地源热泵的地热能利用方式与工程运用王健敏叶衍华2，彭国荣2（1仲恺农业技术学院制冷教研室，广州510225；2.广州信利达热泵科技有限公司，广州510080）地源热泵是一种新型的高效、节能、环保的空调系统，是我国调整能源利用结构，发展利用可再生能源策略的重点推广项目之一。本文介绍了地源热泵的工作原理及四种地热能利用方式。根据笔者的设计经验，为地源热泵空调系统的工程设计和推广应用提供了一些设计参数和意见地源热泵；空调系统；地热利用解决环境污染和能源危机问题是当今全人类的共同课题在中国能源消耗中，建筑耗能的比例相当高，中国传统的空调系统，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方以自来水或环境空气为冷源的制冷机组解决夏季制冷问题，随着可持续发展和人们环保意识的提高，环保和节能已成为建筑空调发展的首要研究问题世界和中国能源利用的结构都正在改变，从直接燃煤燃油取暖过渡到使用天然气及电等清洁能源但是，天然气和石油、煤都是能源；电取暖虽然清洁，但能效比不高，从可持续发展的角度看，利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的根本途径地源热泵系统正是满足这些要求的新型的“绿色空调”

　　中国科技委员会和美国能源部于1995年2月23日签署了中美“能源效率和可再生能源技术发展与利用领域合作议定书”旨在缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，促进中美双方在能源效率和可再生能源技术开发与利用领域的技术合作。

　　1997年11月，中美两国又签署了上述议定书的附件六一一“关于地热能源生产与应用的合作协议书”，以促进和加速我国地热能的开发和直接利用。地源热泵空调系统是该合作协议书的重点合作推广项目之一1地源热泵系统的工作原理地源热泵利用地球表面浅层土壤或水源中的地热能作为热能（或冷源），冬季通过热泵机组将地热能传递转移到需供暖的建筑物内，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量散失转移到地球土壤或水源中，从而实现冬季供暖、夏季制冷。它是一种高效、环保、节能的空调设备。

　　制冷地源热泵系统，由室内部分和室外部分组成，室内部分包括热泵机组和风道系统或风机盘管系统，与传统空调系统相似室外部分是地热能热交换部分，有地表水系统地下水系统和埋地管系统三种形式。

　　如果空调建筑附近有可利用的海、湖或水池，地表水系统可能是具有节能优点而又经济的闭环系统夏季从热泵冷凝器吸热后的冷却水经密封的管道系统浸入湖或池中，利用温度稳定的池水或湖水散热。冬季利用浸于湖水或池水中的闭路循环水吸取湖水或池水的热量并将热量传递给热泵机组工质，后传递至室内。

　　地下水系统一般采用开环系统，冷却水经热交换器向地下深井水散热（冬季吸热），地下水从取水井中抽取进入热交换器吸热（冬季散热）后由回水井回灌到地表土层。如果水质良好，亦可省去热交换器，直接将深井水抽至热泵机组换热器进行散热（或吸热）地下水系统适用于已有水井或地下水源丰富的地区。地下水的温度长年非常稳定，不受外界气温影响，所以热泵机组可以高效运行对于地表水和地下水源缺乏的地区，埋地管系统也许是佳的选择埋地管将闭环循环水埋于地表浅层土壤中，循环水经水管壁面直接与土壤进行热量交换夏季循环水将制冷机组吸收的热量向土壤散热，冬季从土壤吸热并将热量经热泵机组传递至室内。埋地管系统有水平埋管方式和垂直埋管方式两种。垂直方式需钻孔设备，但可节约用地，适用于可供使用土地面积有限的情形。

　　2地源热泵的特点及优势地源热泵系统利用的是储存于地表中清洁的可再生的取之不竭的太阳能或地热能，不需锅炉，没有燃油、燃煤污染，没有排烟>也没有废弃物。地源热泵机组通过热交换器与地下土壤或水源进行热量交换，不消耗水资源，不污染地下物质，因而是环保的空调设备电加热和锅炉供热只能将90~ 98的电能或70~90的燃料内能转化为热能，而地源热泵能效比与性能系数达4. 5-60以上，能源利用效率是电采暖方式的三至四倍。

　　地源热泵机组利用温度稳定的地下土壤或水体为冷（热）源，与空气源、自来水源热泵机组相比，夏季冷凝温度低、冬季蒸发温度高，能效比和性能系数大大提高。而且运行工况稳定，比传统中央空调系统节省30~60的运行费甩一套地源热泵系统可代替锅炉加空调的两套装置，系统简单。无室外机部件，保持建筑外部美观，避免了腐蚀和气候影响，维护费用低各区域能独立选择制冷或供暖，分区灵活，使用方便地源热泵是一种介于中央空调和分散空调之间的优化能源空调方式，它既具有中央空调系统能效高成本低和安全可靠的优点，又具有分散式空调器调节灵活方便，便于计费等优点，利用的是大地自然的蓄热和热平衡性能，符合可持续发展的战略要求3地源热泵系统的设计3.1室内系统地源热泵机组有整体式和分体式两种，以前者为主，整体式机组制冷剂充注量少，环路密封性好，减少了现场充注和连接不良而引起的制冷剂泄漏和运行不良问题机组有吊顶式、立式等多种形式，很容易与建筑装修相配合分体式适用于特殊的安装场合地源热泵的室内空气分配系统与普通空调系统相似，可以选择风机盘管系统全空气系统地板采暖等多种方式能满足用户多样化的使用需要。

　　3.2室外系统的设计室外系统主要是水循环系统与地下水系统、埋地管系统相比，地表水温度及水平面高度受环境的影响略大，地表水温度与抛管深度有关，为保证热泵机组运行工况的稳定，建议地表水方式的循环水闭环路常年置于地表水平面2 4m以下。在热负荷一定的情况下，根据水质、水温与水流动情况确定水一水换热器的传热面积，即抛管长度地下水方案中，井水温度一年四季比较稳定，不受外界气温变化的影响，一般北方可按10-15C计算，南方可按15- 20C计算井水需要的大出水将室外地热能局几组所耗电能1并转移到室内，量由系统热负荷大小决定，由于地下水的温度夏季比自来水的水温低，散热能力大；冬季比空气温度和地表水温度高，可利用的热量大，因此，深井水出水温度与回灌水温度之差可取6~10C，大于传统空调5C的水温差，水量可节省20~5（.同时也减少了打井和水泵运行的费甩每口井的口径一般取250~ 400mm左右，深水井的打井深度、出水量及抽水井与回灌井的数量与当地土壤的地质情况有关。当地下水水质不良或水资源不充足时，在系统设计时需采用适当的辅助设备或采用埋地管系统埋地管方式的循环水管一般用柔性高密度聚乙烯管，它柔性好，易于连接与安装，寿命长，可保证使用50年水平埋地管方式管道可水平或螺旋状埋于土壤中，埋设深度越大，传热效果越好，但挖地沟投资也越大，一般地管埋设深度为1.5m至3.0m每20m长埋地管的换热量约为1kW由于受管之间换热的互相影响，螺旋盘管的总管长度应适当增长，但其总占地面积比水平直管少。

　　水平埋地管方式与垂直埋地管方式相比，浅层土壤温度受气候影响较大，占地面积也较大垂直埋地管方式适用于用地面积受限制的场所，闭式塑料水管插入垂直管井中，形成埋地管换热器，井深一般根据当地地质情况和使用设备情况在30~ 100m之间。每口管井埋设一进一出两段水管。

　　管井直径约75~120mm埋管中循环水的传热温度作用半径大约3m左右，所以管井中心距取3m至5m是合适的。按工程经验，每1kW换热量需要埋地管长15~35m无论是水平埋管还是垂直埋管方式，埋地管换热器的传热性能都将受到土壤种类的影响，含水土壤，比如粘土的传热性能好；干燥的砂质土壤的传热性能则差，此时，管道长度需适当增加，或将传热性能较好的土壤回填到管井或管沟中。

　　勘查与了解当地地质情况，是正确选择地热热交换器形式，发挥地源热泵系统优势的前提4地源热泵的运用与前景在国外，地源热泵的商业应用虽然只有几十年历史，但发展相当迅速据1999年的统计，在家用供热装置中，地源热泵所占的比例，瑞士为9，奥地利为38，丹麦为271998年美国商业建筑中，地源热泵系统已占空调总保有量的19，其中新建筑中占30，而且地源热泵的使用数量每年以10的速度稳步增长我国地源热泵起步较晚，研究应用仅仅是近几年的事，但已引起各界的重视我国与美国能源部签署的“关于地热能源生产与应用的合作协议书”的附件A双方协商，1999年起，在北京、上海与广州三个代表性气候区各选一商业建筑，建设一座米用地源热泵空调供暖、制冷的示范项目，以推广地源热泵这种北京示范工程的运转结果表明，制冷和采暖效果符合国家采暖和制冷标准，采暖运行费比其它采暖方式都低据对北京地区每采暖季度（125天）采暖方式运行费用的测算比较，每平方米建筑面积的采暖运行费，独立燃气采暖炉为25~ 40元，电缆地板采暖为20~25元，地热膜采暖为20~34元，天然气集中供暖为27元，燃煤集中供热为16元，而北京地源热泵示范工程测算约为12. 9元，全年冷暖两季运行费用比普通中央空调加锅炉的运行费用减少43.6，占地费减少50，初投资约为每建筑平方米360元，不高于中央空调加锅炉系统的初投资。

　　根据上述附件A的协议，广州信利达热泵科技有限公司承担并负责推广广州地区热泵示范项目广州地区地源热泵示范工程位于增城某学院的六层教学楼，空调面积5000平方米，采用美国佛罗里达制造公司生产的FHP地源冰源热泵机组，总装机制冷量700kW，总输入功率156kW；每一间课室和每一间办公室可独立控制开、停和温度，也可独立选择供暖、制冷或通风该空调系统经过一年多的运行，各项指标均达到或超过设计要求5结束语在未来的日子，中国面临着巨大的能源和环保压力，中国的经济要保持较高速度的增长，同时又必须考虑环保和可持续发展问题，因此要求调整能源结构，提高能源利用效率。地源热泵空调技术以其节能、环保和可持续发展的突出优点，已成为空调供暖工程优先选择的方案之一。