【关键词】地源热泵
【摘要】地源热泵研究与应用的最新进展
1、前言
地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性,，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时,它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。地源热泵（ground source heat pumps,GSHP）系统包括三种不同的系统：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵，也有资料文献成为地下耦合热泵系统（ground-coupled heat pump systems）或者叫地下热交换器热泵系统（ground heat exchanger）；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统（ground water heat pumps）；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统（surface-water heat pumps）。这样的分类在国内的暖通空调界已经达到了共识。
在中国，煤作为主要能源, 煤炭在我国能源体系中占主导地位，长期以来，煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有绝对主导地位，尽管近年来，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈现出上升的迹象。2002年煤炭在我国能源生产结构、消费结构中的比例分别由2001年的68.6%和65.3%上升为70.7%和66.1%。【3】从下表可以看出，虽然占能源消费总量得比重在逐渐降低，但煤炭在能源消费中依然是高据榜首。特别在冬季,在国内的农村和部分城市几乎全部靠煤取暖。煤是各种能源中污染环境最严重的能源,只有减少城市地区煤的使用,城市大气污染问题是才可能得到解决。现在各地都在采取措施控制燃煤的数量,选用电采暖、燃油或者燃气采暖等措施,但都存在运行费用高、资源不足和排放CO2这些问题。受能源、特别是一次性能源与环保条件的限制,传统的燃油、燃煤中央空调方式将逐步受到制约。从降低运行费用、节省能源、减少排放CO2排放量来看,地源热泵技术是一个不错的选择。
能源消费总量
占能源消费总量的比重％
年份
（万吨标准煤）
煤炭
石油
天然气
水电
1957
9644
92.3
4.6
0.1
3.0
1970
29291
80.9
14.7
0.9
3.5
1980
60275
72.2
20.7
3.1
4.0
1990
98703
76.2
16.6
2.1
5.1
1999
122000
67.1
23.4
2.8
6.7
能源消费总量及构成TOTAL CONSUMPTION AND COMPOSITION OF ENERGY
2、地源热泵的发展历史
地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。这项技术最先开始于1912年，瑞士Zoelly提出了“地热源热泵”的概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1985年美国安装地源热泵14000台，1997年则安装了45000台，目前已安装了400000台以上的地源热泵，并且以每年10％的速度递长。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19％以上，其中在新建筑里面占30％。【1】～【2】在欧洲国家里更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。
上个世纪70年代以来,随着能源和环境问题的逐渐变得严重,在各个方面节能也被更多的考虑，以可再生的地热源为能源的地源热泵又引起了人们的重视。尤其是近年来,随着能源和环境问题的日益突出,地源热泵的研究和应用发展迅速,国内外的很多高校和研究机构相继开展了理论和实际应用方面的研究。随着研究的深入，我们的地源热泵研究工作者在全国范围内举行了各种交流探讨会。中国制冷学会第二专业委员会主办了“全国余热制冷与热泵技术学术会议”；1988年中科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”；【4】中国能源研究会地热专业委员会于1994年9月6日至8日在北京召开了第四次全国地热能开发利用研讨会；从90年代开始，每届全国暖通制冷学术年会上都有“热泵应用”的专题；2000年6月19～23日，中美地源热泵技术交流会在北京召开，会议介绍了地源热泵技术，国外的应用状况和在中国的推广；山东建筑工程学院地源热泵研究所与山东建筑学会热能动力专业委员会联合发起并承办“国际地源热泵新技术报告会”于2003年3月17日在山东建筑工程学院举行，加强了国内外地源热泵先进技术的交流。
3、研究现状及成果
从上个世纪80年代开始，国内对地源热泵进行了一系列的研究工作，主要集中于以下几个方面：（1）地下埋管换热器的传热模型和传热研究；（2）夏季瞬态工况数值模拟的研究；（3）热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究；（4）地源热泵空调系统制冷工质替代研究；（5）其他能源如太阳能、水电等与地热源联合应用的研究；（6）地源热泵系统的设计和施工；（7）地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究；（8）地源热泵系统与埋地换热器的技术经济性能匹配方面机组整体性能的研究；（9）土壤热物性及土壤导热系数的试验研究等等。
地源热泵地下传热模型的理论基础有三种：Ingersoll and Plass提出的线源理论；1983年BNL提出的修改过的线源理论；1986年V.C.Mei提出的三维瞬态远边界传热模型。【5】文献[5]同时提出了现在比较广泛应用的三种传热模型：基于能量守恒定律的V.C.Mei传热模型；IGSHPA（International Ground-Source Heat Pump）模型,该模型提供了计算单根竖埋管、多根竖埋管及水平埋管换热器土壤热阻的方法；NWWA（National Water Well Association）模型,该方法可直接给出换热器内平均流体温度。
在地源热泵的三种不同的系统形式中，由于采用地下埋管换热器，使得土壤源热泵的技术难度最大，设计和施工都要很困难，所以一直也是地源热泵技术的难点和核心所在。同济大学的李凡、仇中柱和青岛建筑工程学院的于立强应用有限单元法对土壤热源地下U型垂直埋管周围土壤的非稳态温度场进行了数值模拟，其结果与实验测试值吻合良好。根据数值模拟计算程序可给出U型垂直埋管向地下放热量与埋管的埋深及埋管的热作用半径的对应关系，为U型垂直埋深、数量及间距的设计提供了参考依据。【6】对于土壤源热泵在冬季工况下的启动特性，同济大学李元旦、张旭等结合实例表明，土壤源热泵的冬季启动时间比夏季的短，仅为4-5h。实测获得了单位钻孔长的取热率为40-60W/m，可作为设计参考数据。分析发土壤源热泵冬季制热工况的系统COP值和压缩机COP值，指出要获得好的节能效果，必须优化系统，减少循环不和风机等的能耗。【10】重庆大学的丁勇、刘宪英等则根据在所建设的15kW浅埋竖管换热器地源热泵试验装置上做的冬季供暖效果测试，建立了地下浅埋套管式换热器的传热模型。【7】他们还介绍了根据浅埋竖管换热器地热源热泵冬季测试结果，在夏季试验中对试验装置及实验方法的改进，测试了夏季定水量（63天）的运行效果和变水量运行时各性能指标的变化。采用系统能量平衡结合热传导方程建立的地下竖埋套管管群换热器传热模型和过渡季大地温度场模拟，与实测值吻合较好。【8】大地初始温度是地源热泵设计中的重要参数，实际测量很不现实，在文献[5]中,他们采用计算法来确定大地的初始温度。在不同的地质条件下，地下换热器会收到不同的影响，重庆大学的付祥钊、王勇等人通过建立地源热泵岩土换热器的简易数理模型，计算分析了竖直埋管的换热器性能，并在重庆和上海两地进行了岩土换热器试验，发现短期运行参数与实验数据一致，长期连续运行性能参数小于实际值。结果表明，岩土性能及由年平均温度决定的岩土原始温度对岩土换热器对岩土换热器性能有显著影响，在砂岩中设置的换热器比沉积土中的性能好。【11】天津大学的李新国等人通过螺旋盘管地源热泵供暖制冷实验表明:（1）冬季从地下取热盘管的出口温度能保持在10℃左右,明显高于冬季环境空气温度,有利于制热性能。但夏季制冷地下盘管的进出口温度已超过标准空调工况,分析原因,认为是地下盘管布置过于密集和未使用适宜的回填土,致使盘管散热性能差。（2）实验测得的系统COP和压缩机COP值并不高,这与水源热泵机组设计是否匹配、优化、水泵、风机的选择是否匹配等有关,也是下一步改进的地方。（3）对小型地源热泵,垂直螺旋盘管占地面积小,换热性能较优。【9】天津大学的赵军,袁伟峰等依据能量平衡,建立了地下浅埋套管式换热器传热模型,求解并分析了影响传热的主要因素,提出了强化换热的措施,给出了相应的函数关系图。【9】
HCFC禁用期限的临近，也推对了对地源热泵替代工质的研究。天津大学和天津地热研究培训中心采用CSD方程进行循环工质的理论计算和选择，针对以40～45℃地热尾水为低温能源的热泵系统，在该系统中采用了循环性能较好的质量分数比为1：1的非共沸二元混合工质，以达到实际运行和环保要求。【12】R744作为一种天然工质，是热泵系统中最有潜力的替代工质之一，中原工学院对此进行了研究，在文献[13]中介绍了近10年来美国、欧洲和日本等发达国家和地区对R744热泵系统进行的大量研究和取得的一些突破性研究成果，介绍了R744热泵样机及其压缩机、换热器、膨胀阀等各重要部件的研究状况。中南大学运用基于AHP的综合性能评价指标体系，认为HFCs及其混合物具有与R22相近的热力性质，是目前地源热泵系统的理想替代工质，其中R134a、R410A和R407C是近期合适的R22的替代工质。【14】
为了更好的利用能源，节约能源，保护环境，也有专家学者进行了其他能源和地源热泵的联合应用方面的研究。山东建筑工程学院和西安建筑科技大学对太阳能辅助供暖的地源热泵的经济型进行了分析。他们指出，在冬季，我国北方地方土壤温度较低，并且以热负荷为主，如果采用地源热泵供暖，则机组和换热器的初投资比较高，连续运行的效率也较低，夏季运行时机组容量过大，造成浪费。可以利用太阳能集热器作为辅助能源，白天时，依靠地源热泵供暖，夜间利用太阳能集热器储存的热量，由地热和太阳能共同供暖，这样的方案比单纯用地源热泵供暖更经济节能。【15】另外，浙江江能建设有限公司的研究人员在文献[16] 里面分析了地源热泵系统在水电站中应用的优势，对于利用地下水进行了分析，不过，笔者认为，在水电站附近，适当的采取地表水热泵系统，因为地表水丰富，所以会更加节能，降低费用，在地源热泵的三种系统形式里面，国内研究较多的是土壤源热泵和地下水热泵系统，关于地表水热泵系统研究的比较少，主要是合适的地表水资源太少了，或者是因为地理位置的原因限制了地表水热泵的发展。不过，假如条件允许的话，比如在水电站附近，或者附近有丰富的地表水资源，不妨考虑运用地表水热泵系统。
地源热泵系统的设计主要集中在系统地下部分的设计，包括冷热负荷的确定，地下换热器的选型、布置，室内空气气流的组织形式，热泵的容量等，不过要重视对地源热泵空调系统设计的基础资料的准确性和真实性进行鉴别，特别是水文地质、地表情况、试验井(坑)、水质这些资料，以免造成系统失败或者和预期效果大相径庭。对于地下水热泵系统、土壤源热泵系统、地表水热泵系统，都有不同的设计步骤和施工方法，具体可参考文献[17]~[21]，[25]。
随着地源热泵在中国的逐渐推广，对地源热泵系统经济性能和运行特性的研究也日益受到重视。哈尔滨工业大学针对地源热泵钻井费昂贵、初投资比普通供暖空调高的问题,利用经济评价方法,以哈尔滨地区供暖面积10000m2为计算对象,分析比较了地源热泵3种驱动源(电动机、燃气机、柴油机)、3种辅助热源(电锅炉、油锅炉、燃气锅炉)、共计9种系统组合的经济参数(初投资、年经营成本、年总成本、净现值,净现值率及投资回收期),分析计算得出燃气机驱动、190KW辅助燃气锅炉的地源热泵系统为最佳的结论。【22】北京建筑工程学院的研究从节能分析出发,结合工程实例,对地源热泵系统即地下水热泵系统和土壤源热泵系统与风冷热泵系统在技术性能和经济性能方面进行了对比。分析表明地源热泵系统性能参数比风冷热泵系统有较大提高;初投资和运行费用比风冷热泵系统节省24～30%左右。【23】天津大学热能研究所和河北建筑科技学院依据圆柱源理论，建立了耦合地面热泵机组和地下埋管换热器特性的模拟模型，探讨了模拟过程中有关参数的确定方法，并运用模型对地源热泵的冬季和夏季运行特性进行了模拟，模拟结果和实验实际测得的数据相符。【24】
对于土壤源热泵来说，土壤作为热泵系统的热源，对土壤热物性及土壤导热系数的试验研究显得尤为重要。同济大学采用探针法，通过实验得到了土壤及其与不同比例黄砂混合物的导热系数随含水率和密度的变化规律，土砂混合比为1：2时的混合物的导热系数最大，为寻找最佳的回填材料提供了基础数据。【26】
4、工程应用实例
目前国内地源热泵的应用实例比较少，但是在逐渐增多，这里影响比较大是中美合作在中国建设的三个地源热泵示范工程。1997年，中国科技部与美国能源部签署了《中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书》。根据协议规定，中美两国政府合作在中国的北部、中部和南部建立三个地源热泵的示范工程。北部示范工程是中国食品发酵研究所综合办公楼及专家楼，中部示范工程是宁波雅戈尔工业城，南部示范工程是广州松田职业技术学院。
除了这些之外，还有其他的一些工程实例。其中比较有代表性的工程有：
清华同方人工环境有限公司承担的山东东营市胜泰大厦的地下水热泵系统和空军丰台招待所、办公楼的地下水热泵空调改造系统。其中，东营市胜泰大厦的建筑面积4500m2，制冷量271KW，冷冻供回水温度7℃/14℃，输入功率62KW，制热量290KW，热水供回水温度50℃/40℃，输入功率83KW。设计了2口水源水井，当其中1口为抽水井时，另1口水源井为回灌井。空军丰台招待所、办公楼冷量1400KW，热量1500KW，生活热水约265KW，采用3口供水井，井深50米，地下水出水温度为15℃左右，回灌井2口，井深28米。【4】，【27】
重庆大学城市建设与环境工程学院参与的新疆米泉市小型办公楼和重庆大学B区暖通实验楼两个房间采用了土壤源热泵系统。其中，米泉市小型办公楼空调总面积123m2，冷量10.4KW，热量9.84KW，采用水平埋管土壤源热泵系统。暖通实验楼两个房间78m2，采用15根深10m的浅埋套管换热器，还设有2组埋深分别为1m和2m的水平埋管，埋管长度为50m，运行效果良好。【20】
山东建筑工程学院地源热泵研究所与烟台荏原空调设备有限公司合作推出地源热泵系统并成功地应用在该院学术报告厅的中央空调系统中,空调总面积为500m2，冷量110KW，采用垂直埋管土壤源热泵系统。【1】，【4】
辽宁省辽阳市邮电局的两栋宿舍楼（建筑面积共计6000ｍ2）采用了由山东海阳富尔达公司与清华大学工程力学系联合研制出的富尔达地温中央空调。运行结果表明:冬季室内温度始终保持在18℃以上,最高可达25℃。【1】
内蒙古的地源热泵科技攻关项目，由内蒙古机电设计研究院组织人员攻关。科技厅选择了一所宾馆和一幢具有办公、餐厅、商场、体育运动场为一体的建筑,做试验示范基地。总建筑面积为7900m2。系统水源为两个井深为180m,井的直径为320mm的水井,其中一口井为供水井,另一口为回灌井,两口井可交替使用。该系统于2002年元月开始试水、试运行,通过冬季采暖期180天、夏季运行90天的试验证实,该系统制冷时提供的出口温度为7～12℃冷水,供热时提供出口温度为45～50℃热水,最高可达50℃。夏季使室温控制在25℃以下,冬季使室温保持在16～25℃,同时可供42℃卫生热水,集供热、制冷、供应卫生热水为一体，是一个很成功的例子。【28】
另外，为了将北京2008年奥运会办成历史上最为成功的一届，实现“绿色奥运、人文奥运”的目标，北京市政府将地热资源的开发利用列入奥运公园的能源供应规划之中。专家们预测，2008年北京奥运会之前北京奥运公园将钻10眼地热生产井与回灌井，预计井深3000～4000m，每口井日出水量在1500m3以上，水温均大于65℃以上。【30】这个是让暖通空调工作者振奋的好消息。
5、存在的需要注意的问题
地源热泵从开始研究到应用的过程中，虽然它是环保、节能、先进的空调方式，但仍然存在一些需要注意的问题：
（1）水资源利用的问题
水资源的利用，应建立在合理的基础之上，对于地下水的使用问题，国家已经有相关的法律、法规、标准出台，应严格执行《中华人民共和国水法》和《城市地下水开发利用保护管理规定》等法规，确保水资源不受污染，不对地质造成灾害。
（2）采取可靠的回灌手段
大量的开采地下水而不采取可靠的回灌手段的话，后果不堪设想。应加强对水井抽取后进行回灌，还要对水井进行维护，增加水井的使用寿命。回灌水还不应污染地下水源。
（3）设计过程中要注意水文地质问题
利用地下水源时，要了解地源热泵系统设计的基础资料。要在当地完成对工程所在地的井深、水温、水量、水质等原始资料的采集，并保证这些资料的有效性和正确性，对这些资料进行分析研究。这是一项很重要的工作，可是经常在工程实践中被忽视，从而造成了系统的失败，比较典型的是宁波雅戈尔工业城的例子。【1】主要是出水量的问题，在提供的可行性报告中提出的是单井每小时的出水量，但实际上是单井每天的出水量，所以造成不得不采用其他的方式进行补救。
（4）水质处理问题
如果水质不适合直接使用于地源热泵机组，那需要采取相应的水处理措施。
比如用过滤器、水处理仪、沉淀池等装置处理后再用于地源热泵机组。一般情况下地下水不能直接用于供暖，因为地下水一般会含有一定数量的碳酸盐、硫酸盐、腐蚀性气体及泥沙等物质，可以经过板式换热器间接利用地下水，延长机组使用寿命，减少维修费用。
（5）地下换热器的设计
地下换热器的设计要注意对建筑负荷、回填材料、土壤地层特性等进行精确的勘测和分析。
（6）国产设备的质量问题
现在国内生产的地源热泵产品的厂家越来越多，但大部分的产品质量和性能堪忧。由于过去没有水源热泵的国家标准，所以各厂家的规格、参数不一。有的设备厂家直接从别的公司买进设备，拆了自己照着做，没有自己的设备研究和开发能力，所以造成这样的局面也在情理之中。2002年12月6日全国制冷设备标准化委员会会议已审订了《水源热泵》国家标准，以后可以逐渐达到统一。【29】不过，中国暖通空调界需要更多其他的相关的地源热泵的国家标准或规范。
（7）合理地配置整个系统
地源热泵虽然是绿色的空调方式，但是没有一套合理的系统，它的节能、环保的优势就无法发挥出来。
6、结束语
地源热泵作为一种环保节能的空调方式，应该得到我们的研究工作者对其进行更为深入的研究，探索其关键性技术。目前在国内地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范,其推广应用还有待时日。但地源热泵技术在中国就像一个新事物必须经历挫折和教训一样逐渐地发展。作为一门新技术，它为我们的国家的可持续发展带来了契机，在不远的将来，随着国富民强，经济实力的提高和生活水平的进步，研究和技术人员的努力，在中国一定有广阔的市场前景。
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