地源热泵技术的特征、发展与应用

苏高乐 安瑞盛

摘要：地源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，已经引起人们的广泛兴趣。随着我国经济快速发展，全国能耗快速增长，能源供应形势非常严峻，节能减排已是我们面临的最重要问题之一。地源热泵作为区域能源的一种重要形式，能够有效地降低住宅和公共建筑对资源的消耗，特别是在使用过程中的严重浪费。所以，如何解决地源热泵应用过程中的难题，促进地源热泵的可持续发展，已经成为国内城市研究的重要课题。

关键词：区域能源；地源热泵；节能

近年来，地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。它是一种利用地下浅层地能资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统，可以无污染地从天然能源中吸收能量，向建筑物供冷供暖，不排放二氧化碳等有害气体，且节能效果要高出40%，属于环保节能新型能源。因此，采用可再生地能资源的地源热泵被称之为21世纪最有效的供热制冷绿色环保技术。

1地源热泵的技术原理与技术分类

根据国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB50366，地源热泵系统定义为：以土壤或地下水、地表水为低温热源，由水源热泵机组、地能采集系统、室内系统和控制系统组成的供热空调系统。地能或地表浅层地热资源的温度一年四季是相对稳定的，土壤与空气的温差一般为17℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，是很好的热泵热源和空调冷源。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，达到降温和制冷的目的。地能的温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，可以节能和节省运行费用40%～50%左右。

根据地能采集系统的不同，地源热泵系统分为三种不同的系统：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统。这样的分类在国内的暖通空调界已经达到了共识。在这三种系统中，由于土壤资源广泛，目前和将来土壤源热泵将是地能利用的重要形式和今后发展的主要方向。

2地源热泵的技术优势

2.1可再生能源利用技术

地源热泵是利用地球表面浅层地能资源作为冷、热源进行能量转换的供热制冷空调系统。地表浅层地能资源是指地表浅层通过吸收太阳能、地热能而蕴藏的低品位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，它收集了50%左右的太阳能量，比人类每年利用的能量还多500倍。它不受地域、资源等限制，真正是资源广阔、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使地能成为清洁的可再生的能源。同时，地下是一个巨大的蓄能体，他可将热泵迁移的能量部分地蓄存，实现冷、热源的交替再利用。

2.2 经济有效的节能技术

地能资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气高，夏季比环境空气低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此，可节省运行费用40%～60%。另外，地能温度恒定，使热泵机组运行更可靠、稳定，保证了系统的高效性和经济性。

2.3环境效益显著

地源热泵虽然仍采用制冷剂，但可比常规空调装置减少25%的充灌量，属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大大降低。地源热泵的运行没有任何直接污染，可以建造在居民区内。由于替代锅炉燃烧供热，没有排放物及废弃物，不需要堆放燃料和废物的场地，以及不用远距离输送热量。没有目前空气源空调的热污染和较大的噪声污染等。

2.4使用寿命长，维护费用低

地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年，是分体式或窗式空调器的2～4倍。地源热泵系统运行部件比常规系统少，因而维护次数少，维护费用低。机组紧凑，节省空间。全电脑控制，性能稳定，可以电话遥控，可以进行温湿度控制和新风配送。系统安装在室内，不暴露在风雨中，可免遭损坏，更加可靠，使用寿命更长。

2.5采暖、供热和制冷一体化地源热泵系统可采暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用。一套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调以及生活热水加热的三套装置或系统。可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、供热和空调。

3.地源热泵技术在国内外发展与应用

自1912 年瑞士 Zoelly 提出的“地源热泵”概念以来，地源热泵系统在工程技术领域得到了广泛的研究和应用。

美国的水源热泵技术应用偏重于住宅和小型商业建筑，在大型建筑方面，美国推行WLHP 系统，即水环热泵系统，该系统是水源热泵系统的一种特殊方式。美国地源热泵工业已经成立了地源热泵协会，该协会在近年来投入了大量资金从事开发、研究和推广工作。

中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家于1960年代逐步发展成为主要用于采暖的水-水型地源热泵技术，主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。

加拿大地源热泵市场增长急剧，其主要原因是加拿大联邦政府的拨款支持，以及各省政府有针对性的补贴和公共服务部门对住宅改造的激励，补贴程序由专门机构（如声誉很高 David Suzuki 基金会）独立研究发布。

亚洲地区，如日本，1980年代以后建成了不少利用地表水、城市生活废水及工业废水的水源热泵集中供冷供热系统，如东京幕张地区利用城市生活废水的水源热泵系统。

地源热泵在我国的发展可以分为三个阶段：第一阶段从1980年代到21世纪初，是起步阶段。地源热泵概念逐渐出现在我国科研工作者的视野里并得到逐步重视。1997 年中国科技部与美国能源部正式签署的《中美能源效率及可再生能源合作议定书》是我国地源热泵真正起步的标志性事件，这个合作对我国地源热泵初期发展起到了引导的作用。第二阶段从 21 世纪初到 2004年，是推广阶段。地源热泵系统在我国各个地区均有应用，部分地源热泵企业在市场拓展方面遇到困难，艰难地生存。第三阶段从2005 年至今，为快速发展阶段。2005 年后，随着我国对可再生能源应用与节能减排工作的不断加强，《可再生能源法》、《节约能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《民用建筑节能管理条例》等法律法规的相继颁布和修订等奠定了地源热泵的突出地位，地源热泵系统应用进入了爆发式的快速发展阶段。2009 年 6 月 1 日，《地源热泵系统工程技术规范》修订版正式发布实施，成为正确指导地埋管地源热泵系统设计应用的行为准则。

大连的星海假日酒店采用的海水源热泵集中空调能为 4 万 m2的建筑提供制冷和采暖，在国内尚属首例，是目前我国最大的海水源热泵工程。

结语

隨着国家标准《地源热泵系统工程技术规范》的发布，地源热泵系统的设计、安装、运行、维护等各个方面均变得有章可循，其推广应用时机已成熟。但地源热泵技术就像一个新事物必须经历挫折和教训一样逐渐地发展。作为一门新技术，它为我们国家的可持续发展带来了契机，在不远的将来，随着经济实力的提高和人民生活水平的进步，经过研究和技术人员的共同努力，一定具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1]中国地源热泵行业发展概况[J]. 供热制冷. 2010（09）

[2]姜波，海洋.我国地源热泵技术发展综述[J]. 中华建设. 2010（07）