地源热泵及其应用

(中原石油勘探局勘测设计研究院)

摘要:本文介绍了地源热泵的概念和工作原理，然后详细论述了地源热泵的特点，及其在我国发展的制约条件，并介绍了其在国内的使用情况和发展前景。最后，明确指出地源热泵技术是对人类最友好、最有效的供热制冷技术。

1地源热泵的概念和工作原理

地源热泵是一种高效节能的空调系统，它利用浅层地下地热资源(包括地下水、土壤和地表水)同时提供供热和供冷。利用逆卡诺循环，通过输入少量的高品位电能，就可以将低品位热能转化为高品位热能。热泵一般由蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀组成。

地源热泵的工作原理是:在夏季，热泵机组从建筑物中取出热量，传递给地层；冬天，从地层中提取热量为建筑物供热。一般地源热泵消耗能量1kW，用户可以获得4kW以上的热量或冷量。

2地源热泵的特点

我们知道，地表以下一定深度的地温一年四季相对恒定，地源热泵利用浅层地热能作为冷热源，从而排除了环境因素的影响。与其他供暖和制冷系统相比，它具有以下显著特点。

2.1使用可再生能源。

地源热泵在夏季吸收建筑物散发的热量，储存在浅层地下。一部分热量用于冬季建筑供暖，另一部分热量直接散发到空气中。就全年而言，利用浅层地热能的建筑的制热或制冷能力大致相当。因此，地源热泵使用可再生能源。

2.2高效节能

由于地源热泵的热源温度一般全年为10 ~ 22℃，冬季供暖时水温高于环境温度，因此热泵循环的蒸发温度和能效比提高。夏季制冷时，水温低于环境温度，提高了制冷效果和机组效率。水源热泵制冷制热系数可达4.0以上，比传统空气源热泵提高40%左右，运行费用仅为普通中央空调的50% ~ 60%，比电锅炉、电热膜采暖节约电能70%左右。

2.3显著的环境效益

水源热泵运行时，只需要水源水的热或冷，水质不变，也不产生任何污染，也不消耗水、烟或粉尘，只消耗少量电能。

从耗电量来说，节能就是环保。使用水源热泵造成的污染物排放比空气源热泵少40%，比电锅炉少70%。地源热泵虽然也使用制冷剂，但比常规空调减少了25%的灌溉量。地源热泵在工厂是完全密封的，不会像分体空调那样安装时容易泄漏。

2.4一机多用

地源热泵可以提供供暖、制冷和生活热水。即一套设备可以替代原有的锅炉和空调系统，因此一次性投资仅为传统采暖制冷的50% ~ 70%。尤其是夏季制冷时，热泵产生的热量可以用来免费为用户提供生活热水。因此，地源热泵特别适用于既有采暖制冷又有生活热水供应的建筑。

2.5节约土地资源

水源热泵除主机和循环水泵外，没有其他安装设备。与锅炉房相比，省去了水处理间、风机间、烟囱、煤场、渣土场，节约了土地资源。

2.6运行稳定可靠，使用寿命长。

由于地源热泵水温稳定，与空气源热泵相比，避免了结霜除霜的影响。热泵运动部件少，基本不需要维护，运行稳定可靠，使用寿命可达20年左右。

2.7自动化程度高

一般地源热泵都是全电脑控制，可以根据外界负荷的变化调节压缩机的工作台数，并配有压缩机超温保护、断水保护等多种保护措施，可以实现无人值守运行。

地源热泵供暖系统的组成

地源热泵工程一般由地源水系统、热泵机房和末端风机盘管冷却系统组成。根据地源换热系统的形式，可分为开环系统和闭环系统。

开环系统是从井(包括湖泊、河流)中抽水，送至换热器组进行换热，然后将提取热能或冷能后的水注入井中。一般情况下，开环系统中的水只经过简单的处理，这样会造成换热器表面结垢。开放式系统是目前地源热泵应用的主要形式。

闭环系统分为垂直埋环系统和水平埋环系统。它通过埋地聚乙烯管回路与土壤进行热交换。通常适合安装在别墅等场地较大的建筑中。

4地源热泵的制约因素

地源热泵被专家称为是目前人类可获得的最友好、最有效的供暖和制冷形式。近年来，在研究和应用方面发展迅速。但是，由于以下客观条件的限制，该技术的应用并不普遍。

4.1缺乏宣传和了解

虽然地源热泵技术备受供暖专家推崇，但需要各级领导，尤其是主管工程的领导的认可，才能在工程中得到广泛应用。因为这项技术是随着近年来我国能源战略的调整而发展起来的，甚至一些供热采暖技术人员的认识也不足。所以要获得社会认可，就要加大宣传力度。

4.2政策力度不够

我国《节约能源法》中鼓励和发展热电联产和集中供热技术，但没有明确规定鼓励发展综合能源利用率高一倍的地源热泵技术。

4.3对水源条件的限制

开环地源热泵系统是否有充足的水源，当地的地质土壤条件能否保证尾水回灌的顺利实施，是地源热泵应用的前提。一般来说，用于区域供热时，建筑容积率应≤1。对于封闭系统，受当地地质条件是否适合埋管、是否有足够的埋管地面等环境条件限制。

4.4埋管系统传热计算理论不成熟。

目前，地源热泵机组和末端风机盘管供冷系统技术已经相当成熟。对于开放系统，当地水利部门对水源情况也相当熟悉；对于埋管系统，目前土壤埋管传热计算理论尚不成熟，设计滞后于工程应用，工程质量难以保证，限制了该技术的广泛应用。

4.5受当地水利部门政策的限制

中国南方水资源丰富，但北方大部分地区水资源短缺。为了保护有限的水资源，每个地方政府都制定了地方水资源利用条例。地源热泵系统虽然不消耗水，不污染地下水，但需要大量的水作为热载体。一些地方部门对取水和回灌收取双倍费用，使得地源热泵的节能效果没有得到充分体现，限制了该技术在这些地区的发展。

地源热泵的应用

5.1国外申请

地源热泵在日本、韩国、美国、中欧和北欧得到广泛应用。据1999统计，地源热泵在住宅供暖装置中的比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。美国地源热泵系统占1998新建建筑的30%，并以10%的速度稳步增长。其中最著名的地源热泵项目是肯塔基州路易斯维尔的滨水办公楼，服务面积15.8×104 m2，每月节省2.5万美元。随着这项技术的应用和发展，对其组织的研究也迅速发展起来。根据相关资料，日本开发的高温水地源热泵，出水温度为80 ~ 150℃，制热系数COP高达8.0。

5.2国内应用

天津大学热能研究所吕灿仁教授于1954年开始了我国最早的热泵研究，并于1965年研制成功了我国第一台水冷式热泵机组。目前，许多大学和研究机构正在研究水源热泵。

清华同方人工环境设备有限公司和山东海阳富尔达是国内较早的水源热泵生产企业，产品已经系列化。目前热泵机组出水温度已达65℃，制冷系数COP可达6.7。目前国内典型用户为沈阳东北电力住宅区，服务面积8×104 m2；；北京友谊医院服务面积为7.1×104m2，每年节省采暖制冷运行费用约9元/m2。

中原油田钻井三公司办公楼水源热泵示范工程是我局第一个地源热泵系统。选用2台钻井总工办和清华大学联合研发生产的ZYRB240热泵机组，服务面积6000m2。该项目的成功实施必将推动地源热泵在中原油田的推广应用。

6地源热泵的发展前景

6.1符合政府相关部门要求。

地源热泵高效节能，具有良好的环保效益，符合我国的能源政策和环保政策。热泵技术的综合能量利用率约为120% ~ 180%。因此，国家将热电冷联产技术作为通用节能技术鼓励发展，促进了地源热泵技术的发展。

6.2符合业主的利益

因为地源热泵可以同时供热和供冷。一个系统可以用较少的投资代替原来的两个系统。地源热泵占地少，运行成本低，管理方便，符合业主的根本利益。

6.3符合用户的利益

地源热泵供暖费用是燃煤集中锅炉房的一半，夏季制冷费用是冷水机组的60%左右，为用户减少了供暖和制冷费用的支出，符合他们的切身利益。

6.4适用范围广

冷水机组只能用于夏季制冷，风冷机组只适用于长江流域的采暖制冷，地源热泵除了少数不能使用地下水、不能埋管的地区外，适用于其他大部分地区。

6.5适用范围不断扩大。

地源热泵不仅在建筑供暖和制冷方面发展迅速，还广泛应用于化工、食品、造纸、农业、冶金、木材干燥、制药等行业。据预测，2000年将有1200多台地源热泵用于这些行业，发展势头强劲。

综上所述，地源热泵技术以其独特的优势，近年来在我国发展迅速。随着我国能源结构政策的调整，我国传统的燃煤锅炉供暖和空气源热泵供冷形式将被更高效的地源热泵所取代。随着地源热泵技术的研究和发展，它将成为21世纪最普遍、最有效的供热供冷技术。

参考

刘。水源热泵系统介绍. 2001

[2]吴·。地源热泵空调系统. 2001

注:本文引自《全国产油城镇地热开发利用交流会议论文集》，冶金工业出版社，2003年。