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【摘要】随着人类文明的进步和社会的发展，人类对能源的消耗越来越多，导致能源枯竭、环境恶化等严重后果。为解决制约经济和社会可持续发展的能源瓶颈问题，热泵技术逐渐从幕后推向台前。本文主要介绍热泵技术中的一种形式——地源热泵。得到结论：不同地源热泵系统的特点、经济性、适用条件等均不相同，应根据实际情况设计合理的地源热泵形式。
【关键词】能源;热泵;地源热泵
1、热泵的原理及经济性
热泵与水泵具有相同的特点。水泵通过输入电能，将水从低位提升到高位。热泵的原理与之相似——冬季，热泵消耗一定电能，将低温侧室外的热量抽吸到高温侧室内，提升热量的品质，最终实现室内制热的功能。
以一次能源天然气为例：直接燃烧能够产生9kWh的热量;发电能产生4kwh的电，电制热能产生4kwh的热量;如果用一方天然气所发的4kwh电能输入到热泵机组中，总共能产生12kwh的热量。通过对比发现，消耗同样的一次能，热泵机组制取的热量最多，经济性最好。
2、地源热泵系统简介
2.1 地源热泵系统定义
地源热泵系统是指利用地下土壤、地下水、地表水为低温热源，以水为传热介质，采用热泵技术对建筑进行制冷、供暖或加热生活热水的系统。地源热泵系统主要分为三种形式：地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、土壤源热泵系统。
2.2 地源热泵系统组成
地源热泵系统的核心主要是熱泵机组，通常热泵机组主要由四个主要部件组成：蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀。把机组和地源这块称为冷热源;水泵和管路称为输送系统;用户侧称为末端。
2.3 地源热泵系统与常规空调系统的区别
常规空调系统通常采用水冷冷水机组，通过水泵和冷却塔把室内热量散入到空气中，实现系统制冷功能;冬季由于循环水易结冰，因此这种系统在冬季通常配备锅炉实现冬季制热。地源热泵系统通常是将冷却塔换成地源，然后机组内部作一定的改进。夏季运行流向与冷水机组类似，工作参数稍有区别。冬季时，即便室外空气温度比较低，地源侧的温度通常也能达到10℃以上，这为热泵机组制热提供了有利的条件。这也是与常规水冷冷水机组的主要区别。
3、地下水地源热泵系统介绍
3.1 系统简介
根据地下水是否进机组，地下水源热泵系统通常可分为开式系统和闭式系统。根据地下水回灌方式不同，通常分为同井回灌系统和异井回灌系统，如图1、2所示。异井回灌指取水和回水在不同的井内进行，回灌井内的水需回到同一地下含水层中。同井回灌系统是国内发明的一种新技术[1]，取水和回灌水在同一井内进行，通过隔板把井分成两部分，一部分是低压吸水区，一部分是高压回水区。同井回灌存在热贯通的可能性，应进行合理设计避免热贯通现象。
3.2 地下水地源热泵系统特点
地下水地源热泵系统主要包含5个特点[1]：
（1）该系统利用可再生能源的技术，节能环保效益显著;
（2）机组制冷和制热都处于高效运行，通常主机的制热性能系数为3.5～4.4，比空气源热泵系统节约23～44%的能量;
（3）该系统具有良好的经济性。根据北京市统计局信息咨询中心对采用地下水地源热泵技术的多个项目的冬季运行分析报告：63%的项目低于燃煤集中供热的价格;全部项目低于其他锅炉供暖。投资增量回收期约4～10年。
（4）由于地下水全年温度相当稳定，故主机能够持续平稳运行;
3.3 地下水地源热泵系统适用性
地下水地源热泵系统的适用性一般需要考虑两方面的因素 [2]。一是资源性条件，二是系统性条件。其中，资源性条件主要有水温地址因素、场地施工因素、社会经济因素、气象因素和环境保护因素。仅从资源性条件考虑，适合采用该系统的地区主要分布在我国东部，平原盆地及富水性较好的地区。而系统性条件主要指节能型、经济性和环保性。
3.4 地下水地源热泵系统设计流程
地下水地源热泵系统设计主要包含地质勘查设计和空调系统设计两大块。地质勘查与设计率先进行，包括水文地质条件论证，其中涉及到地下水水温、水质、水量的论证，同时水资源论证应经过专家审查和水务部门审批。根据工程所在地的地质条件设计热源井形式。无论采用何种回灌方式，必须确保回灌至同一含水层，不得造成地下水浪费及污染。如果不能100%回灌于同一含水层，会带来一系列的生态环境问题。空调系统设计主要包含建筑物内空调系统设计、水源热泵机组系统设计和地下换热系统设计。
3.5 地下水地源热泵系统存在的问题
主要存在四个方面的问题：一是回灌堵塞，此问题的主要解决包括回扬、预消毒和酸化等;二是腐蚀水质问题，为此需按规范要求设计合理的水处理工艺;三是井水泵功耗过高的问题。调查表明，不良设计中井水泵功耗可以占到系统总能耗的25%甚至更高，为此一般采用的措施包括采用变频泵、设计闭式系统，确保回水管在静水线以下等;四是运行管理方面的问题。
4、地表水地源热泵系统
4.1 地表水类型
地表水主要分为三种类型：一、流动水体：包括江、河、城市污水等;二、静止且水量较大的水体：包括海、湖、水库等;三、静止且水量较小的水体：包括水塘、水景、人造湖等。
4.2 地表水地源热泵类型
根据是否直接取用地表水，将地表水地源热泵系统分为开式系统和闭式系统。
4.3 地表水地源热泵系统特点
首先是它的节能性，相比于传统的冷热源系统，其节能优势明显，但总体而言系统效率低于地下水地源热泵系统;在经济性方面，开式地表水地源热泵系统的初投资是地源热泵空调系统中最低的;在稳定性方面，地表水温度一般随季度和水深变化，其特征类似于空气源热泵，故稳定性不如地下水地源热泵系统。 4.4 地表水地源热泵系统适用性
常规地表水地源热泵系统（不包括海水源和污水源），主要从能效、经济性和社会环境方面评价其适用性，比如机组是否能处于高效运行、系统的初投资、运行费用、水体是否存在污染等等，适宜地区主要分布在中南部地区[3]。
海水源热泵主要从资源条件，如海水温度和系统性条件来进行评价;污水源热泵系统主要从经济、能耗和环境三方面进行评价。
4.5 地表水地源热泵系统设计
主要讨论以下三个方面：一是水源勘测方面，主要包含水位、面积、流速、流量、水温、水质、用途等;二是水环境评估，系统设计前，应对系统运行对水环境的影响进行评估，减小地表水水体及其生态环境和行船等影响。在前期项目中，完成环境影响评价相对比较困难，对于流动的地表水，一般取水量小于总流量的20%;对于静止的地表水可以按面积指标进行估算。
5、土壤源热泵系统
5.1 土壤源热泵系统分类
根据埋管方式的不同，通常分为水平式埋管换热系统和竖直式埋管换热系统。
5.2 竖直埋管换热器形式
水平埋管换热器的形式和闭式地表水地源热泵系统类似。竖直埋管换热器最常见的有两种形式：双U和单U。虽然双U比单U的管长大了一倍，但是换热能力仅提高15%～20%。
5.3 两种埋管形式区别
水平埋管通常埋深为1.2～3.0m，每个水平沟内埋1～6支管。埋管成本相对较低，安装灵活，一般用于地表面积充裕的场合。
竖直埋管中浅埋一般为8～10m，深埋为33～180m。实际项目中通常埋管深度为23～92m。该方式管材耗量少，系统阻力小，由于埋深较深，因此受季节的影响小，但是初投资比较高。
实际项目中，应根据项目用途、所在地的地质条件等因素综合选择埋管方式。
5.4 土壤源热泵系统的优点和缺点
优点：蓄热性能良好;相比于传统的空气源熱泵，机组效率更高;无需除霜，没有结霜和融霜的能耗损失;运行费用低[4]。
缺点：长期运行，土壤的温度势必会受到波动，这种波动会影响热泵机组的性能;地下埋管换热器的性能受土壤的热物性参数的影响较大。计算表明，传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤的1/3;初投资高，仅地下埋管换热器的投资约占系统投资的20～30%。
5.5 土壤源热泵系统设计
土壤源热泵系统设计中主要有三个方面的问题：热物性测试、土壤热平衡和水力平衡。
岩土热物性测试是为地埋管地源热泵系统设计提供岩土基本热物参数（导热系数、比热容等）。目前国内外应用于工程中的岩土热物性测试方法是岩土热响应试验法[5]。
如果冬夏季取热和排热不平衡，地下土壤温度将过高过低，影响热泵机组效率和稳定性。地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算。计算周期内地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。为此，在夏热冬冷地区一般采用土壤源热泵+冷却塔的形式，寒冷和严寒地区采用土壤源热泵+太阳能的耦合系统。
水力平衡：地埋管各并联支路若长短不一，各支路将水力失调，短管路会承担更多冷热负荷，地下温升或温降更大，严重影响热泵机组效率。因此埋地管网尽可能采用并联同程布置。
结论：
为了降低用冷和用热的能耗，寻找更高效的制冷供热系统势在必行。在这样的背景下，地源热泵系统逐渐得到大力的应用。然而在应用过程中，暴露了诸多问题导致系统无法发挥其优势。故理清地源热泵系统的特点、经济性、适用条件等显得尤为重要，通过详细介绍所有地源热泵系统形式，得到如下结论：
（1）不同地源热泵形式的特点和适用性均不相同，设计时，需因地制宜，选择合理的形式，确保充分发挥系统优势;
（2）不同的系统在使用过程中均存在一定的问题，设计时应针对其问题配置合理的方案。
参考文献：
[1]马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用.第二版[M].北京：机械工业出版社，2013
[2]王贵玲，刘云，蔺文静等.我国地下水源热泵应用适宜性评价[A].见：2008年地温资源开发与地源热泵技术应用论坛.2008，19-26
[3]徐伟.“十一五”国家科技支撑计划项目研究课题——水源地源热泵高效应用关键技术研究与示范[J].建设科技，2010：42-45
[4]徐伟，刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建设科技.2013：26-33
[5]曾令文.中南丘陵地区地源热泵系统优化设计的模拟研究[D].湖南：湖南大学，2015
作者简介：
郭晓琴（1990-），女，湖北荆州人，武汉科技大学城市学院环工系助教，工学硕士，研究方向：建筑节能、通风空调。
【关键词】能源;热泵;地源热泵
1、热泵的原理及经济性
热泵与水泵具有相同的特点。水泵通过输入电能，将水从低位提升到高位。热泵的原理与之相似——冬季，热泵消耗一定电能，将低温侧室外的热量抽吸到高温侧室内，提升热量的品质，最终实现室内制热的功能。
以一次能源天然气为例：直接燃烧能够产生9kWh的热量;发电能产生4kwh的电，电制热能产生4kwh的热量;如果用一方天然气所发的4kwh电能输入到热泵机组中，总共能产生12kwh的热量。通过对比发现，消耗同样的一次能，热泵机组制取的热量最多，经济性最好。
2、地源热泵系统简介
2.1 地源热泵系统定义
地源热泵系统是指利用地下土壤、地下水、地表水为低温热源，以水为传热介质，采用热泵技术对建筑进行制冷、供暖或加热生活热水的系统。地源热泵系统主要分为三种形式：地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、土壤源热泵系统。
2.2 地源热泵系统组成
地源热泵系统的核心主要是熱泵机组，通常热泵机组主要由四个主要部件组成：蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀。把机组和地源这块称为冷热源;水泵和管路称为输送系统;用户侧称为末端。
2.3 地源热泵系统与常规空调系统的区别
常规空调系统通常采用水冷冷水机组，通过水泵和冷却塔把室内热量散入到空气中，实现系统制冷功能;冬季由于循环水易结冰，因此这种系统在冬季通常配备锅炉实现冬季制热。地源热泵系统通常是将冷却塔换成地源，然后机组内部作一定的改进。夏季运行流向与冷水机组类似，工作参数稍有区别。冬季时，即便室外空气温度比较低，地源侧的温度通常也能达到10℃以上，这为热泵机组制热提供了有利的条件。这也是与常规水冷冷水机组的主要区别。
3、地下水地源热泵系统介绍
3.1 系统简介
根据地下水是否进机组，地下水源热泵系统通常可分为开式系统和闭式系统。根据地下水回灌方式不同，通常分为同井回灌系统和异井回灌系统，如图1、2所示。异井回灌指取水和回水在不同的井内进行，回灌井内的水需回到同一地下含水层中。同井回灌系统是国内发明的一种新技术[1]，取水和回灌水在同一井内进行，通过隔板把井分成两部分，一部分是低压吸水区，一部分是高压回水区。同井回灌存在热贯通的可能性，应进行合理设计避免热贯通现象。
3.2 地下水地源热泵系统特点
地下水地源热泵系统主要包含5个特点[1]：
（1）该系统利用可再生能源的技术，节能环保效益显著;
（2）机组制冷和制热都处于高效运行，通常主机的制热性能系数为3.5～4.4，比空气源热泵系统节约23～44%的能量;
（3）该系统具有良好的经济性。根据北京市统计局信息咨询中心对采用地下水地源热泵技术的多个项目的冬季运行分析报告：63%的项目低于燃煤集中供热的价格;全部项目低于其他锅炉供暖。投资增量回收期约4～10年。
（4）由于地下水全年温度相当稳定，故主机能够持续平稳运行;
3.3 地下水地源热泵系统适用性
地下水地源热泵系统的适用性一般需要考虑两方面的因素 [2]。一是资源性条件，二是系统性条件。其中，资源性条件主要有水温地址因素、场地施工因素、社会经济因素、气象因素和环境保护因素。仅从资源性条件考虑，适合采用该系统的地区主要分布在我国东部，平原盆地及富水性较好的地区。而系统性条件主要指节能型、经济性和环保性。
3.4 地下水地源热泵系统设计流程
地下水地源热泵系统设计主要包含地质勘查设计和空调系统设计两大块。地质勘查与设计率先进行，包括水文地质条件论证，其中涉及到地下水水温、水质、水量的论证，同时水资源论证应经过专家审查和水务部门审批。根据工程所在地的地质条件设计热源井形式。无论采用何种回灌方式，必须确保回灌至同一含水层，不得造成地下水浪费及污染。如果不能100%回灌于同一含水层，会带来一系列的生态环境问题。空调系统设计主要包含建筑物内空调系统设计、水源热泵机组系统设计和地下换热系统设计。
3.5 地下水地源热泵系统存在的问题
主要存在四个方面的问题：一是回灌堵塞，此问题的主要解决包括回扬、预消毒和酸化等;二是腐蚀水质问题，为此需按规范要求设计合理的水处理工艺;三是井水泵功耗过高的问题。调查表明，不良设计中井水泵功耗可以占到系统总能耗的25%甚至更高，为此一般采用的措施包括采用变频泵、设计闭式系统，确保回水管在静水线以下等;四是运行管理方面的问题。
4、地表水地源热泵系统
4.1 地表水类型
地表水主要分为三种类型：一、流动水体：包括江、河、城市污水等;二、静止且水量较大的水体：包括海、湖、水库等;三、静止且水量较小的水体：包括水塘、水景、人造湖等。
4.2 地表水地源热泵类型
根据是否直接取用地表水，将地表水地源热泵系统分为开式系统和闭式系统。
4.3 地表水地源热泵系统特点
首先是它的节能性，相比于传统的冷热源系统，其节能优势明显，但总体而言系统效率低于地下水地源热泵系统;在经济性方面，开式地表水地源热泵系统的初投资是地源热泵空调系统中最低的;在稳定性方面，地表水温度一般随季度和水深变化，其特征类似于空气源热泵，故稳定性不如地下水地源热泵系统。 4.4 地表水地源热泵系统适用性
常规地表水地源热泵系统（不包括海水源和污水源），主要从能效、经济性和社会环境方面评价其适用性，比如机组是否能处于高效运行、系统的初投资、运行费用、水体是否存在污染等等，适宜地区主要分布在中南部地区[3]。
海水源热泵主要从资源条件，如海水温度和系统性条件来进行评价;污水源热泵系统主要从经济、能耗和环境三方面进行评价。
4.5 地表水地源热泵系统设计
主要讨论以下三个方面：一是水源勘测方面，主要包含水位、面积、流速、流量、水温、水质、用途等;二是水环境评估，系统设计前，应对系统运行对水环境的影响进行评估，减小地表水水体及其生态环境和行船等影响。在前期项目中，完成环境影响评价相对比较困难，对于流动的地表水，一般取水量小于总流量的20%;对于静止的地表水可以按面积指标进行估算。
5、土壤源热泵系统
5.1 土壤源热泵系统分类
根据埋管方式的不同，通常分为水平式埋管换热系统和竖直式埋管换热系统。
5.2 竖直埋管换热器形式
水平埋管换热器的形式和闭式地表水地源热泵系统类似。竖直埋管换热器最常见的有两种形式：双U和单U。虽然双U比单U的管长大了一倍，但是换热能力仅提高15%～20%。
5.3 两种埋管形式区别
水平埋管通常埋深为1.2～3.0m，每个水平沟内埋1～6支管。埋管成本相对较低，安装灵活，一般用于地表面积充裕的场合。
竖直埋管中浅埋一般为8～10m，深埋为33～180m。实际项目中通常埋管深度为23～92m。该方式管材耗量少，系统阻力小，由于埋深较深，因此受季节的影响小，但是初投资比较高。
实际项目中，应根据项目用途、所在地的地质条件等因素综合选择埋管方式。
5.4 土壤源热泵系统的优点和缺点
优点：蓄热性能良好;相比于传统的空气源熱泵，机组效率更高;无需除霜，没有结霜和融霜的能耗损失;运行费用低[4]。
缺点：长期运行，土壤的温度势必会受到波动，这种波动会影响热泵机组的性能;地下埋管换热器的性能受土壤的热物性参数的影响较大。计算表明，传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤的1/3;初投资高，仅地下埋管换热器的投资约占系统投资的20～30%。
5.5 土壤源热泵系统设计
土壤源热泵系统设计中主要有三个方面的问题：热物性测试、土壤热平衡和水力平衡。
岩土热物性测试是为地埋管地源热泵系统设计提供岩土基本热物参数（导热系数、比热容等）。目前国内外应用于工程中的岩土热物性测试方法是岩土热响应试验法[5]。
如果冬夏季取热和排热不平衡，地下土壤温度将过高过低，影响热泵机组效率和稳定性。地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算。计算周期内地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。为此，在夏热冬冷地区一般采用土壤源热泵+冷却塔的形式，寒冷和严寒地区采用土壤源热泵+太阳能的耦合系统。
水力平衡：地埋管各并联支路若长短不一，各支路将水力失调，短管路会承担更多冷热负荷，地下温升或温降更大，严重影响热泵机组效率。因此埋地管网尽可能采用并联同程布置。
结论：
为了降低用冷和用热的能耗，寻找更高效的制冷供热系统势在必行。在这样的背景下，地源热泵系统逐渐得到大力的应用。然而在应用过程中，暴露了诸多问题导致系统无法发挥其优势。故理清地源热泵系统的特点、经济性、适用条件等显得尤为重要，通过详细介绍所有地源热泵系统形式，得到如下结论：
（1）不同地源热泵形式的特点和适用性均不相同，设计时，需因地制宜，选择合理的形式，确保充分发挥系统优势;
（2）不同的系统在使用过程中均存在一定的问题，设计时应针对其问题配置合理的方案。
参考文献：
[1]马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用.第二版[M].北京：机械工业出版社，2013
[2]王贵玲，刘云，蔺文静等.我国地下水源热泵应用适宜性评价[A].见：2008年地温资源开发与地源热泵技术应用论坛.2008，19-26
[3]徐伟.“十一五”国家科技支撑计划项目研究课题——水源地源热泵高效应用关键技术研究与示范[J].建设科技，2010：42-45
[4]徐伟，刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建设科技.2013：26-33
[5]曾令文.中南丘陵地区地源热泵系统优化设计的模拟研究[D].湖南：湖南大学，2015
作者简介：
郭晓琴（1990-），女，湖北荆州人，武汉科技大学城市学院环工系助教，工学硕士，研究方向：建筑节能、通风空调。