| 摘要：地源热泵系统是一种节能、环保、的能源利用技术，它充分发挥了浅层岩体的储冷储热作用，实现对建筑物的供暖和制冷，是一种典型的绿色技术。本文对地源热泵技术进行了阐述，介绍了地源热泵的原理及发展历史，分析了其形式及优点，对其与常规空调技术的技术特点及投资和运行费用进行了比较，分析了制约其发展的主要问题，并提出了地源热泵技术在中国的发展前景和展望。
关键词：地源热泵 供暖空调 冷热源 绿色技术 近年来随着资源和环境的问题日益严重，在满足人们健康、舒适要求的前提下，合理利用自然资源，保护环境，减少常规能源消耗，已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。地源热泵空调系统通过吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷热量，冬季从大地吸收热量，夏季从大地吸收冷量，再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能，是一种利用可再生能源的节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。 在中国，煤作为主要能源, 煤炭在我国能源体系中占主导地位，*以来，煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有主导地位，尽管近年来，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈现出上升的迹象。2002年煤炭在我国能源生产结构、消费结构中的比例分别由2001年的68.6%和65.3%上升为70.7%和66.1%【1】。特别在冬季,在国内的农村和部分城市几乎全部靠煤取暖。煤是各种能源中污染环境严重的能源,只有减少城市地区煤的使用,城市大气污染问题是才可能得到解决。现在各地都在采取措施控制燃煤的数量,选用电采暖、燃油或者燃气采暖等措施,但都存在运行费用高、资源不足和排放CO2这些问题。受能源、特别是一次性能源与环保条件的限制,传统的燃油、燃煤*空调方式将逐步受到制约。从降低运行费用、节省能源、减少排放CO2排放量来看,地源热泵技术是一个不错的选择。 地源热泵不需要人工的冷热源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和*空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时,它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。 地源热泵（ground source heat pumps, GSHP）系统包括三种不同的系统：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵，也有资料文献成为地下耦合热泵系统（ground-coupled heat pump systems, GCHPs）或者叫地下热交换器热泵系统（ground heat exchanger, GHPs）；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统（ground water heat pumps, GWHPs）；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统（surface-water heat pumps, SWHPs）。 1.地源热泵的工作原理 系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷，夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用；同样，冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样，通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换。 在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13℃以下的冷风的形式为房间供冷。 在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。 系统实际上是指通过将传统的空调器的冷凝器或蒸发器延伸至地下，使其与浅层岩土或地下水进行热交换，或是通过中间介质（如防冻液）作为热载体，并使中间介质在封闭环路中通过在浅层岩土中循环流动，从而实现利用低温位浅层地能对建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源利用技术。该技术可以充分发挥浅层地表得储能储热作用，达到环保、节能双重功效，而被誉为“21世纪有效的空调技术”。 2.地源热泵的发展历史 地源热泵的概念早出现在1912年瑞士的一份文献中。开放式地下水热泵系统在20世纪30年代被成功应用。20世纪50年代欧洲和美国掀起了研究地源热泵（GSHP）的次高潮，美国爱迪生电子学院早研究闭式环路热泵系统，印地安纳洲的印地安纳波利斯是早安装闭式环路地源热泵系统的。直到20世纪70年代，世界石油危机使得人们关注节能、用能，地源热泵的研究进入了又一次高潮，这时瑞典的研究人员开始将塑料管应用在闭式环路地源热泵系统上，地源热泵的推广应用迅速展开。 经过近50年的发展地源热泵技术在北美和欧洲已非常成熟，是一种被广泛采用的热泵空调系统。针对地源热泵机组、地热换热器，系统设计和安装有一整套标准、规范、计算方法和施工工艺。在美国地源热泵系统占整个空调系统的20%，是美国政府极力推广的节能环保技术。到1997年底，美国有超过3万台GSHP系统在家庭、学校和商业建筑中应用，每年约提供8000～11000GWh的终端能量，另据地源热泵协会统计，美国有600多所学校安装有GSHP。目前美国地源热泵的销售数量以每年20%的速度递增，2000年全美销售数量达40万台【2】～【3】。 在实际工程应用中，北美对地源热泵应用偏重于全年冷热联供，采用闭式水环热泵系统（WLHP）；欧洲国家偏重于冬季供暖，往往采用热泵站方式集中供热供冷。我国气候条件与美国比较相似，所以北美的方式对我国更具借鉴意义。 在我国，地源热泵的研究起始于20世纪80年代，近5年该项技术成了国内建筑节能及暖通界热门的研究课题，也开始应用于工程实践，与此相关的热泵产品应运而生，掀起了一股"地热空调"的热潮。在研究领域，过去几年里国内许多大学先后建立了地源热泵实验台，进行了地下埋管换热器与地面热泵设备联合运行的实验。研究工作主要集中在以下几个方面： （1）地下埋管换热器的传热模型和传热研究； （2）夏季瞬态工况数值模拟的研究； （3）热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究； （4）地源热泵空调系统制冷工质替代研究； （5）其他能源如太阳能、水电等与地热源联合应用的研究； （6）地源热泵系统的设计和施工； （7）地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究； （8）地源热泵系统与埋地换热器的技术经济性能匹配方面机组整体性能的研究； （9）土壤热物性及土壤导热系数的试验研究等等。 随着研究的深入，我们的地源热泵研究工作者在全国范围内举行了各种交流探讨会。中国制冷学会第二专业委员会主办了“全国余热制冷与热泵技术学术会议”；1988年中科院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”【4】；中国能源研究会地热专业委员会于1994年9月6日至8日在北京召开了第四次全国地热能开发利用研讨会；从90年代开始，每届全国暖通制冷学术年会上都有“热泵应用”的专题；2000年6月19～23日，中美地源热泵技术交流会在北京召开，会议介绍了地源热泵技术，国外的应用状况和在中国的推广；山东建筑工程学院地源热泵研究所与山东建筑学会热能动力专业委员会联合发起并承办“地源热泵新技术报告会”于2003年3月17日在山东建筑工程学院举行，加强了国内外地源热泵*技术的交流。在工程应用方面，1996年至2000年间在山东、河南、北京、辽宁、河北、江苏、上海等地建成了地源热泵工程，发展速度很快，地源热泵技术正被越来越多的人们所了解。 3.地源热泵系统形式 3.1 土壤热交换器地源热泵 土壤热交换器地源热泵（图2.（a）， （b））是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常称之为“闭路地源热泵”，以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器（geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger）。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和垂直埋管两种。水平埋管形式是在地面开1～2米深的沟，每个沟中埋设2、4或6根塑料管。 垂直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1～0.15 m的钻孔，在钻孔中设置1组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40～200m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情。管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。在液体温度较低时，系统中需加入防冻液，北方地区应用时应特别注意。 3.2 地下水地源热泵 地下水源热泵（图2.（c））的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入热泵换热，之后将井水回灌地下，这样的系统称为开式系统。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。开式系统在适当的地下水条件和建筑物参数下是一个有吸引力的选择方式，但必须谨慎的使用。 实际工程中更多采用闭式环路的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵的影响。通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行，根据温度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。由于地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外空气温度高，且具有较大的热容量，因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高，COP值一般在3～4.5，并且不存在结霜等问题。近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。 无论是深井水，还是地下热水都是热泵的良好低位热源。地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。 3.3 地表水地源热泵 地表水地源热泵系统（图2.（d））由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。 地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液换热后再排入水体。但水质较差时在换热器中会产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。 在实际工程中，有大量的应用特性可以帮助我们决定以上系统中的哪一种形式适宜选择。其中包括可用地下水含量、可用地表水面积、现场土地面积、潜在热回收能力、建筑物高度和规模、机房面积和当地规划要求等。 4.地源热泵系统的优点 地源热泵与常规空调技术相比有着*的优势。 表1 地源热泵与常规空调技术特点比较（1万平方建筑，负荷为100瓦/平方） | 项目 | 地源热泵*空调 | 溴化锂吸收式直燃机组 | 水冷机组 燃油（气）热水锅炉 | 水冷机组 电热锅炉 | | 占地面积 | 机房占地面积小可设在地下室 | 机房占用建筑面积，冷却塔占用屋顶面积储油设备需要占地面积 | 须冷冻站和锅炉房，冷却塔占用屋顶面积，储油设备需要占地面积 | 须冷冻站和锅炉房，冷却塔占用屋顶面积需要较大的电负荷 | | 设备寿命 | 20年 | 10年 | 冷水机组20年燃油锅炉10年 | 冷水机组20年，电锅炉15年 | | 水资源消耗量 | 只利用地下水的热量采用回灌技术，不消耗水资源 | 冷却水循环量的2%冬季供热的排污补水 | 冷却水循环量的2%冬季锅炉的排污补水 | 冷却水循环量的2%冬季锅炉的排污补水 | | 驱动能源方式 | 电能能源利用系数为3.8-4.5 | 燃油或燃气能源利用系数80% | 夏季：电能利用系数为3.5-3.8冬季燃油或燃气80% | 夏季：电能利用系数为3.5-3.8冬季90% | | 环境保护 | 无燃烧污染，水资源不和制冷剂接触，水没有污染 | 有燃烧污染，有一定的噪音和水霉菌污染（冷却塔） | 有燃烧污染，有一定的噪音和水霉菌污染（冷却塔） | 无燃烧污染，夏季有一定的噪音和水霉菌污染（冷却塔） | | 备注 | 需要一定量的水资源 | 机房需要设置自动安全报警系统 | 需要设置两套机组和人员，运行维护复杂锅炉房需要设置自动安全报警装置 | 需要设置两套机组和人员，运行维护复杂 | 它具有以下一些优点： （1）属可再生能源利用技术 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400m深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以成为之为地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳所散发的到地球上的能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层并类似于一种无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。 （2）属经济有效的节能技术 地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵冷、热源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，低能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的性和经济性。 据美国环保署（EPA）估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30%～40%的供热制冷空调的运行费用。 （3）运行稳定可靠 正是由于地层温度一年四季相对稳定，其温度的范围远远小于空气的波动，是很好的冷热源；同时由于温度的恒定性，使得系统运行更加可靠、稳定，也保证了系统的性和经济性。 （4）环境效益显著 地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其他节能措施节能减排量会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟；也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，可以*地改善其它空调方式的CO2 的排放。 （5）舒适程度高 由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区。 （6）一机多用，应用范围广 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的2套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。 （7）自动运行 地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，可无人值守；此外，机组使用寿命长，均在20年以上。 5.地源热泵空调系统的经济性分析 地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。如上所述，地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40～60％。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的性和经济性。 地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。地下耦合热泵系统地下埋管的初投资较高，但根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在3～7年内收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。 表2 地源热泵与常规空调投资及运行费用比较 | 冷热源方式及序号 项目 | 1 | 2 | 3 | 4 | | 地源热泵 | 冷水机组与燃气锅炉配套 | 冷水机组与城市热网配套 | 直燃式溴化锂冷热水机组 | | 冷热水机组（元/kw·冷量） | 600～800 | 560～700 | 560～700 | 950～1300 | | 燃气锅炉（元/kW·热量） | | 400～520 | | | | 热网（元/m2采暖面积） | | | 100 | | | 冷却塔（元/kW·冷量） | 无 | 40～60 | | 地下钻孔及埋管（元/kW） | 800～1400 | 无 | | 机房水泵、管道、控制等 | 基本相同（20～40元/m2） | | 建筑物空调末端 | 基本相同（100～160元/m2） | | 初投资概算比较 （冷指标100W/m2） | | 初投资（元/m2空调面积） | 340 | 280 | 330 | 280 | | 运行费用比较 （热指标100W/m2） | | 季节 | 夏季 | 冬季 | 夏季 | 冬季 | 夏季 | 冬季 | 冬、夏两季 | | 能源形式 | 电 | 电 | 天然气 | 电 | 供热网 | 天然气 | 轻柴油 | | 单位 | kW·h | kW·h | m3 | kW·h | m2·季 | m3 | 升 | | 价格（元） | 0.5 | 0.5 | 2.0 | 0.5 | 19.5 | 2.0 | 3.0 | | 热值 | 1000W | 1000W | 35600kW | 1000W | | 35600kW | 43000kW | | 效率 | 4.8 | 3.5 | 3.8 | 0.88 | 3.8 | | 0.88 | 0.85 | | 燃料耗量 | /m2·h | 0.021 | 0.029 | 0.0263 | 0.0115 | 0.0263 | | 0.0115 | 0.01 | | /m2·季 | 13.23 | 28.02 | 16.57 | 11.27 | 16.57 | | 18.52 | 16.1 | | 燃料费用（元/m2·季） | 6.6 | 14 | 8.29 | 22.54 | 8.29 | 19.5 | 37.04 | 48.3 | | 机房运行费用（元/m2·季） | 4.5元/m2·两季 | | 冷却塔运行费用 | 无 | 2元/m2.季 | | 全年运行费合计（元/m2） | 25.1 | 37.33 | 34.29 | 43.54 | 54.8 | | 费用比例 | 1 | 1.49 | 1.37 | 1.73 | 2.18 | 6.制约地源热泵发展的因素 影响地源热泵广泛应用的主要原因是对地源热泵发展核心技术问题的研究和认识还很有限。据新研究动态表明，它的核心技术问题是地埋式换热器的传热强化、地源热泵系统仿真及佳匹配参数的研究。另一个主要原因是地源热泵自身存在的缺点：地埋换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小，使地埋换热器的面积较大等。 研究地源热泵还存在以下几个有待解决的问题：关于埋地盘管的数学模型和土壤热场特点的理论研究还不够深入，仍处于试验阶段；由于它涉及钻探工程，使施工困难，系统投资比较大。 我国有关地源热泵的现成技术资料不多，缺少这方面的设计、生产、安装和维护人员，而且生产相关设备的厂家少，也是影响地源热泵在我国推广发展的主要因素之一。 7.结束语 1998年美国环保署颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国总统布什在他的得州宅邸中也安装了地源热泵空调系统【5】，以支持并鼓励这种新能源技术的发展。 我国成功申办2008奥运会，提出了“科技奥运、人文奥运、绿色奥运”的承诺，并在申奥报告中明确地写着要发展地源热泵技术以及其它绿色技术，实现对绿色能源地利用，从而实现“新奥运，新北京”。 地源热泵作为一种环保节能的空调方式，应该得到更为深入的研究，探索其关键性技术。目前在国内地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范,其推广应用还有待时日。但地源热泵技术在中国就像一个新事物必须经历挫折和教训一样逐渐地发展。作为一门新技术，它为我们的国家的可持续发展带来了契机，在不远的将来，随着国富民强，经济实力的提高和生活水平的进步，研究和技术人员的努力，在中国一定有广阔的市场前景。 |