源熱泵系統的供冷、供熱更為平穩，降低了停、開機的頻率和空氣過熱和過冷的峰值。這種系統更容易適合供冷、供熱負荷的分區。

地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達50年。

地源熱泵以電動動力，夏季向土壤中排放熱量，冬季從土壤中汲取熱量，不需另設排熱設備以及燃燒能源獲得熱量；各機組可獨立啟停，僅有部分房間需要空調時不會浪費能源；在過渡季節根據不同的需要，各機組獨立供熱或供冷，能源交替轉移利用，不要啟動冷熱源；有明顯內外區項目，冬季可轉移利用內區余熱給外區供熱；年運行費用比傳統中央空調系統節能30%以上。

6　地源熱泵系統存在的不足

地源熱泵系統在使用過程中也存在很多不足，其中最主要的問題就是土壤熱不平衡。由于南方地區溫度較高，因此主要以供冷為主，系統運行時主要是向地面注入熱量；而北方則正好相反，需要長期從土壤和地下水中吸收大量熱量，這種不均衡會導致地下溫度失衡，導致生態環境受到影響。南方制冷能量要多于供暖能量，對這些多余的熱量可以統一回收，用于生活熱水供應，緩解土壤熱不平衡現象。而北方通常另配鍋爐，供暖，來平衡土壤熱的問題。

地源熱泵在應用過程中還會受到很多其他因素的影響，包括國家能源政策、能源市場價格等。同時，能量轉換的介質是土壤和地下水，因此該系統在使用過程中會受到當地水資源的影響。建設該系統時需要做大量打井和埋管工作，因此會受到場地條件的限制。另外，設計過程中要充分考慮冷熱平衡問題，要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。

7　總結

地源熱泵作為高效節能環保的能源應用，是再生資源的轉換，不排放任何污染，是清潔能源。對周圍環境影響小。同時它能保證空調系統運行的穩定性、可靠性和經濟性。盡管這項技術在中國的推廣應用才剛開始，但是由于其獨特的優越性，已經引起國家、科技人員對其的高度重視。

通過國家相關法規，政府部門和科研機構的共同努力，借鑒國外的成功經驗，我國的地源熱泵技術應用將得到高速的推廣和發展。

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TU831.3

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2015-12-1