地源热泵的研究与应用重庆大学 李保群 康侍民 段凯摘 要：本文介绍了地源热泵的工作原理和基本类型; 比较了地源热泵与普通空调系统的特点,得出地源热泵在技术上和经济上具有明显优势的结论。
介绍了地源热泵技术在工程中的应用，分析了地源热泵在中国的发展前景。
关键词：地源热泵 应用 展望Abstract:The development of ground-source heat pump ( GSHP) at home and abroad is briefly introduced. The working principle and fundamental types are discussed here. With the comparison between the GSHP and common airconditioner, the apparent advantages in technology and economics for the GSHP are presented. The development of ground-source heat pump’s application in engineering were introduced. Good prospect of development and utilization of ground-source heat pump technology in China was brought forword. Keywords: ground-source heat pump, application, prospect。
1 热泵1．1 热泵就是通过制冷循环使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。
根据供热时所采用的低品位热源分类，热泵可分为：空气源热泵、水源热泵和地源热泵。
其中，地源热泵包括地下水源热泵和地下土壤源热泵。
地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。
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中央空调系统。
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；夏季它向土壤、地下水或者地表水放热，达到给建筑物降温的目的。
同时，它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效利用能源的方式。
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，又称为地下耦合热泵系统（ Ground-coupled heat pump systems）或者地下热交换器热泵系统（Ground heat exchanger）；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统（ Ground water heat pumps）；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统（ Surface-water heat pumps）。
1．2 土壤源热泵[1]以土壤为热源或冷源的地源热泵（GCHP）图1地源热泵系统示意图原理见图1（1），是由一组水平或垂直埋于地下的高强度塑料管 ( 也称地热换热器 ) 和热泵机组构成，水或防冻剂溶液通过闭式环路进行循环。
夏季循环液将室内热量释放给地下岩土层，同时蓄存热量以备冬用，冬季将岩土层的热量提取出来释放给室内空气，整个大地作为一个蓄热体。
在地表以下一定深度，岩土的温度基本恒定，它不受大气环境温度的影响，因此这种地源热泵系统的效率比空气源热泵的效率要高，又不受地下水资源的限制，它在欧、美等国得到了广泛的应用。
土壤源热泵的地热换热器分为水平埋管和竖直埋管。
垂直埋管系统占地面积小,水系统耗电小,但钻井费用高，在竖直埋管换热器中，目前应用最为广泛的是单 U型管，埋深大约在 30～150m。
水平埋管安装费用低,换热器的寿命较长，但占地面积大,水系统耗电大，。
这种换热器通常设置在 1～2m 深的地沟内。
选择哪种埋管方式，主要取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。
如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济。
当场地面积有限时，宜采用竖直埋管方式。
1．3 地下水源热泵[1]以地下水为热源的地源热泵（GWHP）原理见图1(2)。
它有两种形式：一是开式系统，二是闭式系统。
开式系统就是通过潜水泵将抽取的地下水直接送入热泵机组。
这种形式的系统管路连接简单，初投资低，但由于地下水含杂质较多，当热泵机组采用板式换热器时，设备容易堵塞。
另外，由于地下水所含的成分较复杂，易对管路及设备产生腐蚀和结垢，因此，在使用开式系统时，应采取相应的措施。
闭式系统就是通过一个板式换热器将地下水和建筑物内的水系统隔绝开来。
2 性能特点与普通空调系统相比，地源热泵具有下列优点：2．1 以地球表面浅层地热资源作为冷热源，利用清洁的、近乎无限可再生的能源，符合可持续发展的战略要求。
2．2 在经济方面[2]2．2．1 影响地源热泵使用经济性的因素很多,难以获得准确的结论,据世界环境保护组织在一份有关空调未来的报告中的结论:设计安装良好的地源热泵,可以节约30%～40%甚至更高的供热制冷空调的综合运行费用。
2．2．2 地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。
一套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。
从而也增加了经济性。
2．2．3 投资回收率常采用回收年限 ( PBP) 来表示。
回收年限的定义为:PBP=C F/[h(C B-C H)]式中 C F——单位初投资费用,元/kWC B——基本供热方式的单位供热价格,元/ ( kW.h)C H——热泵单位热量价格,元/ ( kW.h)h——每年运行小时数,h设运行时间为每天6h,冬、夏两季各按3个月计算,电价为0.75元/ ( KWh ) ,地源热泵的单位初投资费为1200元/kW,热泵单位热量价格为0.58元/ ( kW. h) ，则PBP=6.5年。
由此我们可以得出结论:地源热泵系统虽然由于室外部分比较复杂,初次投资高于普通空调系统,但普通空调的运行费用远远高于地源热泵系统,一般4～7年时间就可以将增加的初次投资收回。
普通空调寿命一般在15年左右,而地源热泵的地下换热器由于采用高强度惰性材料,埋地寿命至少50年 [3] 。
因此,从使用寿命和运行费用来考虑地源热泵系统的经济性是高于普通空调系统的。
2．3 无需除霜。
大地土壤温度一年四季相对保持恒定，冬季也能保持在 15℃ 以上，埋地换热器不会结霜，可节省因结霜、除霜而消耗的能量。
2．4 环境效益高，绿色空调。
地源热泵装置没有燃烧，没有排烟，没有余热、余湿等废弃物，对环境无污染，属环保型的“绿色空调”。
虽然也采用制冷剂，但其充灌量比常规的空调装置减少25%左右，而且该装置于出厂前就充灌制冷剂并整装密封好，制冷剂泄漏的几率大大减小。
2．5 系统简单，一机多用，节约设备用房，应用范围广。
地源热泵可供暖、空调，还可用于生活热水供应系统，一套系统可替代锅炉加空调的两套系统，因此一机多用，节省了建筑空间及设备的初投资，机组紧凑，节省设备用房空间。
由此而产生的经济效益相当可观。
3 工程应用目前国内地源热泵的应用实例比较少，影响比较大的是中美合作在中国建设的三个地源热泵示范工程。
中美两国政府合作在中国的北部、中部和南部建立三个地源热泵的示范工程。
北部示范工程是中国食品发酵研究所综合办公楼及专家楼，中部示范工程是宁波雅戈尔工业城，南部示范工程是广州松田职业技术学院。
除了这些之外，还有其他的一些工程实例。
其中比较有代表性的工程有：重庆大学城市建设与环境工程学院参与的新疆米泉市小型办公楼和重庆大学 B区暖通实验楼两个房间采用了土壤源热泵系统。
其中，米泉市小型办公楼空调总面积 123㎡，冷量 10.4KW，热量 9.84KW，采用水平埋管土壤源热泵系统。
暖通实验楼两个房间78㎡，采用 15 根埋深10m. 的浅埋套管换热器，还设有 2组埋深分别为 1m 和 2m 的水平埋管，埋管长度为 50m，运行效果良好[4]。
天津市梅江居住区一综合办公楼，建筑面积 2991㎡，建筑热负荷 147kw，建筑冷负荷 320kw。
经过了冬季1 个月、夏季近3个月的实际运行，该地源热泵系统运行稳定可靠，总体效果上达到了预期的设计目标，冬季采暖房间的室内温度稳定在18℃以上，夏季空调房间的室内温度基本稳定在25℃左右，均达到设计温度的要求[5]。
山东建筑工程学院地源热泵研究所与烟台荏原空调设备有限公司合作推出地源热泵系统并成功地应用在该院学术报告厅的中央空调系统中，空调总面积为 500㎡，冷量 110kw，采用垂直埋管土壤源热泵系统[6～8]。
4 地源热泵的前景展望地源热泵系统由于运行费用较低，在欧美发达国家已有很多应用实例，目前较多应用在商业系统。
我国见于文献的地源热泵的最早应用是在 1987 年，用于上海的一幢六层办公楼的制冷与供热。
这个地源热泵系统是由美国设计制造、运抵上海后安装的[9]。
地源热泵系统作为一项新技术，目前已取得很大的发展，虽然有许多问题亟待解决，但应用前景非常广泛。
我国由于国土辽阔，近地表低温地热资源十分丰富，加之人口众多，采暖和制冷工业的基础相对薄弱，将来需求量无可比拟，因而被国外学者认为是世界上直接利用地热潜力最大的国家。
在未来的日子里，中国面临着巨大的能源和环保压力，中国的经济要保持较高速度的增长，同时又必须考虑环保和可持续发展问题，因此要求调整能源结构，提高能源利用效率。
地源热泵空调技术以其节能、环保和可持续发展的突出优点，已成为空调供暖工程优先选择的方案之一。
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