综述土壤源热泵系统供热和制冷的建筑Ioan Sarbu∗, Calin Sebarchievici罗马尼亚蒂米什瓦拉理工大学构建服务工程系关键字：地热能源、热泵、地下热交换器、热响应测试、能效、环保性能摘要：由于地源热泵在能效和环保性上有着很大的优势，因而在世界各地有大量的地源热泵热泵(GSHP)系统用于住宅和商业建筑上。

GSHP在供热和制冷领域被证明是可再生能源技术。

本文提供了一个详细综述GSHP系统的文献及其最新进展。

热泵工作原则和能源效率被首次定义。

然后一般介绍了GSHPs及其发展,以及地表水 (SWHP)、地下水(GWHP)和热泵系统(GCHP) 的详细描述。

最典型的垂直地面的地面热交换器热响应试验模型总结了目前包括钻孔内的传热过程。

此外,一些新的GWHP技术使用换热器有特殊施工,并将GCHP供热和制冷结合从而获得更好的能源效率。

以及制冷和供热受自动控制建筑的各种混合GCHP系统描述。

最后,对由能源、经济和环保组成的闭环GCHP系统也进行了简要的评述。

发现GSHP技术用在寒冷和炎热的天气中节能潜力是巨大的。

1 前言：当然经济可持续发展战略的实施,促进效率和理性建筑能源消耗的主要能源消费国是罗马尼亚和其他成员国的欧盟(EU)。

建筑能源代表了最大、最划算的节能潜力。

此外,研究表明节能是最有效的方法减少温室气体排放(GHG)。

目前建筑几乎80%的能量是对热的需求，建筑的热能主要用于供暖和热水,而对冷的能源需求在逐年增长。

为了实现减少化石燃料消费和二氧化碳排放的伟大目标，Kyoto-protocol 除了提高能源使用效率外还解决了现有和将来建筑可再生能源的存量问题。

2008年12月17日,欧洲议会通过了可再生能源的法案。

它建立了一个通用的框架,以促进可再生能源利用。

该法案为现有的和将来的建筑进一步使用热泵供热和制冷开启了一个重要的机会。

热泵使环境温度达到所需制冷和供热的温度水平需要电力或其他能源形式。

从环境得到的能量Eres,即被热泵利用的可再生能源能够用下面的公式计算：res u 1=E 1E spe ⎛⎫- ⎪⎝⎭其中u E 是由热泵理论吸收的能量，spe 是热泵理论的季节性性能系数。

热泵的spe 系数>1.15/＿，其中＿指总的电力生产力和主要的电力能源消耗之比，对于欧盟国家＿平均值为0.4，这意味着季节性性能系数spe 的最小值应该> 2.875。

地源热泵(GSHP)系统使用土壤/水源作为源提供热源以及制冷以及日常用热水。

GSHP 技术相对于传统空调(A / C)系统有更高的能效，由于地下环境提供了较高的供热温度和较低的制冷温度，这使得其温度波动小于环境温度变化。

第一个有记录的以地面作为热源的热泵专利于1912年在瑞士被发现[2]。

因此,关于GSHP热泵系统的研究已经进行了近一个世纪。

第一个GSHP热泵技术的研究高潮开始在二战后的北美和欧洲,一直持续到20世纪60年代早期,当时天然气和石油是广泛使用的供热燃料。

那时英格索尔和布特就提出了关于热泵热传导的基本分析理论 [3],它可作为之后开发一些设计项目的基础。

第二次关于GSHPs热泵的研究高潮开始在北美和欧洲，在20世纪70年代第一次石油危机后,此时注重于对热泵的实验考证。

在接下来的二十年里,进行了相当大的努力来建立安装标准和为垂直井眼系统开发设计方法[4 - 6]。

迄今为止,GSHP系统已经广泛用于住宅和商业建筑。

据估计,近年来GSHP系统安装每年在全球10%的基础上不断发展到30%不等。

本文主要提出了一个详细的综述了GSHP技术的文献,专注于地源热泵(GCHP)系统。

首先,定义了热泵的工作原理和能源效率。

然后,对GSHPs及其发展、典型的仿真模型进行了详细描述,总结了目前垂直地面热交换器、新的地下水热泵(GWHP)使用热交换器的特殊施工、实验室的测试以及用热泵系统结合供热和制冷获得更好的能源效率。

最后, 简要回顾了能源、经济和环保性的闭环GCHP热泵系统和先进的GCHP热泵系统工程应用。

2 热泵的工作原理热泵是一种基于逆卡诺热力循环的热量装置(消耗驱动能源并产生热效应)。

任何热泵都是通过消耗驱动能源ED实现热量ES从低温源ts向高温源tu传递。

•热源可以是:气体或空气(室外空气、通风过程的热风、工业废气)；液体：一般是水:地表水(河流、湖泊、海洋),地下水,排气的热水(家用、工业的循环冷却塔)；土壤：优势是易于利用。

•热量的利用：热泵产生的热能有着高的温度,这取决于热量的利用途径。

这种能量可以用来:——环流供暖;热泵加热与之相关的低温物体:辐射板(地板,墙壁,天花板)、热传导或热对流;——加热水(水池,生活、工业用热水);建议供热与制冷用户相结合。

这可以实现供热-制冷可逆转化，从而使达到系统双重效果。

在制冷模式下, 热泵与中央空调运行完全一样。

•驱动能量：热泵可以用作驱动不同的能量形式。

——电能(用电实现压缩)；——机械能(用膨胀涡轮实现机械压缩)；——热力学能量（蒸汽喷射系统)；——热能（吸收式循环）；——热电效应能量(珀尔帖效应)。

热泵系统是指那些用电能实现压缩的，升温的过程是使低温升高到超过38◦C并使热量传递到室内[4 - 6]。

包括蒸发,压缩、冷凝、膨胀组成的循环(图1)。

这样一个使用无氟制冷剂的热能系统被用作了供热系统。

图1：热泵的工作原理3 热泵的节能3.1 性能系数热泵的运行特点是性能系数(COP)衡量的，COP 是指产生的有效作用(有用热能EU)和总的能源消耗(驱动能源ED)的比值:U DE COP E = 如果一个季度（年）所有的可用能量Eu 和消耗能量Ed 都是由Eq 获得。

那么季节性能系数(COPseasonal)通常用SPF 表示。

在供热模式下COP 可以用下面方程式表示：g p t em ηηηη=在上式中：Q HP 是热泵的热功率（能量），单位W 。

Pe 是热泵的驱动能量, 单位W 。

在制冷模式下，热泵与中央空调运行完全一样，能效比（EER ）和制热模式时COP 类似，表述的是制冷时性能系数。

EER 用下面公示定义：单位Btu/(Wh)0Q EER Pe= 在上式中：0Q 指热泵产生的冷量，英制单位是：Btu/(Wh)，Pe 指热泵的驱动功，单位：W热泵在制冷模式时的能效比也可用下面公式表示：3.413EER EER = 上式中3.413是单位Watt 转换到Btu/h 是换算系数。

图表2给出了热泵制热模式时，COP 随环境温度ts 以及室内温度tu 变化时的波动情况[8]图2：热泵的能效波动地源热泵系统用地下水或者锅炉制热时COP 值在3.0到4.0之间波动。

制冷时EER 在11.0到17.0之间波动。

当应用供热和制冷组成的闭环系统时，COP 值在2.5到4.0之间，EER 值在10.5到20.0之间。

热泵的大小因数（SF ）定义为：热泵热功率与热泵最大热量需求的比值。

max HP Q SF Q 就能源和经济性而言，热泵的大小因数SF 可以根据环境温度和使用用途而很好的利用。

3.2电能压缩式热泵的收益能力影响热泵的效率生命周期的因素有：（1）当地的电能；（2）气候条件；（3）热泵的形式（水源或者空气源）；（4）制冷剂；（5）热泵的大小；（6）温度控制；（7）安装质量考虑到热泵具有很高的能效比，在评估热泵时通常用一个综合的能量指标来衡量热泵的效率。

s g COP ηη=其中g p t em ηηηη=在上式中g η是总的能效系数；p η、t η、em η分别是电能的产生、运输以及电动机的能量系数。

为了正确评估热泵系统，综合指标系数g η必须满足的条件s η>1。

也就是只有COP>2.78时才考虑使用热泵。

COP 值受热力学第二定律限制：在制热模式时：u c u st COP t t ε≤=- 在制冷模式时：s u st COP t t ≤- 上面两式中u t 、s t 分别是热源（冷凝）、冷源（蒸发）的绝对温度，单位：K 的最大效率值可以由逆卡诺循环得到。

4 热泵的形式热泵的组成：（1）热源和汇（2）冷热流体分布（3）热力循环。

· 空气---空气热泵。

这种类型的热泵是最普遍的，尤其适合使用单一型热泵的工厂建筑。

·水---空气热泵。

这种热泵依赖水作为热量来源。

并且使用空气将热量传递给用冷空间，包括如下几种形式：图3：不同形式水源热泵原理图-地下水源热泵，利用井水为热源或者汇。

-地表水源热泵：利用湖水、水池、河水、作为热源或者汇。

-太阳能辅助水源热泵，利用低温太阳能作为热源。

·水-水热泵，这种类型的热泵制冷和供热是以水作为热量的源和汇。

制冷和供热可以通过制冷剂循环实现，但是在水循环时更容易实现转换。

几个水-水热泵组合在一起能够为一个集中式制冷、供热工厂提供多个空气处理单元，这种应用的优势在于：便于控制，集中管理、节能、使用灵活。

·地源热泵。

它利用土壤作为热源和汇，这种类型的热泵可以是制冷剂-水实现换热，或者是制冷剂直接膨胀。

在制冷剂-水换热系统中，加有防冻剂的水可以水平的、竖直的或者是蛇形盘管经由泵抽出。

直接膨胀式地源热泵利用制冷剂在淹没地下的盘管换热器蒸发实现换热。

·混合型的热泵是多种多样的，它是通过冷却塔或者风冷式冷凝器来减少地源热泵每年的热量损失。

5 地源热泵系统近来，地源热泵由于其优越的环保性和高的能效比而备受关注。

可再生能源如：太阳能、风能、生物质能、潮汐能以及地热能能够有很低的温室气体排放。

在冰冻线以下土壤温度是相对稳定的，土壤温度夏季比室外低，冬季比室外高。

如此一来，土壤就是很高效的能量来源。

地源热泵包括三个主要的部分：（1）地下水系统（2）热泵机组（3）热量分配系统即用户使用地下水源系统多种多样，作为源和汇的可以有地下水、土壤、或者地表水。

根据ASHRAE [13]分类这些系统可以分为三种：（1）地下水源热泵（2）地表水源热泵（3）土壤源热泵。

这三种不同系统原理图在图3有介绍。

同时还有许多类似的热泵形式如地热型热泵。

地下水源热泵利用地下水作为热源或者汇，地下水源热泵与其他形式的地源热泵相比有初投资少、节能的优点。

然而很多工厂严格限制大范围使用地下水源热泵，这些限制来源于地下水，以及由于地下水对管道设备腐蚀而引起的维护费用。

地下水源热泵中，热量的排放/提取是通过在高密度的聚乙烯管道中液体循环实现的，这些管道是放置在足够水深的湖、池塘、蓄水池或者合适的水槽中。

这种系统的主要劣势是地表水温更容易受到天气条件影响，尤其是在冬天。

在众多地源热泵中，垂直型的地源热泵系统吸引了研究领域和工程实践更多的注意力。

已经报道了一些关于地源热泵技术的文献综述。

[15,16] 地源热泵系统中，热量通过闭环系统被抽取/排放到土壤中，也就是通过土壤热交换器实现水或者其他不结冻液体实现循环，典型的用于地源热泵的土壤换热器主要是高密度聚乙烯管。