地源热泵系统的应用与展望

徐 伊 萌

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

0 引言

伴随我国社会经济的快速发展，一次能源消耗量急剧增加，我国成为能源消耗量最大的国家。现有建筑物多采用空调设备调节室内空气环境，易消耗大量能源，对环境造成危害。其中，在夏季制冷季，室内向室外空气的排热使得室外温度持续增高，室外温度增高又迫使人们加大室内空气调节系统的功率，继而向室外排放更多的热空气，循环往复，导致了电能的巨大消耗。

应用于建筑环境领域的地源热泵技术是以大地或水为冷热源的空调技术，在大地和室内之间“转移”能量，遵循卡诺定理。需要从外部供给热泵较小的耗功来维持建筑室内所需要的温度。确保能源应用的可持续性，提高可再生能源的利用率，对地源热泵的研究和应用有着重要的意义。本文阐述了国内外地源热泵的研究现状，介绍了地源热泵的三种类型和其原理技术，提出了现有地源热泵系统的优缺点，分析了地源热泵目前存在的主要问题，为地源热泵的应用和发展奠定基础。

1 地源热泵的发展历程与现状

国外学者和企业对地源热泵技术进行了较早的研究和应用，国外的相关发展历程可分为三个阶段：1)瑞士人Zoelly早在1912年就提出了利用土壤作为热泵热源的设想。一直到二战结束，地源热泵才兴起研究热潮，但因为当时能源价格低廉，这一阶段并没有持续太长时间就结束了。2)第二阶段是在1973年“能源危机”出现之后，出于需求，欧美国家对于地源热泵的研究达到高潮。在政府的支持下，美国多所高校和重点实验室完成了一系列的实验研究和计算机模拟并形成了现在的地源热泵的理论基础。3)第三阶段是在20世纪90年代之后，地源热泵进入了全面应用的新时代，欧美国家全面推广，地源热泵成为了家用热泵的主力。地源热泵的应用在欧美国家取得了良好的效果并已进入成熟阶段，截至2015年，地源热泵的装机容量占全球地热产能的68.3%。

地源热泵技术在我国的发展历程呈现出“起步晚、增长快”的特点，2005年后进入了高速发展阶段。20世纪80年代以来，随着改革开放后经济发展带动的建筑产业高速发展，建筑能耗增加，亟需寻找可再生能源以减轻传统石化能源消耗引起的环境污染问题，国内相关高校和企业开始关注地源热泵技术。20世纪90年代，北京、上海、天津、重庆、山东等地高校研究人员对土壤源热泵进行理论和实验研究，论证了地源热泵技术在我国实施的适宜性，是地源热泵推广应用的重要依据。90年代中后期，地源热泵技术开始大规模应用于国内的公共建筑和居住建筑。2005年起，我国《可再生能源法》颁布实施，国家提出了“十一五”期间节能降耗和污染减排的具体目标，国家标准《地源热泵系统工程技术规范》颁布实施，2008年国务院发布《公共机构节能条例》和《民用建筑节能条例》[1]，这些国家政策、法律、规范的实施，大力促进了地热能源技术尤其是地源热泵技术在建筑领域的推广与应用。截至2014年年底，全国地源热泵总利用面积约3.6亿m2，2010年以来的年平均增长率达28%。2016年国家能源局发布的《国家能源发展“十三五”规划》目标中，“2020年地热能利用规模达到7 000万t标煤以上”[2]。

2 地源热泵的分类

目前，应用于建筑环境领域的地源热泵技术是热泵的一种，遵循卡诺定理，是以大地或水为冷热源对建筑物进行室内温度调节的空调技术，地源热泵系统在大地和室内之间“转移”能量。需要从外部供给热泵较小的耗功来维持建筑室内所需要的温度。地源热泵可分为地表水源热泵、地下水源热泵和土壤源热泵三种类型。在一次2004年的调查数据中显示：地下水源热泵所占比例为65.06%、土壤源热泵占30.12%、地表水源热泵占4.82%。近些年来，随着土壤源热泵的飞速发展，其所占比例日渐升高。

2.1 地表水源热泵

地表水源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换[3]。按照热交换的原理，地表水源热泵系统可以分为闭路、开路系统两种形式。开路式系统在热交换过程中地表水进入热泵设备内部，因此开路式系统对地表水水质要求较高。闭路式系统不同于开路式系统，热交换过程中避免了地表水与热泵设备的直接接触。在大连、青岛等城市均有采用海水源热泵的建筑投入实际运行中并在不断探索研究中。不仅在建筑行业，交通、石油等行业也纷纷投入水源热泵的建设应用中。但这种地表水源热泵系统应用时受到自然条件的限制，寒冷地区一般只采用闭路系统，在冬季北方地区应用时需进行防冻处理[3]。而我国南方地区气候温暖，拥有众多江河湖泊，为推广地表水源热泵提供便利。相比于其他两种热泵类型，地表水源热泵的研究较少。

2.2 地下水源热泵

地下水源热泵系统从水井或废弃的矿井中抽取地下水作为热源，利用热泵技术，输入少量高位电能，实现冷热量由低热能向高位能的转化，从而达到为用户供热或供冷的目的[4]。地下水源热泵系统在使用时具有一定局限性，适合于地下水资源充沛的地区，并且要得到当地资源管理部门的允许才可以合理开采利用地下水。近几年，地下水的水质处理及地下水的回灌技术成为研究的主要内容，一些城市专门成立了专家组来攻克有关地下水的研究课题。我国地下水源热泵发展出现了地下水质恶化和地下水超量开采的严峻问题，虽然地下水源热泵并不是导致这个问题的主要原因，但也会加深这个问题的严重性。地下水作为珍贵的水资源，应当得到保护和储存，所以地下水源热泵具有很大的限制性。

2.3 土壤源热泵

土壤源热泵利用了地下土壤温度的稳定性这一特点。10 m以下的土壤温度全年保持在12 ℃～20 ℃的恒温，相对于地上温度变化幅度小。土壤源热泵除了室外管路系统，还有热泵工质循环系统和室内空调管路系统为主要组成部分。它的工作原理是：冬天，从地下土壤吸取热量输送到地上为用户进行供暖；夏天，吸收室内热量输送到地下再释放到土壤中，这样可以保证土壤温度保持平衡，减小对地下土壤的破坏程度，也避免了污染室外空气。

土壤源热泵有水平埋管、垂直埋管和螺旋型埋管三种埋管方式。水平埋管形式适用于有足够空间的场所，埋管深度在1.2 m～3 m之间，采用单层或多层串、并联水平平铺埋管方式，水平埋管安装方便、投入低，但相对来说它的应用效果差，不仅占用面积大还会在很大程度上受到地面温度的影响。垂直埋管形式适用于10 m～100 m深度的U形垂直埋管或套管，该类型占地面积小，地下温度稳定不易受影响，热泵效果运行良好，但初投资过高[5]。螺旋型埋管结合了水平埋管和垂直埋管的优势，解决了占地面积大和造价高的问题，但螺旋型埋管结构复杂，不易施工，后期维护困难，且系统运行阻力大。

3 地源热泵的特点

3.1 地源热泵的优点

1)充分利用可再生能源。地源热泵技术是一种理想的绿色技术，利用的是地球表面浅层地热资源。地表浅层资源采集了47%的太阳能，远远多于人类每年实际应用的能量。地源热泵技术符合政策上可持续发展的趋势。2)节能效率高。地源热泵的COP(Coefficient of Performance)值达到了4以上，也就是说消耗1 kW·h的能量，用户可得到4 kW·h以上的热量或冷量。3)维护费用低。地源热泵系统安装在地下，不受室外环境的影响，后期维护费用低，且自动控制程度高，无需专人值守，可远程操控。4)环境污染小。地源热泵的利用避免了燃烧各类不可再生能源，因此也不会向室外释放各类有害气体，减轻了对环境的污染，提升了空气质量指数。

3.2 地源热泵的局限

1)初期投资高。地源热泵的初期投入较高，后期回收利益周期较长，“高投资、慢回报”投资会使许多公司望而却步，这不利于地源热泵的推广应用。

2)地源热泵从设计到施工都有较高要求，虽然现在做暖通的公司很多，但是真正拥有专业地源热泵安装施工技术的公司并不多。而地源热泵的安装需要有专业的技术人员参与其中。

3)负责后期运行维护的技术人员水平亟需提高。后期维护地源热泵系统的管理人员水平有限，并没有相应的学历和知识储备，对地源热泵投入实际应用后的观察改善无实际作用。地源热泵的操控还需引进高技术水平人员，这才有利于地源热泵系统后期的维护和实验研究。

4 结语

随着能源应用结构的迫切改革需求，对石化能源的应用将会逐渐减小，而清洁的可再生能源将会成为未来发展的主流。地源热泵拥有的众多优点非常适合应用于新的能源结构中。地源热泵系统存在一定局限性和可发展性，可把地源热泵系统与其他类型的热泵系统结合起来，如太阳能—地源热泵耦合系统，结合两类系统的优点，摒弃缺点，优化系统，形成更高效、节能和经济的热泵系统。此外，地源热泵的推广还需国家和政府的支持，让更多的人了解地源热泵，更多的科研院所和企业投入地源热泵的研究与应用开发。综上所述，地源热泵系统还有巨大的发展空间和发展前景，发展地源热泵也是势在必得的事情，地源热泵技术的完善也有利于节能减排和环境可持续发展。

[1] 陈 俊.浅述浅层地热能的应用和发展前景[J].中国水运月刊,2013(2):196.

[2] 杨 扬,张洁明,王晓晨,等.浅析我国地源热泵现状与发展前景[J].区域供热,2017(1):120-123.

[3] 徐 伟,刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学,2013,29(10):26-33.

[4] 仉安娜,唐远明.环保节能地源热泵技术应用研究[J].环境保护与循环经济,2008,28(12):34-37.

[5] 杨卫波,董 华.土壤源热泵系统国内外研究状况及其发展前景[J].建筑热能通风空调,2003,22(3):52-55.