地源热泵及其应用(yòng)

1 地源热泵的概念和工作原理(lǐ)

地源热泵是一种利用(yòng)地下浅层地热资源（包括地下水、土壤和地表水）即可(kě)供热又(yòu)可(kě)供冷的高效节能(néng)空调系统。利用(yòng)逆卡诺循环，通过输入少量高品位的電(diàn)能(néng)，实现低品位热能(néng)向高品位热能(néng)转移。热泵一般有(yǒu)蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀四部分(fēn)组成。

地源热泵的工作原理(lǐ)是：在夏季，热泵机组将建筑物(wù)中的热量取出，转移释放到地层中；在冬季，则从地层中提取热量，向建筑物(wù)供热。通常地源热泵消耗1kW的能(néng)量，用(yòng)户可(kě)以得到4kW以上的热量或冷量。

2 地源热泵的特点

我们知道在地球表面以下一定深度的地温全年相对恒定，地源热泵利用(yòng)浅层地热作為(wèi)冷热源，这样就排除了环境因素的影响，与其它供热供冷系统相比，具有(yǒu)以下显著特点。

2.1 利用(yòng)的是可(kě)再生能(néng)源

地源热泵在夏季吸收建筑物(wù)散发的热量并在浅层地下保存起来，一部分(fēn)热量在冬季供建筑物(wù)的采暖，另一部分(fēn)热量则直接散发到空气中。就全年来说，建筑物(wù)利用(yòng)浅层地热的热量或冷量大體(tǐ)是相等的。所以说，地源热泵利用(yòng)的是可(kě)再生能(néng)源。

2.2 高效节能(néng)

由于地源热泵的热源温度全年一般為(wèi)10～22℃，冬季供热时，水體(tǐ)温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能(néng)效比也提高。夏季制冷时，水體(tǐ)温度比环境温度低，冷却效果提高，机组效率也提高。水源热泵的制冷制热系数可(kě)达4.0以上，与传统的空气源热泵相比，高出40%左右，其运行费用(yòng)仅為(wèi)普通中央空调的50%～60%，与電(diàn)热锅炉和電(diàn)热膜供热相比，节约70%左右的電(diàn)能(néng)。

2.3 环保效益显著

水源热泵运行时，需要的仅仅是水源水的热量或冷量，水质不发生任何变化，也不产生任何污染，不耗水、排烟，不产生灰尘，仅仅消耗少量的電(diàn)能(néng)。

从耗電(diàn)方面来说，节能(néng)就是环保。使用(yòng)水源热泵导致的污染物(wù)排放，比空气源热泵减少40%，比電(diàn)锅炉减少70%。虽然地源热泵也使用(yòng)制冷剂，但比常规空调减少25%的冲灌量。地源热泵在工厂内整装密封完好，不会像分(fēn)體(tǐ)空调那样安装时易产生泄漏。

2.4 一机多(duō)用(yòng)

一套地源热泵就可(kě)以实现供热、供冷和生活热水供应。即用(yòng)一套设备可(kě)以代替原来的锅炉加空调两套系统，所以一次性投资仅是传统供热制冷的50%～70%。特别是在夏季供冷时，可(kě)以利用(yòng)热泵产生的费热，免费為(wèi)用(yòng)户提供生活热水。所以，地源热泵特别适用(yòng)同时有(yǒu)供热供冷和生活热水供应的建筑。

2.5 节省土地资源

水源热泵除主机和循环水泵外，没有(yǒu)其它安装设备。与锅炉房相比，省去了水处理(lǐ)间、风机间、烟囱、煤场和渣土场，节约了土地资源。

2.6 运行稳定可(kě)靠、使用(yòng)寿命長(cháng)

由于地源热泵的水體(tǐ)温度稳定，与空气源热泵相比，免除了结霜和除霜的影响。热泵的运转部件少，基本上不需要维修，运行稳定可(kě)靠，使用(yòng)寿命可(kě)达20年左右。

2.7 自动化程度高

地源热泵一般是全電(diàn)脑控制，可(kě)根据外部负荷的变化，调整压缩机的工作数量，并设有(yǒu)压缩机超温保护、断水保护等多(duō)种保护措施，可(kě)实现无人值守。

3 地源热泵供热系统的组成

地源热泵工程一般有(yǒu)地源水系统，热泵机房和末端风机盘管散热系统三部分(fēn)组成。根据地源换热系统的形式又(yòu)分(fēn)為(wèi)开式环路系统和闭式环路系统。

开式环路系统是将水从水井（包括湖(hú)泊和河流）中抽出，送入热交换机组进行热交换，提取热量或冷量后的水再回灌到水井中。开式环路系统用(yòng)水一般只进行简单的水处理(lǐ)，会引起换热器表面结垢。开式系统是目前地源热泵应用(yòng)的主要形式。

闭式环路系统又(yòu)分(fēn)為(wèi)立埋式环路系统和平埋式环路系统。它是通过埋在地下的聚乙烯管环路与土壤进行热交换。通常适合安装在别墅等场地较大的建筑物(wù)。

4 地源热泵的限制条件

地源热泵被专家们称之為(wèi)目前可(kě)用(yòng)的对人类最友好最有(yǒu)效的供热供冷形式，近几年在研究和应用(yòng)上得到了迅速发展，但由于受到以下客观条件的限制，这项技术的应用(yòng)尚不普遍。

4.1 宣传认识不足

地源热泵技术虽然受到热暖专家的推崇，但是要获得在工程中的普遍应用(yòng)，需要各阶层领导特别是工程主管领导的认可(kě)。由于这项技术是近几年随着我國(guó)能(néng)源战略的调整才发展起来的，甚至部分(fēn)热暖技术人员，也存在认识不足的现象。所以，要获得社会的认同还需要加大宣传力度。

4.2 政策力度不够

我國(guó)《节约能(néng)源法》中，对热電(diàn)联产和集中供热技术鼓励和发展，而对综合能(néng)源利用(yòng)率是其2倍的地源热泵技术，至今还没有(yǒu)鼓励发展的明确条文(wén)。

4.3 水源条件的限制

对于开式环路地源热泵系统是否有(yǒu)充足的水源，以及当地的地质土壤条件是否能(néng)保证尾水的回灌顺利实现是地源热泵应用(yòng)的前提条件。一般来说，用(yòng)于小(xiǎo)區(qū)供暖时，建筑容积率要≤1。对于闭式系统，受当地地质条件是否适合埋管和是否有(yǒu)足够的场地埋管等环境条件的限制。

4.4 埋管系统换热计算理(lǐ)论不成熟

对于地源热泵机组和末端风机盘管散热系统目前技术已相当成熟。对开式系统，当地水利部门对水源情况也相当了解；而对埋管系统，目前土壤埋管换热计算理(lǐ)论还不成熟，设计落后于工程应用(yòng)，这就使工程质量难以保证，并使该项技术的广泛应用(yòng)受到限制。

4.5 受当地水利部门政策的限制

我國(guó)南方水源充足，而北方大部分(fēn)地區(qū)水源缺乏，為(wèi)保护有(yǒu)限的水资源，每个地方政府都制定了当地的水资源使用(yòng)法规。虽然地源热泵系统并不消耗水也不污染地下水，但需要大量的水作热载體(tǐ)。有(yǒu)些地方部门对取水和回灌水进行双重收费，使地源热泵的节能(néng)效果不能(néng)够充分(fēn)體(tǐ)现，这就限制了该项技术在这些地區(qū)的发展。

5 地源热泵的应用(yòng)

5.1 國(guó)外应用(yòng)情况

地源热泵在日、韩、美和中、北欧应用(yòng)较為(wèi)普遍。据1999年的统计，在住宅供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士96%，奥地利38%，丹麦27%。美國(guó)1998年地源热泵系统在新(xīn)建筑中占30%，且以10%的速度稳步增長(cháng)。其中最著名的地源热泵工程有(yǒu)肯塔基州刘易斯威尔的滨水區(qū)办公大楼，服務(wù)面积15.8×104m2，每月节省运行费用(yòng)25000 美元。随着该项技术的应用(yòng)发展，其组织的研究也迅速发展。据有(yǒu)关资料介绍，日本國(guó)研究出的高温水地源热泵，出水温度达到80～150℃，且其制热系数COP高达8.0。

5.2 國(guó)内应用(yòng)情况

天津大學(xué)热能(néng)研究所的吕灿仁教授在1954年就开展了我國(guó)热泵的最早研究，1965年研制成功國(guó)内第一台水冷式热泵机组。目前多(duō)家大學(xué)和研究机构都在对水源热泵进行研究。

國(guó)内较早生产水源热泵的厂家有(yǒu)清华同方人工环境设备公司和山(shān)东海洋富尔达，产品都已系列化。目前热泵机组出水温度已达65℃，制冷系数COP可(kě)达6.7。目前國(guó)内较典型的用(yòng)户有(yǒu)沈阳东北電(diàn)力住宅小(xiǎo)區(qū)，服務(wù)面积8×104m2；北京友谊医院服務(wù)面积7.1×104m2，全年节约采暖和供冷运行费用(yòng)约9元/m2。

6 地源热泵的发展前景

6.1 符合政府有(yǒu)关部门的要求

地源热泵高效节能(néng)，环保效益好，符合我國(guó)的能(néng)源政策和环境保护政策，热泵技术的综合能(néng)源利用(yòng)率约為(wèi)120%～180%。所以國(guó)家把热、電(diàn)、冷联产技术作為(wèi)鼓励发展的通用(yòng)节能(néng)技术促进了地源热泵技术的发展。

6.2 符合业主的利益

由于地源热泵即可(kě)供热，又(yòu)可(kě)供冷。一套系统可(kě)以代替原来的两套系统，投资少。且地源热泵占地少，运行成本低，管理(lǐ)方便，这些都符合业主的根本利益。

6.3 符合用(yòng)户的利益

地源热泵供热费用(yòng)燃煤集中锅炉房供热费用(yòng)的一半，夏季供冷费用(yòng)约為(wèi)冷水机组的60%，这就减少了用(yòng)户供热供冷费用(yòng)的支出，符合用(yòng)户的切身利益。

6.4 适用(yòng)地區(qū)范围广

冷水机组只能(néng)用(yòng)于夏季供冷，风冷机组只适用(yòng)于長(cháng)江流域的供热供冷，而地源热泵除即无可(kě)利用(yòng)地下水又(yòu)不能(néng)埋管的极少数地區(qū)外，适用(yòng)于其它绝大多(duō)数地區(qū)。

6.5 应用(yòng)范围不断扩展

地源热泵不仅在建筑采暖和供冷方面得到迅速发展，目前在化工、食品、造纸、农业、冶金、木(mù)材干燥、制药等行业中也得到了｀广泛应用(yòng)。据预测2000年这些行业应用(yòng)地源热泵1200多(duō)台，且发展势头强劲。

综上所述，地源热泵技术以其独有(yǒu)的优点，近几年在國(guó)内得到迅速发展。随着我國(guó)能(néng)源结构政策的调整，我國(guó)以燃煤锅炉采暖和空气源热泵供冷的传统形式会被更加高效的地源热泵所取代。随着地源热泵技术的研究和发展，它比将成為(wèi)21世纪最普遍最有(yǒu)效的供热供冷技术。