地源熱泵技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用分析

李鳳鑫 孫雪振

摘 要：本文介紹了地源熱泵技術(shù)的性能特點(diǎn)，重點(diǎn)指出其在發(fā)展應(yīng)用過程中地源熱泵技術(shù)中存在的局限，總結(jié)了目前地源熱泵研究工作的主要方向，并對工程應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；性能特點(diǎn)；技術(shù)進(jìn)展；工程應(yīng)用

1.地源熱泵的相關(guān)概述

地源熱泵（Ground- source heat pump）是一種高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，它通過利用地下淺層中儲(chǔ)存的地?zé)豳Y源（即地能），來實(shí)現(xiàn)供熱和制冷。地源熱泵的高效性在于可以通過輸入少量的高品位能源，來實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移，。冬季，在熱泵供暖時(shí)地能做為熱源，熱泵把地下淺層中的地能轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)高溫供暖；夏季，在制冷時(shí)地能做為冷源，室內(nèi)的熱量通過轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中釋放到大地。

早在1912年瑞士專家H.Zoe11y就開始進(jìn)行土壤熱泵技術(shù)的研究工作，而地下埋管的研究工作真正開始時(shí)間卻是1946年，故地源熱泵的應(yīng)用研究是二戰(zhàn)結(jié)束以后的事情。在二十世紀(jì)五十年代初，英國首先安裝了住宅供暖的地源熱泵，從此揭開了地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)用的序幕。1973年，爆發(fā)能源危機(jī)后，做為一種高效節(jié)能的新能源技術(shù)，地源熱泵技術(shù)的研究開始出現(xiàn)在歐美等國。二十世紀(jì)九十年代后期，我國相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者開始進(jìn)行地源熱泵技術(shù)工作的研究，取得了一定的成績，而與美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家地區(qū)相比，研究深度不夠，推廣運(yùn)用僅僅限于部分示范地區(qū)。

2.地源熱泵的優(yōu)、缺點(diǎn)與應(yīng)用分析

我國有相當(dāng)豐厚的地表水資源，在熱泵系統(tǒng)中作為低溫?zé)嵩?，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。地源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)鍋爐、中央空調(diào)等設(shè)備相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.能源利用率高：地源熱泵與電、熱鍋爐加熱相比節(jié)約66%以上的能量，與燃料鍋爐相比節(jié)約50%以上的能量；其制冷、制熱系數(shù)在4.0左右，與空氣源熱泵相比高出40%，故能量利用率得到了大幅度的提高；

2.一機(jī)多用，結(jié)構(gòu)簡單：地源熱泵既能實(shí)現(xiàn)供暖又可實(shí)現(xiàn)制冷兩種工況，同時(shí)不需要冷卻塔，鍋爐房等設(shè)備，既節(jié)約了設(shè)備投資，又可以減少占地面積；

3.可以實(shí)現(xiàn)零污染：在工作過程中不產(chǎn)生排放“三廢”，同時(shí)沒有余熱排向環(huán)境，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前途的綠色空調(diào)技術(shù)”；

4.運(yùn)行可靠：地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)鍋爐、中央空調(diào)系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，運(yùn)動(dòng)部件比較少，系統(tǒng)并不暴露在外，免遭風(fēng)雨侵蝕，因此可以減少維護(hù)，使用壽命相對較長；

雖然地源熱泵有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用也暴露出了種種不足，做為技術(shù)開發(fā)研究人員，要敢于面對存在的缺陷并解決種種弊端，這也是研究工作的重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中存在的缺陷主要有：

1.觀念轉(zhuǎn)變問題：由于我國地大物博，能源存儲(chǔ)量較大，雖然能源平均分配量較少，但是由于城市發(fā)展不協(xié)調(diào)，再加上近些年來，鋼鐵煤炭等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩，致使一些地區(qū)人們的節(jié)能環(huán)保觀念不夠強(qiáng)，缺乏對新型節(jié)能技術(shù)的主動(dòng)性，所以此類技術(shù)并未普遍推廣；

2.初步投資成本：與傳統(tǒng)鍋爐、中央空調(diào)等設(shè)備相比，雖然運(yùn)行可靠，運(yùn)行費(fèi)用低，但是初步安裝時(shí)，費(fèi)用偏高；

3.地理局限性：我國的地?zé)豳Y源高溫地區(qū)主要在云南、四川西部和西藏南部。不同地區(qū)土壤的熱物性和氣候條件并不相同，所以有關(guān)地源熱泵的技術(shù)并不是普遍適用的；

4.熱堆積和冷堆積問題：在熱泵運(yùn)行過程中冷熱負(fù)荷不平衡問題對系統(tǒng)的效率影響較大，也是地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題，在一定程度上此問題影響熱泵的推廣。

目前地源熱泵種類較多，大致有如下四種：垂直式地源熱泵、水平式地源熱泵、地下水式地源熱泵、地表水式地源熱泵。就目前我們國家來說，技術(shù)比較成熟的，在工程項(xiàng)目中運(yùn)用最多的還是地下水式熱泵系統(tǒng)。我國國內(nèi)已經(jīng)有三十多家廠家生產(chǎn)水源熱泵機(jī)組，但是由于生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并未統(tǒng)一，導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品與實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)品質(zhì)量存在較大差異。

3.地源熱泵的研究工作

目前各國都十分重視對這一新型節(jié)能技術(shù)工作的研究，研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：

1.夏季時(shí)瞬態(tài)工況數(shù)值模擬的研究；

2.地源熱泵埋管換熱器傳熱模型和性能測試；

3.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷工質(zhì)優(yōu)化研究；

4.地源熱泵的運(yùn)行特性的研究；

5.土壤熱物性及其導(dǎo)熱系數(shù)的研究；

6.新型地源熱泵系統(tǒng)的研發(fā)；

7.土壤熱交換器性能的研究；

8.地源熱泵裝置和部件的仿真模擬的研究；

9.與其他能源如風(fēng)能、水利能等能源的聯(lián)合研究等等；

我國的能源消耗和能源生產(chǎn)在世界各國中名列前茅，由于歷史原因我國在能源利用研究上起步較晚，與其他大國相比能源結(jié)構(gòu)不夠合理，能源利用率相當(dāng)?shù)?。地源熱泵技術(shù)在國外已經(jīng)相當(dāng)成熟，并廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。我國的專家學(xué)者也在積極研究推廣該項(xiàng)技術(shù)，目前沈陽、北京等城市是我國地源熱泵技術(shù)推廣示范性城市，而其他地區(qū)發(fā)展滯后。

4.結(jié)束語

在地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用中， 雖然還有很多問題亟待解決， 但由于地源熱泵以其綠色環(huán)保和高效節(jié)能等特點(diǎn)， 已成為本世紀(jì)最有發(fā)展前途的新技術(shù)。與傳統(tǒng)熱爐、電爐、中央空調(diào)等相比，它的經(jīng)濟(jì)效益是競爭力的決定性要素， 通過國家政策引導(dǎo)和適當(dāng)補(bǔ)助， 可以大幅度提高地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性和市場競爭力。我國地域遼闊，土壤熱能十分豐富，可以預(yù)見在我國提倡可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，地源熱泵技術(shù)在21世紀(jì)前景廣闊。

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作者簡介：

第一作者：李鳳鑫（1998.12-），男 ，漢族，學(xué)生，河南商丘，單位：鄭州輕工業(yè)學(xué)院分院濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，專業(yè)：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程，研究方向：強(qiáng)化傳熱及其節(jié)能減排技術(shù)

第二作者：孫雪振（1993.10-），男，漢族，學(xué)生，河南商丘，單位：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，專業(yè)：化工過程機(jī)械