淺談地源熱泵技術(shù)

馬勇　路其爽　渠敬敏

【摘 要】地源熱泵（Ground Source Heat Pump）技術(shù)是利用大地作為低位熱源，通常是利用地球表面淺層水源如地下水、河流、湖泊中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮?，并?yīng)用熱泵原理，對(duì)建筑物進(jìn)行冬季供暖、夏季制冷。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵；熱泵原理；冬季供暖；夏季制冷

0.前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，供熱和空調(diào)已成為普通百姓的基本需求。熱泵是一種在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都有較大優(yōu)勢(shì)的解決供熱問(wèn)題的替代手段，同樣作為一種清潔用能手段，與直接把電能轉(zhuǎn)換為熱能的電鍋爐相比，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)供熱的電耗僅為前者的1/3～1/4，可以大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。熱泵還科技兼顧生活熱水供應(yīng)，特別是在制冷工況下可利用制冷的廢熱加熱熱水，不需要額外消耗能量。

1.地源熱泵的定義及原理概述

地源熱泵（Ground Source Heat Pump）技術(shù)是利用大地作為低位熱源，通常是利用地球表面淺層水源如地下水、河流、湖泊中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮?，并?yīng)用熱泵原理，對(duì)建筑物進(jìn)行冬季供暖、夏季制冷。

地球表面淺層水源如深度在100米以內(nèi)的地下水、地表的河流、湖泊和海洋中，吸收了太陽(yáng)進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且溫度一般都相?duì)穩(wěn)定。地源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源或土壤中蓄存起來(lái)，而冬季，則從水源或土壤中提取能量供給建筑物使用。其可以分為地下水熱泵（groundwater heat pump ，GWHP）、地表水熱泵（surface water heat pump，SWHP）和地耦合熱泵（ground-coupled heat pump ，GCHP）， 地耦合熱泵系統(tǒng)即通常所說(shuō)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)。下文中的地源熱泵系統(tǒng)就是指以地下土壤為熱源的地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

地源熱泵技術(shù)主要利用地層深處溫度常年維持不變和蓄能的特點(diǎn)，在冬季，地下巖土的溫度比周圍環(huán)境空氣的溫度要高很多，所以我們將地能作為供暖的熱源，通過(guò)熱泵機(jī)組從地下提取熱量 ，同時(shí)存儲(chǔ)冷量供夏季使用；相反，在夏季，地下巖土的溫度比周圍環(huán)境空氣的溫度要低很多，我們又將地能作為空調(diào)的冷源，從地下提取冷量，同時(shí)存儲(chǔ)熱量供冬季使用，如此通過(guò)埋入地下的換熱器與大地進(jìn)行冷熱交換，從而實(shí)現(xiàn)建筑空調(diào)和供熱的目的。

2.地源熱泵的優(yōu)勢(shì)

（1）傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)不論是水冷還是風(fēng)冷，由于它的換熱器必須置于暴露的空氣中，因此會(huì)對(duì)建筑造型造成不好的影響，破壞建筑的外觀；而地源熱泵把換熱器埋于地下，且遠(yuǎn)離主建筑物，故不會(huì)對(duì)其造型產(chǎn)生影響。

（2）風(fēng)冷換熱器與水冷換熱器的換熱環(huán)境均為大氣，故不可避免地受到環(huán)境條件變化的影響，會(huì)明顯降低換熱效率；而地源熱泵換熱器是和大地?fù)Q熱，換熱對(duì)象是Im以下的地層，其初始溫度大約等于年平均溫度，基本不受外界環(huán)境的影響。這種溫度特性使地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)運(yùn)行效率要高40%-60%。地源熱泵系統(tǒng)能充分利用蘊(yùn)藏于土壤和湖泊中的巨大能量，循環(huán)再生，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供暖和制冷。因而運(yùn)行費(fèi)用較低。地源熱泵比風(fēng)冷熱泵節(jié)能40%，比電采暖節(jié)能70%。比燃?xì)鉅t效率提高48%。所需電費(fèi)制冷季比一般熱泵空調(diào)減少50%。

（3）地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護(hù)，系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長(zhǎng)壽命。 地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達(dá)50年。

（4）地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中無(wú)需燃燒，因此不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，也不會(huì)發(fā)生爆炸。

（5）由于地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱更為平穩(wěn)，一年四季任何時(shí)間都可以隨時(shí)提供空調(diào)，可以隨意設(shè)定室內(nèi)溫度，達(dá)到五星級(jí)要求。降低了停、開(kāi)機(jī)的頻率和空氣過(guò)熱和過(guò)冷的峰值。這種系統(tǒng)更容易適合供冷、供熱負(fù)荷的分區(qū)。

（6）普通空調(diào)對(duì)環(huán)境的影響是很嚴(yán)重的.它不僅對(duì)臭氧層造成嚴(yán)重的破壞和產(chǎn)生令人難以忍受的噪聲，還由于夏季將廢熱排入大氣，冬季吸收大氣中的熱量而使大氣、住宅周圍的環(huán)境更加惡劣；而地源熱泵可以利用大地的蓄熱能力，把夏季多余的排人大地的熱能在冬季取用，把冬季多余的冷能在夏季取用，以達(dá)到冬夏兩季室內(nèi)的供暖與供冷。同時(shí)該裝置的運(yùn)行幾乎沒(méi)有排放物和廢棄物，所以不僅對(duì)大氣沒(méi)有影響，還能使大地不至于過(guò)冷和過(guò)熱。

（7）對(duì)于熱泵來(lái)說(shuō)，縮小了熱源與熱匯間的溫度差，這就保證了地源熱泵系統(tǒng)能具有較高的性能系數(shù)（COP），地源熱泵系統(tǒng)有效地克服了空氣源熱泵的技術(shù)障礙，并且效率大大提高。此外，地源熱泵系統(tǒng)還具有噪音低、節(jié)省建筑空間不需冷卻塔及室外風(fēng)冷部分、占地面積少、無(wú)污染物排放、不抽取地下水、運(yùn)行及維修費(fèi)用低、壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)。

3.地源熱泵的應(yīng)用

地源熱泵系統(tǒng)的能量來(lái)源于地下能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“ 綠色空調(diào) ”。被認(rèn)為是目前可使用的對(duì)環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)論嚴(yán)寒地區(qū)或熱帶地區(qū)均可應(yīng)用?？蓮V闊應(yīng)用在辦公樓、賓館、學(xué)校、宿舍、醫(yī)院、飯店、商場(chǎng)、別墅、住宅等領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)普通的地源熱泵機(jī)組研究，對(duì)系統(tǒng)流程進(jìn)行了改進(jìn)，使普通的地源熱泵機(jī)組在供熱或制冷的同時(shí)，供應(yīng)生活熱水，做到一機(jī)多用，節(jié)約初投資。

在我國(guó)，雖然地源熱泵的應(yīng)用才剛剛起步，但發(fā)展?jié)摿κ志薮?。一方面，隨著城市環(huán)境問(wèn)題的日益重視和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，北方地區(qū)新建小區(qū)一般不能使用燃煤鍋爐房供熱，以何種方式解決這些新建小區(qū)的供熱問(wèn)題成為目前住宅建設(shè)中的大問(wèn)題。另一方面，近年來(lái)我國(guó)住宅空調(diào)安裝率迅速增長(zhǎng)。上海居民住宅空調(diào)擁有率已超過(guò)60%，北京也達(dá)到34%，城鎮(zhèn)居民住宅平均擁有率已達(dá)20%，并且目前家用空調(diào)擁有率仍在飛速增長(zhǎng)。這樣，對(duì)于我國(guó)的廣大地區(qū)，住宅環(huán)境就不再僅僅是采暖問(wèn)題，而是要統(tǒng)一考慮供暖和制冷的需求。借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，采用地源熱泵方式可能成為滿足這種要求的最佳方式。