地源热泵系统的应用及推广

曹举胜

摘要：文章介绍了地源热泵系统的工作原理及分类，对具体工程应用实例进行了分析，并结合政府、行业的相关政策，对地源热泵系统作为节能环保的推广应用进行了论述。

关键词：地源热泵系统；热泵；可再生能源；节能

中图分类号：TU832文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0025-02

一、热泵的定义及其工作原理

（一）热泵的定义

热泵术语是借鉴水泵一词而来。水泵是消耗一定的机械能，将水从低处送到高处的设备；而热泵则是消耗一定的机械能，将低温位热能“泵送”到高温位来供应热量需求的设备。在我国《暖通空调术语标准（GB50155-92）》中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”；在《新国际制冷词典》中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上就是制冷机，只是运行工况不同（在系统运行时，热泵利用冷凝器放出来的热量来制热，实现为采暖、空调和生活热水提供热量）。

（二）热泵的工作原理

热泵的工作原理是：由电能驱动压缩机，使工质循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中汽化吸

热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。

二、地源热泵系统及其特点

（一）地源热泵系统

地源热泵系统是一种利用地表浅层地热资源作为冷热源，实现对建筑物的供暖或供冷的高效节能的空调系统。

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，蕴藏着无限的可再生能源，地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），通过热泵实现低温位到高温位的能量转移。在冬季利用热泵吸收其热量向建筑供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放，实现对建筑物的供冷。其工作原理大都是通过外部管道及阀门的切换来实现冬夏工况的转换，夏季空调供、回水走蒸发器，水源水走冷凝器，冬季空调供回水走冷凝器，水源水走蒸发器。

地表浅层地热资源的温度计一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是热泵很好的供热热源和供冷冷源，这种特性使得地源热泵比传统空调运行效率要高35%左右，通常地源热泵机组的性能系数COP（指其制热量与所消耗的电能的比值）达到3.8～5.4，即消耗1kW的能量可以得到4kW以上的热量或制冷量。

（二）地源热泵系统构成

地源热泵系统由地表浅层地热资源、地热能交换系统、热泵机组、建筑物内系统（末端装置）组成一完整的供热空调系统。

（三）地源热泵系统特点

1．节能。地源热泵系统利用地表浅层地能进行供热、制冷，与使用煤、气、油等常规能源供热制冷方式相比，地源热泵系统供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，节约了煤、气、油等这些常规的不可再生能源；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的水耗。

2．环保。利用地源热泵系统供热、制冷无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染，不产生废渣、废水、废气和烟尘。

3．运行效能高、费用低。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得地源热泵系统换热效率很高。因此，产生同样热量或冷量，其只需小功率的压缩机就可实现，大大减少了电能消耗。其耗能仅为普通中央空调和锅炉系统的50%～60%。

4．便于建筑物景观设计。传统的空调供热，要有一个锅炉房，空调一般要在楼上放一个冷却塔。地源热泵系统免设锅炉房，又避免了在楼顶设置冷却塔。

三、地源热泵系统的分类及应用实例

地源热泵系统根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类：地下土壤源热泵系统、地下水源热泵系统、地表水源热泵系统。

（一）地下土壤源热泵系统（又称地埋管地源热泵系统）

地下土壤源热泵系统是以大地作为热源，热泵的换热器埋于地下，传热介质通过地埋管换热系统与岩土体进行冷热交换，这种系统的突出特点是：占地面积大，钻井费用高。中央党校校医院8000m²，采用垂直埋管的土壤源热泵空调系统，满足冬季供暖、夏季供冷和生活热水的需求。地埋管设在建筑周边空旷的绿地下，共设160个深100m的循环孔，每个循环孔设置两对U型管（共4根HDPE管，管径为Ф32），孔间距为4米，共占地达2500m²。

（二）地下水源热泵系统

利用地下水作为冷热源的热泵系统称为地下水热泵系统，这种系统的突出特点是：适用于地下水资源丰富的地区。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。

北京鸿基花园小区商场工程4000m²，采用地下水热泵系统满足冬季供暖、夏季供冷的需求。设6个井（2抽水井，3回灌井，1备用井），井深90m，井间距30m，抽水管为焊接钢管，管径150mm。

（三）地表水热泵系统（含再生水热泵系统）

利用地表水（含河流、湖泊等）作为冷热源的热泵系统称为地表水热泵系统。地表的水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。2008年北京奥运会的奥运村工程成功应用了再生水热泵系统。奥运村工程由42栋公寓楼组成，建筑面积达到53万㎡，利用清河污水处理厂的二级出水（再生水），通过“再生水热泵系统”提取再生水中的能源，为奥运村提供冬季供暖和夏季制冷。

四、地源热泵技术的发展

我国从1998年开始在建筑工程中应用地源热泵，经过近几年的应用示范，现已得到上至政府官员，下至普通居民的广泛关注。沈阳市是目前水源热泵技术推广和使用最为充分的城市。2006年，沈阳做出规划，在“十一五”末期，沈阳将在7000万平方米的建筑面积中，实现地源热泵供暖。到目前为止，已有近1000万平方米的各类建筑利用地源热泵系统供暖（冷）。其中地下水源热泵技术使用最多，占到97%以上，而土壤源热泵技术与地表水源热泵技术仅在个别工程中应用。目前，北京已约有500多万平方米的建筑（占建筑市场1%～2%，且多数为高档公共建筑和别墅类建筑）利用地源热泵系统供暖（冷），前几年地下水源热泵技术使用较多，近两年地埋管的土壤源热泵占据了一定的市场。用业内人士的话说“从1999年到2002年，是热泵市场的示范期；从2003年到2005年，热泵技术市场逐年递增，进入推广期；2006年以后，全社会对热泵技术的认识已经有了一次飞跃”。

五、地源热泵系统的推广应用前景

（一）政府对包含地源热泵等可再生能源的利用给予了前所未有的支持鼓励

2006年，建设部、财政部联合发文对一些利用可再生能源的示范项目（含地源热泵项目）给予资金补贴。北京市发改委等相关部门联合下发了《关于印发关于发展热泵系统的指导意见的通知》（京发改[2006]839号），支持鼓励热泵系统的建设和运营： “市、区县政府投资的学校、医院等公益性项目，供热制冷系统优先选用热泵系统，所需投资从市政府固定资产投资中安排解决”；“在本市辖区内建设的各类项目，供制冷系统选用热泵系统的，根据市规划委核定的建筑面积从本市固定资产热投资中安排一次性补助，补助标准为：地下（表）水源热泵35元/平方米，地源热泵和再生水源热泵50元/平方米”。

（二）由于节约常规能源，充分利用可再生能源的国内外大趋势及其突出的节能和保护大气环境的功能，可预见中国地源热泵技术应用前景广阔，发展势头看好

对地下水资源丰富的地区，利用地下水作为冷热源的地下水热泵系统的推广前景是广阔的。地下水源热泵应用的突出问题是地下水的回灌问题。地下水源热泵应用要实现100%的回灌，并回灌到同一含水层，不污染地下水，且能长时间稳定运行，并不容易做到。目前，有的项目在采用地下水源热泵时未回灌或未完全回灌，造成了对地下水源的廉价开采和低效使用，在利用了水中能源时，却浪费了更为宝贵的地下水资源。例如，北京市是地下水资源比较贫乏的地区，基于这个突出问题的存在，目前北京市地下水源热泵的推广应用有所降温，业内有人士更倾向于地下埋管的土壤源地源热泵系统。地下埋管的土壤源地源热泵系统推广应用受到以下因素的制约：一是关于冷热负荷平衡的问题，就是全年由地下埋管系统提供的冷量与热量之间一定要基本平衡；二是初投资较高：初投资约为500元/m²，其中冷热源部分（地下埋管部分）占其50%多；三是占地面积大：对于像北京市这样寸土寸金的城区，推广会受到一定的限制。位于北京市东城区东直门香河园路的当代MOMA工程，总建筑面积22万m²，采用了地源热泵系统。该工程由于工程场地有限，打破了地埋管安装在建筑周围空旷的地下的常规做法，共656根地热管，均埋于建筑结构之下，节约了2万多平方米的占地面积，是目前国内首创、世界最大的单体建筑下换热器最多的地源热泵项目，为场地不足的情况下实施地源热泵提供了先例，但在一定程度上增加了施工难度和初投资费用。综合这些因素，目前地下埋管的土壤源地源热泵较适用于高档公共建筑和别墅类建筑（冷暖两用或供暖、供冷、生活热水三用）。

当前，《地源热泵系统技术规范》GB50366-2005已出台。对地源热泵系统的推广应用起到了支持和规范作用。