地源热泵技术进展及其应用分析

李凤鑫 孙雪振

摘 要：本文介绍了地源热泵技术的性能特点，重点指出其在发展应用过程中地源热泵技术中存在的局限，总结了目前地源热泵研究工作的主要方向，并对工程应用前景进行展望。

关键词：地源热泵；性能特点；技术进展；工程应用

1.地源热泵的相关概述

地源热泵（Ground- source heat pump）是一种高效节能的空调系统，它通过利用地下浅层中储存的地热资源（即地能），来实现供热和制冷。地源热泵的高效性在于可以通过输入少量的高品位能源，来实现低温位热能向高温位热能转移，。冬季，在热泵供暖时地能做为热源，热泵把地下浅层中的地能转移到工质中，实现高温供暖；夏季，在制冷时地能做为冷源，室内的热量通过转移到工质中释放到大地。

早在1912年瑞士专家H.Zoe11y就开始进行土壤热泵技术的研究工作，而地下埋管的研究工作真正开始时间却是1946年，故地源热泵的应用研究是二战结束以后的事情。在二十世纪五十年代初，英国首先安装了住宅供暖的地源热泵，从此揭开了地源热泵系统运用的序幕。1973年，爆发能源危机后，做为一种高效节能的新能源技术，地源热泵技术的研究开始出现在欧美等国。二十世纪九十年代后期，我国相关领域的专家学者开始进行地源热泵技术工作的研究，取得了一定的成绩，而与美国、欧洲、日本等发达国家地区相比，研究深度不够，推广运用仅仅限于部分示范地区。

2.地源热泵的优、缺点与应用分析

我国有相当丰厚的地表水资源，在热泵系统中作为低温热源，可获得可观的经济效益。地源热泵系统和传统锅炉、中央空调等设备相比有如下优点：

1.能源利用率高：地源热泵与电、热锅炉加热相比节约66%以上的能量，与燃料锅炉相比节约50%以上的能量；其制冷、制热系数在4.0左右，与空气源热泵相比高出40%，故能量利用率得到了大幅度的提高；

2.一机多用，结构简单：地源热泵既能实现供暖又可实现制冷两种工况，同时不需要冷却塔，锅炉房等设备，既节约了设备投资，又可以减少占地面积；

3.可以实现零污染：在工作过程中不产生排放“三废”，同时没有余热排向环境，被誉为“二十一世纪最具有发展前途的绿色空调技术”；

4.运行可靠：地源热泵系统与常规锅炉、中央空调系统相比，结构相当简单，运动部件比较少，系统并不暴露在外，免遭风雨侵蚀，因此可以减少维护，使用寿命相对较长；

虽然地源热泵有如此多的优点，但是在实际应用也暴露出了种种不足，做为技术开发研究人员，要敢于面对存在的缺陷并解决种种弊端，这也是研究工作的重要意义。在实际应用中存在的缺陷主要有：

1.观念转变问题：由于我国地大物博，能源存储量较大，虽然能源平均分配量较少，但是由于城市发展不协调，再加上近些年来，钢铁煤炭等产业产能过剩，致使一些地区人们的节能环保观念不够强，缺乏对新型节能技术的主动性，所以此类技术并未普遍推广；

2.初步投资成本：与传统锅炉、中央空调等设备相比，虽然运行可靠，运行费用低，但是初步安装时，费用偏高；

3.地理局限性：我国的地热资源高温地区主要在云南、四川西部和西藏南部。不同地区土壤的热物性和气候条件并不相同，所以有关地源热泵的技术并不是普遍适用的；

4.热堆积和冷堆积问题：在热泵运行过程中冷热负荷不平衡问题对系统的效率影响较大，也是地源热泵系统应用的关键技术难题，在一定程度上此问题影响热泵的推广。

目前地源热泵种类较多，大致有如下四种：垂直式地源热泵、水平式地源热泵、地下水式地源热泵、地表水式地源热泵。就目前我们国家来说，技术比较成熟的，在工程项目中运用最多的还是地下水式热泵系统。我国国内已经有三十多家厂家生产水源热泵机组，但是由于生产技术标准并未统一，导致生产的产品与实际应用中的产品质量存在较大差异。

3.地源热泵的研究工作

目前各国都十分重视对这一新型节能技术工作的研究，研究工作主要集中在以下几个方面：

1.夏季时瞬态工况数值模拟的研究；

2.地源热泵埋管换热器传热模型和性能测试；

3.地源热泵空调系统制冷工质优化研究；

4.地源热泵的运行特性的研究；

5.土壤热物性及其导热系数的研究；

6.新型地源热泵系统的研发；

7.土壤热交换器性能的研究；

8.地源热泵装置和部件的仿真模拟的研究；

9.与其他能源如风能、水利能等能源的联合研究等等；

我国的能源消耗和能源生产在世界各国中名列前茅，由于历史原因我国在能源利用研究上起步较晚，与其他大国相比能源结构不够合理，能源利用率相当低。地源热泵技术在国外已经相当成熟，并广泛运用于各个领域。我国的专家学者也在积极研究推广该项技术，目前沈阳、北京等城市是我国地源热泵技术推广示范性城市，而其他地区发展滞后。

4.结束语

在地源热泵技术的推广应用中， 虽然还有很多问题亟待解决， 但由于地源热泵以其绿色环保和高效节能等特点， 已成为本世纪最有发展前途的新技术。与传统热炉、电炉、中央空调等相比，它的经济效益是竞争力的决定性要素， 通过国家政策引导和适当补助， 可以大幅度提高地源热泵的经济性和市场竞争力。我国地域辽阔，土壤热能十分丰富，可以预见在我国提倡可持续发展战略背景下，地源热泵技术在21世纪前景广阔。

参考文献：

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[6]肖世强.地源热泵技术应用研究进展[J].科学之友，2013（08）：62-63.

作者简介：

第一作者：李凤鑫（1998.12-），男 ，汉族，学生，河南商丘，单位：郑州轻工业学院分院济源职业技术学院，專业：建筑环境与能源应用工程，研究方向：强化传热及其节能减排技术

第二作者：孙雪振（1993.10-），男，汉族，学生，河南商丘，单位：郑州大学化工与能源学院，专业：化工过程机械