浅谈地源热泵技术

 【摘要】地源热泵是地热能源利用中最有发展前景的领域。地源热泵也是直接利用地热资源的一个重要领域。本文讨论了地源热泵技术的原理和优缺点、分析了地源热泵技术需要注意问题，并介绍了地源热泵技术的发展和应用用前景. 

　　【关键词】地源热泵；环保高效；发展趋势 

　　一、地源热泵技术的优点 

　　什么是地源热泵呢？地源热泵是通过外加电能实现能量从低温热源转移到高温热源，有效地利用浅层的地热资源的一种环保高效的空调系统。在冬季，土壤中为高温热源，地源热泵技术把土壤中的热量提取出来，提高温度后可以用于采暖；在夏季，室内为高温热源，地源热泵技术把屋内的热量取出来释放到土壤中去，这样一取一放，可以常年能保证地下温度的均衡。可以看出地源热泵（也称地热泵）正是利用地下的常温土壤和地下水温度相对稳定的特特点，通过深埋于建筑物地下的管路系统，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热量交换的一种技术。这种技术有以下优点： 

　　第一地源热泵技术是利用可再生能源的一项技术 

　　地源热泵是利用了土地的浅层的地能（一般小于400米）作为热源。土地的浅层的地能属于低温位热能，而地表浅层更是一个无比巨大的太阳能吸收器，收集了约47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。而且地能不受区域，环境的等限制，面广而又无处不在，是取之不尽用之不竭的近乎无限的可再生能源。 

　　第二地源热泵还属于高效节能的一项技术。 

　　地能的温度在一年四季都是相对稳定，冬季是很好的热泵热源，夏天是很好的空调冷源。这种温度的特性可以大大提高系统的运行效率，根据统计地源热泵比传统的技术节能30%-40%左右。另外，还可以大幅度减少供热制冷空调的运行费用，因为地能的温度相对恒定特性，温差变化少可以使得热泵机组运行更稳定、安全从而保证了系统的高效性和经济性，据资料统计表明地源热泵比风冷热泵大约节能40%，比电采暖更是节能70%左右，比通常的燃气炉的效率要提高48%，它所需的制冷剂也比比一般热泵空调减少50%。美国能源部（DOE）和美国环境保护署（EPA）均已确认，地源热泵系统是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷的统。从一些文献的计算结果可以查出，多区顶风系统、单区顶风系统、冷水变风系统和多区地源热泵系统的效率比分别1.54kw/ton、1.40kw/tom、1.23kw/ton和0.88kw/ton（w/ton表示千瓦耗电/吨制冷量）。由此可见，地源热泵系统的效率比传统空调好很多。 

　　第三地源热泵还属于环保清洁的一项技术。 

　　地源热泵的能量来源于大自然，它不会向外界排放任何的三废，是人们理想的“绿色空调”。地源热泵被认为是目前对环境最友好和最高效的供热、供冷系统。最重要的一点是制冷剂的使用，地源热泵系统所使用的制冷剂在工厂里预先被注入并被完全密封好，在实际使用的过程中绝无泄漏，用户在任何时候都不用额外地添加制冷剂，避免了对大气臭氧层的破坏。地源热泵在去湿方面有特别的过人之处，在夏季炎热潮湿的天气里，地源热泵技术在这一点上的特点更加突出。若要达到室内空气质量标准，地源热泵系统是一个非常好的选择。 

　　第四：地源热泵基本上是免维护的系统， 

　　地源热泵非常的耐用，而且它的机械运动部件非常少，机组使用寿命长，这样大大的节省了维护费用。地源热泵的地下埋管选用的是聚乙烯和聚丙烯塑料管，使用的寿命可达50年，是常规分体式和窗式空调器的2至4 倍。地源热泵系统的机械运动部件要比常规系统少可以减少维护，另外因为系统安装在室内和地下避免了环境的破坏，延长了寿命。甚至还可以节省空间，因为地源热泵系统可以一机多用，替换原来的锅炉加空调的两套装置，也不需要另外的冷却塔和锅炉房及其它设备，节省了建筑用地，改善了面环境外部形象。 

　　第五 地源热泵的制约因素 

　　土壤源热泵因为地埋换热器受土壤性质影响较大在续运行时，热泵的冷凝温度容易受土壤温度变化的影响而产生波动；再加上土壤导热系数小，要求使地埋换热器的面积较大才能满足要求；再加上关于埋地盘管的数学模型和土壤热场特点的理论研究还不够深入，仍处于试验阶段；施工中还涉及钻探工程，使施工困难，系统投资比较大。这些均制约了土壤源热泵的发展。而地下水换热系统必须采取可靠回灌措施，确保置换冷量或热量后的地下水全部回灌到同一含水层，不得对地下水资源造成浪费及污染，但在实际上使用中，由于这种系统出现了越来越多的无法回灌现状，造成地下水被大量抽取浪费，逐渐受到限制，再加上我国有关地源热泵的现成技术资料不多，可供参考的成熟案例少，缺少设计、生产、安装和维护人员，相关技术人才的培养还比较缺乏；生产相关设备的厂家少。 

　　二、地源热泵技术需要注意问题 

　　地源热泵技术虽然它是高效、环保、节能、先进的一种技术，但仍然存在一些需要注意的问题 

　　第一：地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源。地源热泵技术包含了抽地下水方式、埋管方式、抽取湖水或江河水方式等，抽取湖水或江河水方式造价最低，埋管方式最贵。地源热泵若采用抽取地下水水源热泵，施工之前必须取得水源和取水的许可证。必须有可供采取的充足的地下水源，发现有了充足的水源以后必须携带权威部门的地下水开采和回灌设计报告向水务局的水资源管理处申报，得到水务局的批复后还必须依法缴纳水资源使用费。注意取水和回灌的环境问题。取水后如果不进行有效的回灌或者因为回灌不慎而造成地下水污染，这些都是极不负责任的行为，如果不注意取水和回灌的问题。它造成的后果和损失是无法挽回的，不可估量的。比如天津唐沽的地下水因为过量开采，从而导致海水渗透进去，对当地的生态造成严重破坏。如果是对水井抽取后进行回灌，还要特别地对水井进行维护，增加水井的使用寿命，回灌水应该以不应污染地下水源为前提。 　　第二 埋管式地源热泵技术是充分利用浅层地热的最佳技术途径。地埋管换热系统设计前，应进行实施的可行性及经济性评估。设计前还应明确待埋管区域内各种地下管线的种类、位置及深度，预留未来地下管线所需的埋管空间及埋管区域进出重型设备的车道位置。施工中严禁损坏既有地下管线及构筑物。施工完成后，应在埋管区域做出标志或标明管线的定位带，并应采用两个现场的永久目标进行定位。地埋管的的塑料管材应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材，质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材的公称压力不应小于1.0MPa。 

　　第三 重视对地下换热器的设计。设计时要充分考虑地层对对建筑压力、土壤地层特点等问题， 在选用符合地源热泵的国家标准的设备，合理地配置整个系统。发挥出地源热泵的节能、环保的优势。 

　　三、 地源热泵技术的发展趋势 

　　第一.地源热泵技术的由来和发展 

　　地源热泵的概念最早是瑞士的专家在1912年提出的，而地源热泵技术的提出则源自英美两国，第一个地源热泵系统始建于1946年的美国俄勒冈州的波兰特市中心区。但这种技术在当时比没有引起大家的关注，更谈不上理论和技术的发展了。研究地源热泵技术的第一次高潮在上世纪的50年代的欧洲，因为20世纪70年代初的第一次能源危机后环保高效的地源热泵技术才开始被重视。在这段时间里很多的公司进行了地源热泵的研究、生产和安装。特别是很多的水平埋管式土壤源地源热泵，广泛用于冬季供暖。 随着科技的进步，更多的政府关注能源消耗和环境污染，更多的的法律制订越来越严格，地源热泵技术的发展迎来了它的第二次高潮。瑞士、瑞典和奥地利为代表的政府采取了相应的补贴政策和保护政策大力推广地源热泵供暖和制冷技术的发展。到80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，地源热泵的生产和年递增率很多国家超过10%。据1999年统计，在家庭应用的供暖设备中，地源热泵所占的比例：瑞士96、奥地利38、丹麦27，美国的地源热泵生产和推广速度更是后来居上变成了地源热泵生产和使用的头号大国。 

　　第二.地源热泵技术在我国的发展 

　　由于美国的气候条件与我国很相似，美国地源热泵生产和推广对我国很有借鉴意义，但在我国由于能源价格以及人们在节能、环保的认识程度等原因地源热泵空调技术应用和发展还比较缓慢，但随着一次性矿物能源的的储量进一步减少和生存环境的日趋恶化，地源热泵这一技术已经引起了人们的重视。在国家建设部公布的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中也作了推荐，北京市于2007年7月1日，由发改委及其他八部委联合发布了《关于印发关于发展热泵系统的指导意见的通知》（京发改〔2006〕839号），明确提出在建筑中使用地源热泵空调系统，可以获得每平50元的政府补助； 国家还将北京、天津、沈阳等三个城市做为地源热泵试点城市，通过政府努力引导和发展地源热泵技术，现特别是在国家的一些政府部门的建筑，学校，医院等，都大力进行了地源热泵改造，相信不久的将来地源热泵系统在神州大地必将花开满地。