地源热泵技术的应用研究

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 地源热泵技术的应用研究 作者：程述青 来源：《城市建设理论研究》2012年第30期

摘要：本文首先介绍了地源热泵技术的工作原理、分类，以及它在国内外的发展与应用情况，其次分析了地源热泵技术的特点，并指出了其在实际应用中应注意的问题。最后对地源热泵技术在我国的应用前景进行了展望。

关键词：地源热泵技术；节能；埋管；机组 Abstract: In this paper, firstly the working principles and classification of GSHP (Ground Source Hear Pump) technology are introduced, as well as its development and application at home and abroad; secondly the characteristics of GSHP technology are analyzed, and the problems should be paied attention to in the actual application are pointed out; thirdly a prospect of its application in China is presented.

Key words: GSHP technology; energy saving; pipe laying; unit 中图分类号：F206 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 0. 引言 随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热、空调已成为普遍需求。目前，我国建筑能耗占全社会总能耗的27%左右，其中建筑物供热空调的能耗占整个建筑能耗的60%左右[1]。降低供热空调系统的能耗，寻求既节能又环保的供热空调方式成为当务之急。

地源热泵技术是一种高效的节能环保型供热、空调技术。它是以地球表面浅层地热资源作为冷热源，利用热泵工作原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地表浅层地热资源是指地表土壤、地下水、地表水吸收太阳能而蕴藏的低位热能，是一种清洁、可再生的能源。

根据冷热源不同，地源热泵系统可分为三类：以土壤作为冷热源的土壤源热泵，又称地下耦合热泵系统；以地下水为冷热源的地下水热泵系统；以地表水为冷热源的地表水热泵系统。

1. 地源热泵技术国内外应用发展 地源热泵实际上是一项非常古老的技术，20世纪40年代便有应用，只是近年来相关技术的发展，使其迅速商业化。地源热泵的名称最早出现在1912 年瑞士的一份专利文献中，50年代欧洲出现了利用地源热泵的第一次高潮。但当时由于能源价格低，系统造价高，没有得到广龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 泛应用。70 年代，石油危机使地源热泵的发展进入了高潮阶段，此时地下埋管已由早期的金属管改为塑料管。这个时期欧洲建立了不少水平埋管换热器的地源热泵，但主要用于冬季供暖。80 年代初开始，美国、加拿大开展了大量冷暖联供地源热泵方面的研究工作，并有部分工程的运行总结和性能比较[2]。

我国在地源热泵领域的研究始于20 世纪80年代初的天津大学和天津商学院，但其应用推广非常缓慢。90年代末期开始，重庆建工学院、青岛建工学院、同济大学等国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台，进行了一系列的理论和试验研究。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展，做了许多实验研究和工程示范，大大加快了我国地源热泵的发展步伐[3]。

目前，地源热泵技术在国内许多建筑项目中得到了应用。如山东建工学院学术报告厅、国家大剧院、北京友谊医院、大连星海湾酒店、南京国际商城、重庆喜来顿酒店、天津梅江居住区综合办公楼、新疆米泉市小型办公楼、浙江横店国际商贸城等[4]。

2. 地源热泵技术的特点 （1）使用清洁可再生能源，环保效果好。地源热泵利用的是地表中清洁可再生的太阳能，制热时不需锅炉，无燃料燃烧时产生的污染物；制冷时不需冷却塔，避免了冷却塔运行时的噪声、功耗和水的损耗。

（2）高效、节能，运行稳定，运行费用低，寿命长。地下土壤或水体温度冬季比环境温度高，夏季比环境温度低，且始终保持较为稳定的状态。这保证了机组的高效性，并有利于延长其使用寿命。通常，地下埋管的使用寿命可长达50年，热泵机组的寿命可达20年以上。美国环保署估计，设计安装良好的地源热泵，平均可比常规空调节约40%-50%的运行费用[5]。

（3）一机多用。地源热泵机组可供暖、制冷，还可提供生活热水。 （4）无需除霜。与空气源热泵相比，地源热泵性能不受空气温度变化的影响，冬季不存在除霜问题。

（5）系统简单，维护费用低。地源热泵中央空调系统组成简单，地下或室外部分几乎不需维护。

（6）可实现区域控制，便于物业管理。区域控制最大的优点是，各区域机组可在同一时刻各自独立进行制冷或制热运行，避免能源浪费，充分体现地源热泵中央空调系统的节能性和舒适性。

（7）结构紧凑，节省机房面积。不需大型冷冻机房和锅炉房，不需冷却塔。小规格机组形式多样，可直接安装在室内，与室内装修融为一体。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn （8）对设计与安装技术水平要求高。如果系统设计和安装不合理，将不能充分体现其优越性，收不到应有的节能效果。室外部分与室内部分的设计都需引起足够重视；安装上以垂直U型管埋管施工为例，如果不做好防止U 形管热短路工作，地下换热器的性能将大受影响。

（9）初投资较大。主要是指闭环系统，特别是土壤源热泵系统。但对于设计安装良好的工程，4年内即可收回投资。

3. 地源热泵技术在应用中应注意的问题 尽管地源热泵空调系统具有节能环保等许多优点，但由于受客观条件的影响，并不是任何工程项目都可采用。对于采用地源热泵空调的工程项目，也需分析何种形式的地源热泵空调为宜。

（1）对于只需制冷的工程，一般不宜采用闭式环路的地源热泵系统，因为闭式环路系统中埋管投资较大，空调年运行时间短，投资回收期较长。这类工程宜采用能效比（EER）较高的常规冷水机组，由冷却塔向空气排放热量。闭环系统较适合于有冷热负荷需要的空调系统，开环式地源热泵系统则适合于单冷空调或单暖空调系统。

（2）如果没有足够的地方使地下换热器的换热能力满足冬季室内热负荷的需要，则需设置锅炉等辅助热源，夏季需加冷却塔，系统组成较为复杂，这种情况是否采用地源热泵，需通过技术经济比较而定。

（3）在高层建筑的应用中，如果空调系统是分层分区域控制的，而地源侧采用垂直埋管，则需考虑埋管的耐压问题。此情况的埋管设计可参文献[6]。

（4）地源热泵空调系统宜采用分区域控制的方案。美国一些地源热泵专业生产厂家不生产大规格的机组，主要是为适合区域控制的需要。某工程采用了美国进口的6 台水-水地源热泵机组，设计上按传统的思路，将6 台主机集中并联安装，被美国技术专家认为是不合理的设计[5]。

（5）机组的选用要与地源热泵系统类型相适应。有的机组只适合在水环热泵空调系统中使用，有的较适合在开环式地源热泵空调系统中使用，有的各种型式都可应用。建设单位或安装公司订购设备时需细心。

（6）关于机组的能效比和性能系数。需注意的是同一厂家同一系列不同规格的机组，在同一工况下，能效比和性能系数会有较大不同。

（7）目前有不少工程采用进口机组，有的机组的标定能力与实际相差较大。这一方面是由于名义工况与实际工况的不符引起的，另一方面是由于电源条件不同所产生的。一台按60Hz设计的机组在我国50Hz供电条件下应用时，机组制冷与制热能力将下降15%左右[5]。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn （8）目前地源热泵机组大多以R22为制冷剂，受压缩机压比的限制，水-水机组供热时出水温度通常为45℃，而风机盘管的制热能力是在供水温度60℃的情况下测定的。故对于热负荷大的空调工程，选用风机盘管时需考虑是否加大规格。

4. 展望 随着常规能源资源的日趋减少，地源热泵空调技术以其节能、环保和可持续发展的突出优点，已成为空调供暖工程优先选择的方案之一。我国国土辽阔，近地表低温地热资源丰富，加之人口众多，采暖和制冷工业的基础相对薄弱，将来需求量无可比拟。综上所述，地源热泵技术在我国有着广阔的市场前景。

参考文献： [1] 徐伟.地源热泵技术发展策略和工程应用分析[J]. 工程建设与设计，2008（1）. [2] 陈焕新，杨培志，徐云生. 地源热泵技术在我国的应用前景[J].建筑热能通风空调，2002 (4)，10-13.

[3] 张佩芳. 地源热泵在国外的发展概况及其在我国应用前景初探[J].制冷与空调，2003，3(3)，12-15.

[4] 裴侠风. 地源热泵技术的应用现状及展望[J]. 制冷与空调，2003 (4)，76-78. [5] 章俞昌，潘金文. 地源热泵技术的特点及其在空调工程中的应用[J]. 工程建设与设计，2003(8)，67-70.

[6] 徐伟，等译. 地源热泵工程技术指南[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.