浅谈地源热泵技术

浅谈地源热泵技术

摘要：地源热泵技术是目前世界上比较先进的供暖制冷技术，近十多年来每年以20%以上的速度发展，我国在这项技术的利用方面也进展的非常成功，在国家多项优惠和鼓励政策的出台下，在奥运场馆应用的强大示范作用下，市场渐渐呈现向住宅、公建等方向下转型，逐渐成为平民化技术。本文首先引入了地源热泵技术的概念，并且分析了地源热泵技术的工作原理，最后概述了地源热泵技术在国内外的发展应用情况，展示了该技术的优点和光明前景。

关键词：地源热泵；发展；工作原理

1地源热泵技术概述

1.1 地源热泵技术的概念

地源热泵技术就是采用热泵原理,利用地球表层的土壤、岩石、地下水、海洋、河流和湖泊等的热能资源,并运用埋藏于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑物内部进行热交换的空气调节技术。它利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，冬季代替锅炉从土壤中取出热量, 以30--40℃左右的热风向 建筑物供暖,夏季代替普通空调向土壤排热，以30--40℃左右的冷风形式给建筑物制冷。运用这项技术, 只需输入少量的电能,就可以维持一套冷暖两用空调系统的运转。地源热泵技术节能效果显著, 消耗的能量, 用户可以得到以上的热量或冷量。它不向外界排放任何废气、废水、废渣, 是一种的理想的“ 绿色技术”。用老百姓的话来说, 它是用了“ 地气”，从能源角度来说, 它是利用了一种用之不尽的可再生能源。

地源热泵的冷热源非常丰富, 土壤、岩石、地下水、海洋、江河、湖泊甚至生活污水等都是可以利用的资源, 同时它还可以与太阳能、蓄冰技术等节能技术结合使用。而它也适合于住宅公共建筑、生产厂房、宾馆、商场、学校等几乎所有建筑类型当中。和太阳能、风能、水电能等一样, 地源热泵技术是一项可再生能源技术,而由于它的冷热源分布广泛, 因此, 更具有普及的可能和大规模应用的潜力。

1.2地源热泵技术工作原理

地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

图1地源热泵交换示意图

（1）地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间*水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

（2）地源热泵系统的运行(以水一空气形式为例)

1) 供热循环

在供热循环中，热量的流动方向是将土壤中储存的热能，连同系统循环泵、压缩机、风机等消耗的电能一起传递到建筑物的空气中或生活热水中。因此在热泵的运行中，与地热换热器连接的水一制冷剂换热器是蒸发器;制冷剂--室内传热介质的换热器是冷凝器。

在地热换热器环路中，从水一制冷剂换热器回来的液体通过循环管道被土壤较高温度所加热，吸取了土壤中的热量。这些热量被带回到水一制冷剂换热器，制冷剂在水一制冷剂换热器中蒸发，则吸取了这些热量。

在制冷剂环路中，被蒸发的制冷剂进入压缩机中，

被压缩为高温高压的蒸汽，这些气态制冷剂就携带着

从土壤中传递来的热量和压缩机消耗的电能一起进入

冷凝器，被从建筑物回来的空气或室外新风吸取热量

后，自身被冷凝为液态。然后经过节流装置，压力降

低，温度也相应降低，低压低温的制冷剂液体流入蒸

发器(水一制冷剂换热器)，再次被来自地下环路的热

量蒸发，从而使循环继续进行。在空气环路中，室外

新风或空调回风进入冷凝器(空气--制冷剂换热器)，

吸取了高温高压的制冷剂所携带的热量后，通过空气

分布系统，分配到建筑物的各个区域，从而提 图2 地

源热泵工作原理图示

高了建筑物的温度。

2)制冷循环

在制冷循环中，热量的流动方向是将建筑物得热及压缩机、泵和风机所消耗的电能释放到土壤中。因此从热泵的制冷剂循环的角度来看，蒸发器侧是与室内空气盘管所连接的一侧，而冷凝器侧是与地热换热器所连接的一侧。

在空气环路中，较高温度的室外新风或空调回风进入蒸发器(空气--制冷剂换热器)，被低温低压的制冷剂所冷却，将热量传递给制冷剂后，通过空气分布系统，分配到建筑物的各个区域，从而降低了建筑物的温度。在水一水热泵中，这一空气环路由冷冻水环路代替。

在制冷剂环路中，被蒸发的制冷剂进入压缩机中，被压缩为高温高压的蒸汽，这些气态制冷剂就携带着从空气环路中传递来的热量和压缩机消耗的电能一起进入水一制冷剂换热器，被从地下环路回来的循环水吸取热量后，自身被冷凝为液态。然后经过节流装置，压力降低，温度也相应降低，低压低温的制冷剂液体流入蒸发器(空气--制冷剂换热器)，再次被来自空气环路的热量蒸发，从而使循环继续进行。

在地热换热器环路中，从水一制冷剂换热器回来的液体通过循环管道被土壤所冷却，向土壤释放热量。 供热循环和制冷循环可通过水源热泵机组的切换换向阀，使制冷剂的流向改变而实现。有的水一水热泵机组制冷剂的流向并不改变，而通过互换冷却水和冷冻水的热泵进口而实现。

1

3)生活热水循环

生活热水循环是一个可选的循环，它使用安装在热泵压缩机排出处的过热蒸汽冷却器来完成。在夏季制冷工况下，利用系统的“废热”产生生活热水，不需增加热泵的负荷。当采用R22为制冷剂时，对应于每1KW的制冷量过热蒸汽冷却器可把约0.11升的水从20℃加热到60℃。在冬季供热工况下，过热蒸汽冷却器可以照常工作，但供热水的负荷应加到热泵的总供热负荷中。

1.3地源热泵技术路线

地源热泵技术路线有以下两种：土--气型地源热泵技术和水--水型地源热泵技术

土--气型地源热泵技术以美国的技术为代表，水--水地源热泵技术以北欧的技术为代表。二者的差别是：前者从浅层土壤或地下水中取热或向其排热，通过分散布置于各个房间的地源热泵机组直接转换成热风或冷风为房间供暖或制冷。后者是从地下水中取热或向其排热，经过热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过布置在各个房间的风机盘管转换成热风或冷风给房间供暖或制冷。由于美国的土--气型地源热泵技术，可以不用地下水，采用埋设垂直管、水平管或向地表水抛设管路等多种方式，直接从浅层土壤取效或向其排热，不受地下水开采的限制，推广的范围更大、更灵活。

1.4地源分类

地源按照室外换热方式不同可分为三

类：(1)土壤埋管系统，(2)地下水系统，(3)

地表水系统。

根据循环水是否为密闭系统，地源又可

分为闭环和开环系统。闭环系统如埋盘管方

式 （垂直埋管或水平埋管），地表水安置换

热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水

方式。

此外，还有一种“直接膨胀式”，它不

象上述系统那样采用中间介质水来传递热

量，而是直接将热泵的一个换热器（蒸发器）

埋入地下进行换热。

图3 地源热泵系统分类及分类示意图

1.5地源热泵系统的形式

土-气型地源热泵系统按照室外换热方式不同分，主要有三类形式：

1、 地耦管系统

该方案只需在建筑物的周边空地、道路或停车场打一些地耦管孔，室外水系统注满水后形成一个封闭的水循环，利用水的循环和地下土壤换热，将能量在空调室内和地下土壤之间进行转换。故该方案不需要直接抽取地下水，不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成任何影响，不会受到国家地下水资源政策的限制。

2、 地下水系统

项目附近如果有可利用的地表水，水温、水质、水量符合使用要求，则可采用开式地表水（直接抽取）换热方式，即直接抽取地表水，将其通过板式换热器与室内水循环进行隔离换热，可以避免对地表水的污染。此种换热方式可以节省打井的施工费用，室外工程造价较低。

3、 地表水系统

项目附近如果有可利用的地表水，水温、水质、水量符合使用要求，则可采用抛放地耦管换热方式，

即将盘管放入河水（或湖水）中，盘管与室内循环水换热系统形成闭式系统。该方案不会影响热泵机组的

2

正常使用；另一方面也保证了河水（湖水）的水质不受到任何影响，而且可以大大降低室外换热系统的施工费用。

2 地源热泵在国内外的发展应用情况

2.1地源热泵在国外的发展应用概况

地源热泵技术是最先从国外发展起来的。

1912年，瑞士的H.Zoelly在一份专利文献中提出了地源热泵的概念，描述了利用土壤作为热源的热泵计划。开放式地下水热泵系统在20世纪30年代被成功应用。1938年，欧洲第一台大型地源热泵机组安装于瑞士苏黎士市政厅大楼，它以河水为低温热源，输出的供热热水温度可达60℃。20世纪50年代，欧洲和美国开始了对地源热泵的系统研究，美国爱迪生电子学院最早研究出闭式环路热泵系统，印第安纳州的印第安纳波利斯最早安装了闭式环路地源热泵系统。但当时能源价格较低，使用热泵系统并不经济，因而没有得到推广。直到20世纪70年代，由于石油危机和环境的恶化，促使人们关注节能，热泵供暖技术应用得到美国、日本、德国、瑞典等国政府的支持和认可。国际上的一些有关地源热泵技术的著名研究机构，如国际地源热泵协会等，对地源热泵的发展起到了积极的推动作用。

北美地区对地源热泵的应用偏重于地源热泵全年冷热联供，通常采用闭式水环热泵系统。20世纪70年代末到90年代初，美国开展了冷热联供地源热泵的研究工作。目前美国是世界上应用地源热泵最多的国家，地源热泵的销售数量以每年20%的速度递增。据美国地源热泵联合会统计，现在全美共安装了65万台地源热泵系统，一年的节能量达1400万桶石油，并能大幅度减少温室气体的排放达40%以上。预计到2010年，美国投入使用的热泵总数将达到150万台。

目前，由于世界各国普遍实施有效的激励措施，地源热泵产业成为世界可再生能源应用中增长最快的产业之一。在过去的10年中，大约30个国家的热泵年增长率达到了10%。热泵发展最快的是欧洲和美国，其他国家也正在积极发展地源热泵产业。我国气候条件与美国比较相似，北美地区的地源热泵应用方式对我国更具借鉴意义。

2.2地源热泵在中国的发展概况

我国对地源热泵技术的研究起始于20世纪80年代，研究和应用起步较晚。20世纪80年代初，我国在一些外商投资的建筑中开始采用闭式环路水源热泵空调系统。这些工程显示出地源热泵系统的优点，引起人们对这项技术的关注。

地源热泵在我国的发展历程主要体现在以下三方面：

（1）可行性研究逐渐开展 1988年，中国科学院广州能源研究所开展了热泵在我国应用与发展问题的研究；1992年，中国建筑科学研究院空调所开展了中、高档旅馆利用热泵技术节约能源的可行性研究；1991年开始，哈尔滨建筑大学开展了在我国应用电动热泵站、吸收式热泵站的可行性研究并进行了闭式环路水环热泵空调系统和太阳能开式环路水源热泵空调系统在我国应用的评价；1996年青岛建筑工程学院开展了青岛东部开发区建设以海水为热源的大型热泵站可行性研究。

（2）相关实验研究和学术交流活动越发活跃 国内一些研究单位和高校陆续开展了地源热泵技术相关的实验研究。重庆建筑大学对垂直布置的U型管换热器进行了实验研究；哈尔滨建筑大学和青岛建筑工程学院对水平布置的地下盘管换热器进行实验研究和计算机数值模拟。近几年，哈尔滨工业大学还率先在国内开展以城市原生污水作为热泵冷热源规模利用的课题，获得多项发明专利，并在实际工程中取得良好的应用效果，使得该项技术大规模推广应用成为可能。

（3）热泵在工程中的应用日益广泛 从20世纪90年代起，地源热泵技术开始应用于工程实践，相关的热泵产品大量涌现，掀起了一股“地热空调”的热潮。目前，在北京、上海、天津、河北、山东、辽宁、四川、新疆等地建设了许多地源热泵工程，应用的建筑类型包括宾馆、住宅、商场、办公楼、学校、体育场馆、医院、别墅等，地源热泵系统的应用主要以大型工程为主，小型空调系统中应用地源热泵系统较少，地源热泵技术正被越来越多的人们所了解和接受。

3

3 结束语

地源热泵在北美和欧洲的许多国家已得到广泛的应用 ，是一种相对成熟的技术;但我国在地源热泵的应用方面还刚刚起步。推广地源热泵技术需要政府的政策引导、对设计和施工人员的培训、所需设备和材料的配套以及提高公众对地源热泵技术的了解程度。另外，由于我国地域辽阔，各地区的情况都不一样，需要设计者和实践者因地制宜的、合理的运用该技术，才能使这项技术成为利国利民的技术，更好的为建筑、为人民、为社会服务。

参考文献

[1]张祖刚 陈衍庆，建筑技术新论，中国建筑工业出版社，2008（1）

[2]崔学梅 苏保青，地源热泵分析，山西建筑，2006（2），182-184

[3]李道强，地源热泵空调系统的技术经济评价及地热换热器优化研究，西安建筑科技大学2004（6）

4