地源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究進展

肖世強

（山東亞特爾集團股份有限公司，山東 濟南 250011）

經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口的急劇增長，加上生態(tài)的破壞、環(huán)境污染、資源的亂開發(fā)，使本已不堪重負的自然生態(tài)環(huán)境面臨著前所未有的問題。能源、資源、環(huán)境的問題，已成為阻礙世界各國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。只有把可再生能源放在能源發(fā)展首要位置，使原有的能源結(jié)構(gòu)體系向可持續(xù)發(fā)展的能源時代轉(zhuǎn)變，才能緩解當前能源與環(huán)境的巨大壓力。地源熱泵技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，就是實現(xiàn)這一目標的有效措施之一，同時實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的統(tǒng)一。

1 地源熱泵技術(shù)概述

1.1 地源熱泵技術(shù)的概念

地源熱泵技術(shù)是一種利用地下淺層（通常小于400 m深）地?zé)豳Y源，實現(xiàn)向建筑物提供制冷、采暖和生活熱水的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)技術(shù)。地源能是可再生能源具有：參數(shù)穩(wěn)定、熱流密度大、使用方便、容易收集、輸送、不受地域限制等優(yōu)點。

1.2 地源熱泵的工作環(huán)境

地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，在距地表（30～300 m）之間的這段地層是一個恒溫帶，它的溫度源于地球表面的太陽熱輻射和地核熱傳導(dǎo)的綜合作用，所以這段地層被人們稱為“綜合平衡層”又稱“地下淺層”。在這個綜合平衡層中，一年四季溫度都相對穩(wěn)定，地源熱泵系統(tǒng)就是利用這一特點，通過對綜合平衡層中地下含水層以及深層地表水作熱泵的源與匯，向建筑物冬季供熱、夏季供冷的技術(shù)。

1.3 地源熱泵技術(shù)原理

地源熱泵技術(shù)是利用地球綜合平衡層中的水和土壤所儲藏的太陽能資源作為冷、熱源，進行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)，但主要應(yīng)用于人們的冬季供暖和夏季制冷。地源熱泵包括地表水熱泵、地下水熱泵、土壤源熱泵等技術(shù)。地源熱泵的理論基礎(chǔ)源于“卡諾循環(huán)”，按照逆循環(huán)工作，即通過輸入少量的高品位能源（電能），以地源能作為冷卻源或低溫?zé)嵩?，為建筑物或提供降溫或取暖。它不受環(huán)境、地域、資源的限制，是一種無處不在、清潔、量大、面廣的可再生能源。

2 地源熱泵的分類及優(yōu)缺

2.1 土壤源熱泵

土壤源熱泵是利用地下淺層巖土層中熱量進行閉路循環(huán)的熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)將熱泵的換熱器埋在地下土層中，通過循環(huán)液（水或以水為主要成分的防凍液）在密閉的地下埋管中的循環(huán)流動，與土壤進行冷熱交換，實現(xiàn)系統(tǒng)與土壤間的傳熱。在冬季供熱時，循環(huán)液從地下收集熱量，再通過系統(tǒng)把熱量帶到室內(nèi)；在夏季制冷時，系統(tǒng)進行逆向運行，從室內(nèi)吸收熱量，再通過系統(tǒng)循環(huán)將熱量送到地下巖土層中。

2.2 地下水源熱泵

地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是從水井（小于50 m）或廢棄的礦井中抽取的地下水。我們最常用的系統(tǒng)形式是一側(cè)連接地下水，一側(cè)連接熱泵機組（換熱器）。最初的地下水系統(tǒng)采用“單井系統(tǒng)”，即將地下水經(jīng)過板式換熱器換熱后直接排放。造成地下水資源的浪費，還會導(dǎo)致地層塌陷，引起地質(zhì)災(zāi)害?，F(xiàn)在產(chǎn)生了“雙井系統(tǒng)”，即有兩個井，一個抽水，一個回灌。其具有造價比土壤源熱泵低、水井與水井之間緊湊、占地面積小、技術(shù)比較成熟等優(yōu)點。但對水處理要求嚴格，用水量大，回灌時造成水污染。

2.3 地表水源熱泵

地表水源熱泵系統(tǒng)的熱源是湖泊、江河、池塘中的地表水。地表水源熱泵主要分為閉路系統(tǒng)和開路系統(tǒng)兩種。要根據(jù)不同環(huán)境來判斷采用半路或開路系統(tǒng)，比如：在寒冷的地區(qū)，由于溫度的響，水面會結(jié)冰，造成系統(tǒng)無法正常進行循環(huán)，所以只能采用閉路系統(tǒng)。地表水源熱泵具有：泵耗能低、造價相對較低、維修方便以及運行費用少等優(yōu)點。但地表水源熱泵系統(tǒng)受到自然條件的限制比較大，在公用的河流中、管道或水中設(shè)備容易受到人為的損害，造成不必要的損失。同時受環(huán)境影響較大，對水源的要求過高。

3 地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢及經(jīng)濟效益

3.1 具有極大的環(huán)境效益

我們現(xiàn)的取暖與制冷系統(tǒng)仍是投資大、占地多，且對環(huán)境的影響嚴重傳統(tǒng)的供暖、空調(diào)方式。由于大量采用煤炭、燃油和天然氣等作為燃料，燃燒后產(chǎn)生的大量污染物，嚴重破壞著大氣環(huán)境，降低了人們的生活質(zhì)量。熱泵系統(tǒng)可以建造在居民區(qū)內(nèi)，由于地源熱泵所使用的地下水可全部回灌，不會對水質(zhì)產(chǎn)生污染；地源熱泵系統(tǒng)不直接消耗煤或燃油、天然氣等礦物燃料，沒有燃燒和污染，也沒有廢棄物；，更不需要堆放燃料和廢物的場所，從而達到了綠色環(huán)保的要求。

3.2 充分利用自然資源實現(xiàn)高效節(jié)能

人們現(xiàn)在對太陽能的認識和應(yīng)用來越廣泛。太陽能是取之不盡的可再生綠色能源，地表淺層相當于一個巨大的太陽能集熱器，地源熱泵在冬季就是利用這種儲存于地表淺層的無限的能源作為熱源；在夏季則以地表淺層恒定的地能溫度作冷源，實現(xiàn)高效節(jié)能的目標。

3.3 運行穩(wěn)定可靠且使用壽命長

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)不論是水冷還是風(fēng)冷，換熱環(huán)境均為大氣，由于它的換熱器必須暴露在空氣中，因些不可避免地受到環(huán)境條件變化的影響，降低換熱效率和使用壽命，并且影響了建筑物的外觀；而地源熱泵以土壤作為熱源，受外界環(huán)境影響小；熱泵系統(tǒng)設(shè)計簡單，運動部件比常規(guī)系統(tǒng)少；系統(tǒng)安全無燃燒設(shè)備，不存在燃燒、爆炸等隱患。

4 結(jié)束語

隨著對地源熱泵技術(shù)的不斷深入研究，我國已具備了比較完善的地源熱泵工程技術(shù)，在淺層地?zé)崮芸辈樵u價技術(shù)規(guī)范、高效地下熱交換井技術(shù)、鉆孔熱反應(yīng)原位測試技術(shù)以及地源熱泵與太陽能結(jié)合技術(shù)方面，都取得了新的進展。這些技術(shù)在我國的推廣與應(yīng)用，使我國地源熱泵技術(shù)進入一個全新的時期，降低二氧化碳排放比，實現(xiàn)節(jié)能減排新目標，為我國資源的利用與環(huán)保做出巨大的貢獻，為實現(xiàn)我國2050年的節(jié)能減排目標提供有力的技術(shù)保障。