浅议地源热泵技术的应用

一、地源热泵技术的原理

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。地源热泵最早源于1912年瑞士的一个专利，而其真正意义上的商业应用迄今也不过十多年，但是到2001年止，美国已达到了每年安装40万台地源热泵，可降低温室气体排放100万吨，年节约能源折合4.2亿美元。我国政府也在积极推广运用这项“绿色技术”，以减少煤耗、节约一次能源和改善环境。

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）。

二、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，其导热能力显着下降，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）。

（一）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。

（二）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。

（三）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。大地耦合热泵的显着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。