地源热泵系统的研究与应用

李 丹

（吉林建筑科技学院，长春 130111）

能源革命、低碳能源、清洁供暖目前已经成为我国能源战略的重要组成部分。根据《能源发展“十三五”规划》预测结果，“十三五”期间，我国的天然气和非化石能源的消费增量将达到煤炭消费增量的3倍，约占能源全部消费增量的68%[1-3]。

面对严峻的能源危机，国家大力支持低碳清洁能源的开发和利用，建筑行业领域也迎来能源革命。在建筑领域，地源热泵系统作为一种使用清洁能源的采暖（制冷）系统，可以利用少量的高位能（一般为电能），将浅层的地热能转化为高位热能。地源热泵主要是将土壤所储藏的庞大太阳能作为热源，通过热泵系统进行能量的相互转换，是一种实用的节能技术。

我国地域广阔，四季分明，南北方气候具有明显的差异，太阳能在地域上分布不均衡。北方地区冬季气温低且持续时间长，供暖需求极大。目前只有北京等少数地区采用天然气供暖，北方大部分地区仍然以燃煤供热为主要采暖方式。燃煤采暖会生成大量温室气体，其对环境破坏极大。地源热泵不使用煤炭作为主要供能方式，而是利用少量清洁的电能，从土壤中取热，进行供热的能量转换。过去，大气温度偏低，传统的空气源热泵制热效率就会降低，而地源热泵消除了这一缺陷。南方夏季时间长，制冷需求比较大，与中央空调相比，地源热泵的制冷效率更高。

1 地源热泵的工作原理

1.1 地源热泵及其种类

地源一词的汉语内涵十分广泛，包括所有地下资源[4]。但是行业内，这一词语是指潜藏于地壳以下400m深度之内的低温地热能源。这部分能源主要自太阳能，还有很少的一部分来源于储存于地球内部的地热能。地源热泵系统由热泵机组、地源能量交换系统及建筑内系统组成[5]。依据地热能交换形式的不同，地源热泵系统主要分为两种。即水源热泵和土壤源热泵系统。

1.2 地源热泵工作原理

两种地源热泵系统存在一定的差别，但是其制冷及供暖原理大同小异，都是利用热泵，采用热交换的方法实现能量的转换，满足人们日常生产生活中的热量（冷量）需要。

本文主要介绍了土壤源热泵的工作原理，如图1所示[6]。地下内部土壤的温度一般变化幅度较小，保持相对恒定，因此热泵系统利用建筑物周围深埋的埋管系统与地源（热源或冷源）接触，促成住宅内部与地热能完成热量转换。土壤吸收了大量太阳能，热量巨大而又不间断，地下温度场处于地下深层，地下温度一年四季变化较小，季节对地下温场的温度基本不会产生影响，因而地下温场温度基本处于恒定状态。冬季，地下温度比大气温度高，而夏季又比大气温度低。土壤源热泵就是利用地下温度场的这一特点，冬季热泵利用电能从土壤中取热，将热量传输给建筑物实现供暖；夏季热泵又利用电能将温度较高的室内热量排入土壤，为建筑物制冷。

图1 热泵原理

与传统的冷水机组加锅炉的配置相比，地源热泵初期投资较高，但长远来看，全年可降低能耗40%左右，并且机房占地面积较小，耗水小，运行费用低，对环境无污染。热泵系统一般由三组功能部件（热泵主机、室外的地埋管换热器和室内空调机末端）和三套能量循环（室外的地源水循环、热泵冷媒循环及负荷水循环）构成。地埋管换热器的主要作用是夏季向土壤排出热量，作用类似于常规空调的冷却塔；冬季从土壤中吸取热量，功能类似于传统燃煤采暖过程中的锅炉。

图2是土壤源热泵的主要工作流程[7]。夏季，热泵用作制冷机。此时，室内温度比土壤温度高很多，土壤测作为冷源使用。在循环泵的作用下，该侧换热管中的循环水不断流动，对冷凝器中的制冷剂进行冷却。房间末端系统的传热介质在通过蒸发器后被冷却，然后输送给房间内的换热器，从而实现夏季制冷的效果。

图2 热泵工作流程

冬季，热泵系统用作热机。此时，室内温度比土壤温度低，地源作为热源。地源侧埋管内具有较高温度的流动水，能够对蒸发器中的制冷剂进行循环加热，然后使加热后的制冷剂在蒸发器中进行循环。冷凝器将用户端系统的传热介质进行加热，再输送到换热器，实现对室内供暖的目的。热泵机组通过其内部设置的四通阀，可以进行功能切换。如果制冷机组内部没有设置四通阀部件，也可以通过机组外部连接管道上的阀门进行切换。

2 地源热泵的应用现状

2.1 国外研究应用情况

早在1912年，地源热泵这一说法就由瑞士人Zolly提了出来。1948年，世界上第一个地源热泵系统在美国建成使用。1998年，美国的地源热泵系统在商业建筑中的使用率已经达到19%。其在新建建筑中的占比已达30%，并持续增长。除了美国，德国、法国等欧洲国家也广泛应用地源热泵系统，主要利用浅层地热资源进行供热。

2.2 国内研究应用情况

20世纪80年代，我国才逐渐开始进行地源热泵技术研究。1988年，中国科学院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”。2000年，山东建筑工程学院建成了我国第一个地源热泵研究所。2005年，地源热泵成为建筑行业的十项新科学技术之一。2011年，针对水源热泵应用时产生的水体恶化现象，同济大学的宋应乾等人展开了分析研究，并给出了可行性解决方案[8]。截至2012年底，我国已有4 000多家从事地源热泵产品生产、施工与运行保障等方面工作的企业，有2 300多个与地源热泵施工、运行相关的工程项目。地源热泵及其相关产业的市场规模突破了324亿元，应用建筑取暖（制冷）面积将近2.4亿m2。2015年，我国在上海举行了一次地源热泵展，有150多家企业参加展会[9]。最近几年，由于国家的大力支持，地源热泵技术的应用范围越来越广。“十三五”期间，国内该系统的新增应用面积将达到11×108m2[1-2]。

3 地源热泵系统的问题

地源热泵作为新型空调技术，其应用对象包括学校、住宅小区、企业和各类公共建筑。但是，在地源热泵系统的普及和发展过程中，有些人过多追求发展速度，导致实际应用存在较多问题。

3.1 设计地下换热器及计算换热量的问题

在设计地源热泵地下换热器时，由于环境和系统的复杂性，采用的土壤层特性、建筑冷热负荷、热容量和温度分布规律等参数缺乏准确性，容易使得系统规模大于实际需求，增加初始设备投资，或者系统规模过小，无法满足建筑采暖制冷需求[10]。目前，地源热泵的设计和应用更多局限在理论方面，没有很好地将理论与工程实际相结合。工程上，地埋管换热器设计更多地以每延米换的热量为依据，确定钻孔数量。实际上，地埋管换热器的设计埋管容量应该考虑气候、建筑物类型、冷热负荷均衡性、钻孔几何参数和布置形式等多种因素的影响。同时，换热器的负荷不断变化，而仅仅采集几十个小时的吸放热试验数据来确定地埋管换热器的实际换热能力显然是不科学的。

3.2 冬夏季节的热量失衡问题

我国北方地区季节差异明显，全年冷热负荷差异较大，从整体来看，系统吸收土壤的热量大于向土壤排出的热量。这种不平衡的吸热与排热会造成土壤温度逐年降低，产生“冷堆积”现象[10]。相反，南方地区建筑物对冷负荷的需求较大，夏季室内空调系统和制冷机组等设备会产生大量热量，使得夏季热泵机组的产热量远大于冬季室内所需的热量，会导致热积累问题[10-11]。不论是“冷堆积”还是“热积累”，都是系统的热失衡问题，都会导致热泵机组的运行效率下降。

3.3 缺乏规范的系统运行管理

地源热泵系统需要数十年的长期运行，但是目前国家还没有出台针对地源热泵系统的管理和维护规范[12]。一般来说，系统管理人员并没有接受相关专业的学习和培训，不能及时处理系统运行问题，最终影响地源热泵机组的正常运行，无法高效利用资源。

4 结语

现代社会的高速发展离不开能源，而环境保护意识逐渐深入人心，可再生能源的利用成为能源领域的研究热点，建筑节能问题也引起很多人的关注。本文简单介绍了地源热泵的工作原理，分析了其国内外应用现状和实际应用存在的主要问题。但是，从长期来看，地源热泵系统具有良好的发展前景，国家大力支持，随着科学技术的进步，未来，其势必获得更广泛的利用。