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摘要：从地源热泵技术的原理和分类着手，详细介绍了各种地源热泵在暖通空调中的应用情况，对其优缺点和需要解决的问题进行了分析比较，指出地源热泵是节能环保型暖通空调技术，大有发展前景。
关键词：地源热泵；暖通空调
中图分类号：TB657文献标识码： A
0 引言
地源热泵为国家提倡使用的节能环保产品：随着我国能源紧缺与环境问题日益严重，开发浅层地热能资源，采用热泵技术解决供暖、供热和制冷问题的热潮正在我国大规模兴起，近十年来全世界每年以递增20％以上的速度在增长。它以节能比其他常规供暖技术节能50-60％，是供暖制冷领域解决污染节能问题的重要技术选择；运行费用低，可降低30-70％的优点冲击着供热和制冷市场。从各种循环利用的地源、水源、空气源等能源中提取能量、以解决建筑物供冷供热的热泵技术，将成为城市供冷供暖的理想选择。2006年中国《可再生能源法》《节约能源法》的颁布实施是我国政府有关于能源领域的重要戰略决策。在热泵领域，2008年7月国务院颁布《公共机构节能条例》《民用建筑节能条例》更进一步推动低能耗节能产品在建筑领域的应用。其中《民用建筑节能条例》第十一条规定国家推广使用民用建筑节能的新技术、新工艺、新材料和新设备。北京市政府从2006年起对采用地源热泵技术供暖的工程每建筑平方米一次性补贴50元，同时不同的城市对此也出台了一系列的优惠政策。地源热泵系统以可再生能源利用、高效节能节资、运行稳定可靠、环境效益显著、一机多用、功能齐全而在全世界推广。将此作为首选用在各种民用建筑和别墅设计中，为我国的节能减排工作做出贡献。
1 地源热泵技术（GSHP）的原理
地源热泵是以地热作为热泵装置的热源或热汇来对建筑进行采暖或制冷的技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），即可实现低温热源向高温热源的热量转移。在冬季和夏季，分别将地热能作为高温热源和低温热源，在冬季将地热“取”出来用于采暖或热水供应，在夏季将室内的热量提取后释放到地层中去。
2 地源热泵技术（GSHP）的分类及应用
地源热泵可以直接提供生产生活热水和用于采暖，也可以与电节能热泵和直接加热设备锅炉等联合使用，对减少一次能源用量、环保和缓解用电峰谷差等都有好处。
根据地源热泵所采用热源热汇的形式不同，可将其大致分为大地耦合式热泵（GCHP）、地下水热泵（GWHP）和地表水热泵（SWHP）。
2.1 大地耦合热泵
大地耦合热泵就是以地表浅层的土壤作为热源或热汇，它与传统的空气热泵（ASHP）相比，具有很多优势：
（1）相对于地表的空气和水来说，一定深度地下土壤的温度全年波动较小，加上土壤对地表空气温度的波动具有延迟和衰减，因此在大多数情况下，比空气更适合作为热泵装置的热源和热汇，且能保证系统以较高的效率运行。
（2）土壤作为热源和热汇，可以全部或部分的取代传统空调系统中的冷却塔和锅炉，以减少对环境的“热污染”和空气污染。
（3）与空气热泵相比，大地耦合热泵不存在除霜问题，且回收土壤的热量不需要风机，可以使系统的噪声等级下降。
（4）土壤本身是个巨大的蓄热蓄冷体，因此大地耦合热泵可以和太阳能集热装置结合起来，通过土壤的蓄、放热获得更好的供热、制冷效果。当然，大地耦合热泵也有一些缺点。
（5）土壤的传热性能欠佳，需要较大的传热面积，导致占地面积较大。
（6）在地下埋设管道成本较高，运行中若产生故障也不易检修。
（7）土壤受热干燥后，其导热能力显著下降，夏季难以向外排热，成为不可逆运行（夏季不需制冷的地域是可行的）。
2.1.1 直接式和间接式大地耦合热泵
大地耦合热泵根据其蒸发器端与大地换热形式的不同，分为通过热泵工质－水换热器的间接式系统，及采用热泵工质在埋于地下的盘管中直接膨胀的直接式系统。
在间接式系统中，载冷剂或盐水溶液被用来在热源和蒸发器间传递热量，它与直接蒸发系统相比具有一定优点：减少了制冷剂冲灌量，还增加了热泵系统的灵活性，同时可使现场工程量降到最低并减免了制冷管路的安装；但其缺点在于：引入带有热交换器的额外流体环路，增加了初投资，也带来额外温降。需要针对运行工况优化设计盐水回路，此外用于载冷剂的流体性质也很重要。
在直接蒸发系统中，将蒸发器盘管直接埋入地下，可有效减少投资，尤其适合家庭热泵系统，它的一种典型安装方法是：使用一根或两根并行的3/4″铜管，每根长90m，分为作为名义上两缸或三缸压缩机的地下盘管，这样从地下抽热比通常使用的间接式系统高。
2.1.2 水平式和垂直式大地耦合热泵
水平热交换管的地下盘管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷设于土壤中。在这项技术中，管子的敷设深度和塑料管侧间距是两个重要参数。吸热地面应靠近待采暖的建筑物，土壤面积主要取决于土质、含水量和该处的太阳照射时间。塑料管间距越小则热利用效率越高，但热交换管量增大、费用上升，因此应做技术经济性考虑。土壤中铺设的管群最好分几组，单根管长最好不超过100m，否则消耗的泵功率将过大。热泵工质一般采用盐水溶液，即使在－15℃左右也不会冻结，低温的盐水溶液由土壤吸收热量，然后传给热泵装置的蒸发器，再通过热泵过程，由冷凝器供给热分配系统。此外，水平热交换管还有回流式和串流式等不同的敷设方法，从传热效果看，后者的供液与回流管之间不存在热交换，故对换热有利，当然，究竟采用何种方式应视具体的土质和地形而定。
垂直热交换管就是其导管垂直安装在土壤中。导管由内外两根管子组成。外管的下端封闭，内管敞开，直径较小。在径向间距相同的情况下插在外管中。导管深度可达100m，并随地质、水文条件而变化。导管的材料除金属外，也可采用聚乙烯塑料管。当借助垂直导管吸取热量时，将载热剂经内管由上送至下，然后经内管和外管间的空间，再流回上方。在载热剂向上流动的过程中就吸取了仅靠导管四周的土壤热量。
总之，大地耦合热泵的热交换效果与砂土类型、含湿量、成分、密度和是否均匀紧贴换热面有关。管材、沙土及地下水的腐蚀作用将影响传热和使用寿命。
2.1.3 大地耦合热泵有待解决的技术问题
大地耦合热泵是节能环保型暖通空调技术，但还有许多有待解决的问题。
大地耦合热泵的显著特征是用地下埋管换热器来回收土壤热源，该换热器的传热将受到地区气候和土壤等因素的影响。土壤温度的分布，不仅是确定地下埋管总传热系数的基础，而且也决定着大地耦合热泵的火用效率水平，反映出投资的回收年限、占地规模大小以及该地区适于何种地下埋管形式，最终决定该地区是否适合采用大地耦合热泵。因此，针对不同地区的土壤环境条件，应采用不同的埋管深度和布置形式，这样能产生不同的埋管传热效果。因此，如何进一步强化地下盘管的传热过程、探讨和开发新型换热器的结构形式，以及土壤特性对埋管换热的影响机理和计算机辅助模拟试验、制冷剂及载冷剂替代等尚有待研究。
2.2 地下水热泵
地下水热泵是地源热泵的一个分支，也是迄今为止使用得最广泛的一种地源热泵技术。这种热泵是以地下深井水作为热源或热汇来对建筑进行供热或制冷的。由于地下深井水位于较深的地层中，因隔热和蓄热作用，其水温随季节气温的变化较小，特别是深井水的水温常年不变，对热泵运行非常有利，具有以下优点：
（1）整个水井系统占地面积小，布局紧凑，但却可以抽取及回灌大量的地下水。
（2）对大地耦合热泵言，其地式热交换器单位容量的造价基本上是个定数，而对大型地下水热泵系统，其整个井水系统单位容量的价钱却便宜得多，只需要一对较高流量的井即可满足整幢建筑物的需求。
（3）与传统的空气－水中央 HVAC 系统相比，设计良好的地下水热泵循环几乎无需维护费，且当地下水回灌到蓄水层后，实际地层中的含水量并不改变，不会造成地面沉降。
（4）地下水热泵在大型商业系统中使用已有数十年了，技术成熟，钻井施工相对容易。
地下水热泵这项技术也存在不足之处：
（1）当采用含水层畜存的水作为空调冷源或热源时，其水温要受到一定限制。
（2）若鉆井施工不佳或水质较差，则地下水可能会受到一定污染，而且回灌井的选址也应考虑水文地质条件。
（3）若热泵装置系统设计不当或取水位置较深，那么泵的消耗费用将上升。
因此，在决定某地区是否采用地下水作为热泵的冷热源之前，首先应进行严密的现场泵水试验，看是否具备足够的地下水水量；其次还需了解该处的地下水质情况，以获得较准确详尽的规划方案。
2.3 地表水热泵
它是利用地表的小溪、池塘、河流、湖泊等水作为热源和热汇对建筑进行空调的热泵技术。同常年温度几乎保持不变的地下水相比，地表水温变化剧烈，因此在外界温度很低的严冬季节，为了保证供暖所需的热量，除热泵外，往往还有安装第二套热发生装置，即双联热泵采暖系统。地表水热泵在实现用水作热源时，可采用下列方法。
（1）将蒸发器直接安装于地表水中
如图1，这是一种分体式装置，由于地表水较脏，通常用板式热交换器作为蒸发器。这种方法装置简单，价格低廉，但缺点是：当地表水位发生变化时蒸发器板难于固定，蒸发器表面也需经常清理。此外，若蒸发器泄漏部位有制冷剂流出，则会损坏热泵。
图 1 板式蒸发器在河流中的分体型水—水热泵
（2）经盐水循环间接引用水的热能
此系统同样是在地表水中安装板式热交换器，但流经蒸发器的不是制冷剂，而是盐水溶液。由于盐水温度低于地表水，即可吸取其中的热量，当盐水将热量传给热泵后，温度下降后再继续吸收地表水的热量。对于盐水溶液至少应保持其在－10℃时仍能流动。整台热泵连同蒸发器组成一个单元，地表水中的热交换器、热泵的热交换器通过盐水回路连在一起，其中的盐水溶液由盐水循环泵输，还需在回路中设置膨胀箱。见图2。整个方案应保证地表水有足够的热势、载热剂系统有相应的容量。
图2采用盐水循环热交换器的盐水—水型总装式热泵
这种系统也存在着板式热交换器的固定和清理问题。
（3）用泵站抽取地表水并输送至热泵的蒸发器这种系统适用于对露天游泳池的水进行加热，也适用于大型建筑物、特别是该建筑物采用空调时。该系统使用可清洗的管式热交换器作为蒸发器，首先要将地表水经细密格栅引入泵站，降温后的地表水需重新排回地表水源。严冬季节时，此系统需采用双联热泵采暖装置。
（4）用井积聚经河岸过滤的水并将其输送至热泵蒸发器这种系统的优点是经河岸过滤的水能防止污物进入蒸发器，但费用较高。
3 结束语
地源热泵系统经过多年的研究，在技术上已经比较成熟，而且经过多次的示范实践，肯定其具有节约能源、性能稳定、清洁安全等优点，虽然其初投资比常规采暖空调系统大，但可以大大节省运行维护费用。据世界环保组织估计，设计安装良好的地源热泵，平均可节约用户30%～40%的采暖空调运行费，因此它将成为大有发展前景的采暖空调技术。
参考文献：
[1] 龙惟定.讨论建筑节能的新观念.暖通空调,1999,(1).
[2]寿青云等.高效节能的空调—地源热泵.节能,2001,(1).
关键词：地源热泵；暖通空调
中图分类号：TB657文献标识码： A
0 引言
地源热泵为国家提倡使用的节能环保产品：随着我国能源紧缺与环境问题日益严重，开发浅层地热能资源，采用热泵技术解决供暖、供热和制冷问题的热潮正在我国大规模兴起，近十年来全世界每年以递增20％以上的速度在增长。它以节能比其他常规供暖技术节能50-60％，是供暖制冷领域解决污染节能问题的重要技术选择；运行费用低，可降低30-70％的优点冲击着供热和制冷市场。从各种循环利用的地源、水源、空气源等能源中提取能量、以解决建筑物供冷供热的热泵技术，将成为城市供冷供暖的理想选择。2006年中国《可再生能源法》《节约能源法》的颁布实施是我国政府有关于能源领域的重要戰略决策。在热泵领域，2008年7月国务院颁布《公共机构节能条例》《民用建筑节能条例》更进一步推动低能耗节能产品在建筑领域的应用。其中《民用建筑节能条例》第十一条规定国家推广使用民用建筑节能的新技术、新工艺、新材料和新设备。北京市政府从2006年起对采用地源热泵技术供暖的工程每建筑平方米一次性补贴50元，同时不同的城市对此也出台了一系列的优惠政策。地源热泵系统以可再生能源利用、高效节能节资、运行稳定可靠、环境效益显著、一机多用、功能齐全而在全世界推广。将此作为首选用在各种民用建筑和别墅设计中，为我国的节能减排工作做出贡献。
1 地源热泵技术（GSHP）的原理
地源热泵是以地热作为热泵装置的热源或热汇来对建筑进行采暖或制冷的技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），即可实现低温热源向高温热源的热量转移。在冬季和夏季，分别将地热能作为高温热源和低温热源，在冬季将地热“取”出来用于采暖或热水供应，在夏季将室内的热量提取后释放到地层中去。
2 地源热泵技术（GSHP）的分类及应用
地源热泵可以直接提供生产生活热水和用于采暖，也可以与电节能热泵和直接加热设备锅炉等联合使用，对减少一次能源用量、环保和缓解用电峰谷差等都有好处。
根据地源热泵所采用热源热汇的形式不同，可将其大致分为大地耦合式热泵（GCHP）、地下水热泵（GWHP）和地表水热泵（SWHP）。
2.1 大地耦合热泵
大地耦合热泵就是以地表浅层的土壤作为热源或热汇，它与传统的空气热泵（ASHP）相比，具有很多优势：
（1）相对于地表的空气和水来说，一定深度地下土壤的温度全年波动较小，加上土壤对地表空气温度的波动具有延迟和衰减，因此在大多数情况下，比空气更适合作为热泵装置的热源和热汇，且能保证系统以较高的效率运行。
（2）土壤作为热源和热汇，可以全部或部分的取代传统空调系统中的冷却塔和锅炉，以减少对环境的“热污染”和空气污染。
（3）与空气热泵相比，大地耦合热泵不存在除霜问题，且回收土壤的热量不需要风机，可以使系统的噪声等级下降。
（4）土壤本身是个巨大的蓄热蓄冷体，因此大地耦合热泵可以和太阳能集热装置结合起来，通过土壤的蓄、放热获得更好的供热、制冷效果。当然，大地耦合热泵也有一些缺点。
（5）土壤的传热性能欠佳，需要较大的传热面积，导致占地面积较大。
（6）在地下埋设管道成本较高，运行中若产生故障也不易检修。
（7）土壤受热干燥后，其导热能力显著下降，夏季难以向外排热，成为不可逆运行（夏季不需制冷的地域是可行的）。
2.1.1 直接式和间接式大地耦合热泵
大地耦合热泵根据其蒸发器端与大地换热形式的不同，分为通过热泵工质－水换热器的间接式系统，及采用热泵工质在埋于地下的盘管中直接膨胀的直接式系统。
在间接式系统中，载冷剂或盐水溶液被用来在热源和蒸发器间传递热量，它与直接蒸发系统相比具有一定优点：减少了制冷剂冲灌量，还增加了热泵系统的灵活性，同时可使现场工程量降到最低并减免了制冷管路的安装；但其缺点在于：引入带有热交换器的额外流体环路，增加了初投资，也带来额外温降。需要针对运行工况优化设计盐水回路，此外用于载冷剂的流体性质也很重要。
在直接蒸发系统中，将蒸发器盘管直接埋入地下，可有效减少投资，尤其适合家庭热泵系统，它的一种典型安装方法是：使用一根或两根并行的3/4″铜管，每根长90m，分为作为名义上两缸或三缸压缩机的地下盘管，这样从地下抽热比通常使用的间接式系统高。
2.1.2 水平式和垂直式大地耦合热泵
水平热交换管的地下盘管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷设于土壤中。在这项技术中，管子的敷设深度和塑料管侧间距是两个重要参数。吸热地面应靠近待采暖的建筑物，土壤面积主要取决于土质、含水量和该处的太阳照射时间。塑料管间距越小则热利用效率越高，但热交换管量增大、费用上升，因此应做技术经济性考虑。土壤中铺设的管群最好分几组，单根管长最好不超过100m，否则消耗的泵功率将过大。热泵工质一般采用盐水溶液，即使在－15℃左右也不会冻结，低温的盐水溶液由土壤吸收热量，然后传给热泵装置的蒸发器，再通过热泵过程，由冷凝器供给热分配系统。此外，水平热交换管还有回流式和串流式等不同的敷设方法，从传热效果看，后者的供液与回流管之间不存在热交换，故对换热有利，当然，究竟采用何种方式应视具体的土质和地形而定。
垂直热交换管就是其导管垂直安装在土壤中。导管由内外两根管子组成。外管的下端封闭，内管敞开，直径较小。在径向间距相同的情况下插在外管中。导管深度可达100m，并随地质、水文条件而变化。导管的材料除金属外，也可采用聚乙烯塑料管。当借助垂直导管吸取热量时，将载热剂经内管由上送至下，然后经内管和外管间的空间，再流回上方。在载热剂向上流动的过程中就吸取了仅靠导管四周的土壤热量。
总之，大地耦合热泵的热交换效果与砂土类型、含湿量、成分、密度和是否均匀紧贴换热面有关。管材、沙土及地下水的腐蚀作用将影响传热和使用寿命。
2.1.3 大地耦合热泵有待解决的技术问题
大地耦合热泵是节能环保型暖通空调技术，但还有许多有待解决的问题。
大地耦合热泵的显著特征是用地下埋管换热器来回收土壤热源，该换热器的传热将受到地区气候和土壤等因素的影响。土壤温度的分布，不仅是确定地下埋管总传热系数的基础，而且也决定着大地耦合热泵的火用效率水平，反映出投资的回收年限、占地规模大小以及该地区适于何种地下埋管形式，最终决定该地区是否适合采用大地耦合热泵。因此，针对不同地区的土壤环境条件，应采用不同的埋管深度和布置形式，这样能产生不同的埋管传热效果。因此，如何进一步强化地下盘管的传热过程、探讨和开发新型换热器的结构形式，以及土壤特性对埋管换热的影响机理和计算机辅助模拟试验、制冷剂及载冷剂替代等尚有待研究。
2.2 地下水热泵
地下水热泵是地源热泵的一个分支，也是迄今为止使用得最广泛的一种地源热泵技术。这种热泵是以地下深井水作为热源或热汇来对建筑进行供热或制冷的。由于地下深井水位于较深的地层中，因隔热和蓄热作用，其水温随季节气温的变化较小，特别是深井水的水温常年不变，对热泵运行非常有利，具有以下优点：
（1）整个水井系统占地面积小，布局紧凑，但却可以抽取及回灌大量的地下水。
（2）对大地耦合热泵言，其地式热交换器单位容量的造价基本上是个定数，而对大型地下水热泵系统，其整个井水系统单位容量的价钱却便宜得多，只需要一对较高流量的井即可满足整幢建筑物的需求。
（3）与传统的空气－水中央 HVAC 系统相比，设计良好的地下水热泵循环几乎无需维护费，且当地下水回灌到蓄水层后，实际地层中的含水量并不改变，不会造成地面沉降。
（4）地下水热泵在大型商业系统中使用已有数十年了，技术成熟，钻井施工相对容易。
地下水热泵这项技术也存在不足之处：
（1）当采用含水层畜存的水作为空调冷源或热源时，其水温要受到一定限制。
（2）若鉆井施工不佳或水质较差，则地下水可能会受到一定污染，而且回灌井的选址也应考虑水文地质条件。
（3）若热泵装置系统设计不当或取水位置较深，那么泵的消耗费用将上升。
因此，在决定某地区是否采用地下水作为热泵的冷热源之前，首先应进行严密的现场泵水试验，看是否具备足够的地下水水量；其次还需了解该处的地下水质情况，以获得较准确详尽的规划方案。
2.3 地表水热泵
它是利用地表的小溪、池塘、河流、湖泊等水作为热源和热汇对建筑进行空调的热泵技术。同常年温度几乎保持不变的地下水相比，地表水温变化剧烈，因此在外界温度很低的严冬季节，为了保证供暖所需的热量，除热泵外，往往还有安装第二套热发生装置，即双联热泵采暖系统。地表水热泵在实现用水作热源时，可采用下列方法。
（1）将蒸发器直接安装于地表水中
如图1，这是一种分体式装置，由于地表水较脏，通常用板式热交换器作为蒸发器。这种方法装置简单，价格低廉，但缺点是：当地表水位发生变化时蒸发器板难于固定，蒸发器表面也需经常清理。此外，若蒸发器泄漏部位有制冷剂流出，则会损坏热泵。
图 1 板式蒸发器在河流中的分体型水—水热泵
（2）经盐水循环间接引用水的热能
此系统同样是在地表水中安装板式热交换器，但流经蒸发器的不是制冷剂，而是盐水溶液。由于盐水温度低于地表水，即可吸取其中的热量，当盐水将热量传给热泵后，温度下降后再继续吸收地表水的热量。对于盐水溶液至少应保持其在－10℃时仍能流动。整台热泵连同蒸发器组成一个单元，地表水中的热交换器、热泵的热交换器通过盐水回路连在一起，其中的盐水溶液由盐水循环泵输，还需在回路中设置膨胀箱。见图2。整个方案应保证地表水有足够的热势、载热剂系统有相应的容量。
图2采用盐水循环热交换器的盐水—水型总装式热泵
这种系统也存在着板式热交换器的固定和清理问题。
（3）用泵站抽取地表水并输送至热泵的蒸发器这种系统适用于对露天游泳池的水进行加热，也适用于大型建筑物、特别是该建筑物采用空调时。该系统使用可清洗的管式热交换器作为蒸发器，首先要将地表水经细密格栅引入泵站，降温后的地表水需重新排回地表水源。严冬季节时，此系统需采用双联热泵采暖装置。
（4）用井积聚经河岸过滤的水并将其输送至热泵蒸发器这种系统的优点是经河岸过滤的水能防止污物进入蒸发器，但费用较高。
3 结束语
地源热泵系统经过多年的研究，在技术上已经比较成熟，而且经过多次的示范实践，肯定其具有节约能源、性能稳定、清洁安全等优点，虽然其初投资比常规采暖空调系统大，但可以大大节省运行维护费用。据世界环保组织估计，设计安装良好的地源热泵，平均可节约用户30%～40%的采暖空调运行费，因此它将成为大有发展前景的采暖空调技术。
参考文献：
[1] 龙惟定.讨论建筑节能的新观念.暖通空调,1999,(1).
[2]寿青云等.高效节能的空调—地源热泵.节能,2001,(1).