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摘要：地源热泵系统就是利用地下浅层土壤能量通过地下埋管管内的循环介质与土壤进行闭式热交换达到供冷供热目的夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖。本文探讨了地源热泵技术在暖通空调节能中的运用。
关键词：地源热泵；技术；暖通空调；节能；运用
中图分类号：TH3文献标识码： A 文章编号：
地源热泵是指利用土壤或地下水的低温位热能和它们的蓄热性能的一种热泵系统, 在夏天制冷工况下, 将埋地换热器作为冷凝器, 向地下蓄热, 冬天制热工况下, 将埋地换热器则作为蒸发器从地下取热, 这样既可以充分利用土壤的低位地热资源, 又能将夏天的热量储存在地下, 以供冬季使用, 不但有良好的节能环保效益, 也有非常可观的经济效益. 因此, 地源热泵是一种很有前途的可再生能源技术.
一、地源热泵技术的工作原理
地源热泵技术是一种利用地球表面浅层的地热能资源进行供热、制冷的高效、节能、环保的系统。地源热泵通过输入少量的电能，实现低温热能向高温热能的转移。工作原理见图1，地热能在冬季作为热泵供热的热源；在夏季作为热泵制冷的热汇。 即在冬季，把地热能中的热量“取”出来，提高温度后，向室内供给热量；夏季，把室内的热量“取”出来，“排放” 到地下可缓解城市热岛效应，通常热泵消耗1 k w 的能量用户可以得到今5 kw 的热量或冷量。
1-压缩机; 2-蒸发器; 3-冷凝器; 4-节流阀;5 ～ 12-阀门; 13-风机盘管; 14-埋地换热器
图1地源热泵技术的工作原理
二、地源热泵的分类
按照冷热源的不同，可将地源热泵系统分为以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵、以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统和以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统3 类。
1、 土壤源热泵
土壤源热泵是利用地下岩土层中热量进行闭路循环的热泵系统。热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在密闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。冬季供热时，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土层中。
地下热交换器的布置形式主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3 类。垂直埋管换热器通常采用的是U 型方式，按其埋管深度可分为浅层（小于30 m），中层（30-100 m）和深层（大于100m）3 种。垂直埋管换热器热泵系统占地面积小、需要的管材少、泵耗能低，单位管长换热量高于水平埋管，但造价相对要高。水平埋管换热器有单管和多管2 种形式，一般埋设深度为1.5-3.0 m。水平埋管换热器造价相对低，目前广泛使用。但需要较大场地、运行性能不稳定、泵耗能高、系统效率较低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限的情况。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器的20%-30%，但用管量会明显增加。这种方式的特点类似水平埋管换热器。
2、 地下水源热泵
地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。最常用的系统形式是采用一侧连接地下水，一侧连接热泵机组（板式换热器）。早期的地下水系统采用单井系统，即将地下水经过板式换热器换热后直接排放。其缺点是既浪费地下水资源，又容易造成地层塌陷，甚至引起地质灾害。后来产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵使用最多的是深为50 m 以内的浅井，其优点是造价比土壤源热泵低、水井与水井之间很紧凑占地面积小、技术比较成熟。缺点是可供的地下水有限、水处理要求严格、抽取的地下水全部回灌并且不能受到污染。
3、 地表水源熱泵
地表水源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水源热泵主要分为闭路系统和开路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。地表水源热泵具有造价相对低廉、泵耗能低、维修方便以及运行费用少等优点。但这种地表水源热泵系统也受到自然条件的限制。在公用的河流中、管道或水中的其他设备容易受到损害。如果河流、湖泊过小或过浅，水的温度会随气候发生较大的变化，容易产生效率降低、制冷或供热能力降低的后果。
三、地源热泵的工程设计应用
1、 关于地下水源开采、回灌和土壤换热器的比较
近几年来地源热泵的部分形式是地下水源开采---回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降， 地面沉降问题一直很严重，多年来面临严重的地沉问题，在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已用多年，积累了很多经验教训。
地源热泵土壤换热器有多种形式，如水平埋管，竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境，在中国采用竖直埋管更显示出其优越性。节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。
采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。
2、冬季避免采用防冻液介质
很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。在我国华北及以南区域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。
3、系统的管材必需采用高强度惰性材料
土壤换热器系统设计要保证水系统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。
4、关于竖直埋管埋设单U 型或双U 型管的问题
从工程实践中看，总体来说单U 型管方式优于双U 型管方式，但是同样的换热量单U 型管需要更多的孔数而增加了建设成本。
5、系统设计参数讨论
关于( 冷) 热源侧水流量，要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度，埋管材料，管径大小，当地地源条件以及机组的特性要求。一般， 如提高水流速度可适当增加换热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水泵能量消耗。一般可取流速为0.65~ 1. 5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计。优化设计时其复合能耗与埋管长度、埋管材料、管径、地源温度、地源热指标、机组特性等因素有关。在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。
随着人们环保意识和节能意识的不断增强，在空调领域寻找清洁可再生能源正日益成为研究热点。地源热泵作为新型可再生能源。很好地满足了节能的需求，具有供能稳定可靠。不受燃料短缺和价格波动影响等特殊优势。并且具有非常明显的清洁环保性能减排效果显著。经过多年的实践，地源热泵在空调领域应用的技术可靠性、经济节能与环保性能已经在诸多工程中得到了验证，具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 韩冬瑞. 地源热泵的发展与应用研究[J]. 现代经济信息. 2009(18)
[2] 王峥,孙大明. 住宅中地源热泵适用性探讨[J]. 住宅产业. 2009(Z1)
[3] 陶陪. 地源热泵——建筑节能环保技术[J]. 住宅产业. 2009(07)
关键词：地源热泵；技术；暖通空调；节能；运用
中图分类号：TH3文献标识码： A 文章编号：
地源热泵是指利用土壤或地下水的低温位热能和它们的蓄热性能的一种热泵系统, 在夏天制冷工况下, 将埋地换热器作为冷凝器, 向地下蓄热, 冬天制热工况下, 将埋地换热器则作为蒸发器从地下取热, 这样既可以充分利用土壤的低位地热资源, 又能将夏天的热量储存在地下, 以供冬季使用, 不但有良好的节能环保效益, 也有非常可观的经济效益. 因此, 地源热泵是一种很有前途的可再生能源技术.
一、地源热泵技术的工作原理
地源热泵技术是一种利用地球表面浅层的地热能资源进行供热、制冷的高效、节能、环保的系统。地源热泵通过输入少量的电能，实现低温热能向高温热能的转移。工作原理见图1，地热能在冬季作为热泵供热的热源；在夏季作为热泵制冷的热汇。 即在冬季，把地热能中的热量“取”出来，提高温度后，向室内供给热量；夏季，把室内的热量“取”出来，“排放” 到地下可缓解城市热岛效应，通常热泵消耗1 k w 的能量用户可以得到今5 kw 的热量或冷量。
1-压缩机; 2-蒸发器; 3-冷凝器; 4-节流阀;5 ～ 12-阀门; 13-风机盘管; 14-埋地换热器
图1地源热泵技术的工作原理
二、地源热泵的分类
按照冷热源的不同，可将地源热泵系统分为以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵、以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统和以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统3 类。
1、 土壤源热泵
土壤源热泵是利用地下岩土层中热量进行闭路循环的热泵系统。热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在密闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。冬季供热时，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土层中。
地下热交换器的布置形式主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3 类。垂直埋管换热器通常采用的是U 型方式，按其埋管深度可分为浅层（小于30 m），中层（30-100 m）和深层（大于100m）3 种。垂直埋管换热器热泵系统占地面积小、需要的管材少、泵耗能低，单位管长换热量高于水平埋管，但造价相对要高。水平埋管换热器有单管和多管2 种形式，一般埋设深度为1.5-3.0 m。水平埋管换热器造价相对低，目前广泛使用。但需要较大场地、运行性能不稳定、泵耗能高、系统效率较低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限的情况。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器的20%-30%，但用管量会明显增加。这种方式的特点类似水平埋管换热器。
2、 地下水源热泵
地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。最常用的系统形式是采用一侧连接地下水，一侧连接热泵机组（板式换热器）。早期的地下水系统采用单井系统，即将地下水经过板式换热器换热后直接排放。其缺点是既浪费地下水资源，又容易造成地层塌陷，甚至引起地质灾害。后来产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵使用最多的是深为50 m 以内的浅井，其优点是造价比土壤源热泵低、水井与水井之间很紧凑占地面积小、技术比较成熟。缺点是可供的地下水有限、水处理要求严格、抽取的地下水全部回灌并且不能受到污染。
3、 地表水源熱泵
地表水源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水源热泵主要分为闭路系统和开路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。地表水源热泵具有造价相对低廉、泵耗能低、维修方便以及运行费用少等优点。但这种地表水源热泵系统也受到自然条件的限制。在公用的河流中、管道或水中的其他设备容易受到损害。如果河流、湖泊过小或过浅，水的温度会随气候发生较大的变化，容易产生效率降低、制冷或供热能力降低的后果。
三、地源热泵的工程设计应用
1、 关于地下水源开采、回灌和土壤换热器的比较
近几年来地源热泵的部分形式是地下水源开采---回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降， 地面沉降问题一直很严重，多年来面临严重的地沉问题，在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已用多年，积累了很多经验教训。
地源热泵土壤换热器有多种形式，如水平埋管，竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境，在中国采用竖直埋管更显示出其优越性。节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。
采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。
2、冬季避免采用防冻液介质
很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。在我国华北及以南区域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。
3、系统的管材必需采用高强度惰性材料
土壤换热器系统设计要保证水系统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。
4、关于竖直埋管埋设单U 型或双U 型管的问题
从工程实践中看，总体来说单U 型管方式优于双U 型管方式，但是同样的换热量单U 型管需要更多的孔数而增加了建设成本。
5、系统设计参数讨论
关于( 冷) 热源侧水流量，要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度，埋管材料，管径大小，当地地源条件以及机组的特性要求。一般， 如提高水流速度可适当增加换热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水泵能量消耗。一般可取流速为0.65~ 1. 5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计。优化设计时其复合能耗与埋管长度、埋管材料、管径、地源温度、地源热指标、机组特性等因素有关。在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。
随着人们环保意识和节能意识的不断增强，在空调领域寻找清洁可再生能源正日益成为研究热点。地源热泵作为新型可再生能源。很好地满足了节能的需求，具有供能稳定可靠。不受燃料短缺和价格波动影响等特殊优势。并且具有非常明显的清洁环保性能减排效果显著。经过多年的实践，地源热泵在空调领域应用的技术可靠性、经济节能与环保性能已经在诸多工程中得到了验证，具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 韩冬瑞. 地源热泵的发展与应用研究[J]. 现代经济信息. 2009(18)
[2] 王峥,孙大明. 住宅中地源热泵适用性探讨[J]. 住宅产业. 2009(Z1)
[3] 陶陪. 地源热泵——建筑节能环保技术[J]. 住宅产业. 2009(07)