房海涛

（太原铁路局太原房建段，山西 太原 030045）

地源热泵系统在世界范围内为人们提供了新的清洁可再生能源。通过使用环境中的免费能源，不仅降低了消耗投资，而且减少了对石化燃料的依赖程度，节能环保效果显著[1]。国家建设部提出的各地在建设可再生能源方面要抓好的6个方面工作中，第2项就是地源热泵系统在建筑中的推广应用[2]。地源热泵系统受到越来越多的关注，其优势十分明显，推广应用的前景非常广阔。

1 地源热泵系统的定义、类型、组成及工作原理

1.1 定义

地源热泵系统（通常还被称为地能系统、地缘系统或地热热泵系统等）是以地源能（土壤、地下水、地表水、低温地热水）作为热源或热汇，实现制冷、采暖以及提供生活热水的空调系统。

1.2 类型

根据文献对地源热泵系统的分类，可分为土壤源耦合式热泵系统（又称为闭环地源热泵、地埋管地源热泵系统等）、地下水热泵系统和地表水热泵系统3类。

1.3 组成

地源热泵系统主要由室外地热能交换系统、水源热泵机组和室内空调末端系统3个部分组成。

1.4 工作原理

为方便介绍地源热泵系统的工作原理，下面以地埋管地源热泵系统为例进行阐述。热泵机组采用的是水—空气水源热泵机组。

1.4.1 夏季制冷工况工作原理

在夏季，水源热泵机组做制冷运行。循环的结果是土壤作为热汇，通过地埋管换热器，不断吸收由水源热泵机组从室内取出的多余热量。具体过程为：通过压缩机的作用，冷凝器中的制冷剂把压缩机做功所转化的热量以及蒸发器中制冷剂从空调房间内吸收的热量一起“搬运”至地埋管换热器中的换热介质（水或防冻水溶液），再在循环水泵的作用下，利用地埋管换热器将这些热量传递给土壤。

1.4.2 冬季制热工况工作原理

在冬季，水源热泵机组做制热运行。循环的结果是土壤作为热源，通过埋地管换热器，不断地向室内转移热量。具体过程为：换向阀换向使得埋地管换热器中的换热介质从土壤中吸收热量，并将传递给蒸发器中的制冷剂，在冷凝器中，通过压缩机的作用，制冷剂将所吸收的热量和压缩机耗功所转化的热量一起转移到室内。

2 地源热泵系统的推广优势

2.1 传统的空气源热泵优、缺点

我国目前大量使用的热泵仍然是空气源热泵，环境中的空气作为冷热源，虽然取之不尽，但随季节、昼夜变化而波动，会导致热泵机组无法稳定运行。在夏季，大气温度高时，迫切需要制冷空调，但大气温度的升高影响着冷凝器向大气环境的排热效果，在特殊情况下，制冷机组甚至都无法起动[4]。在冬季，由于环境温度低，蒸发器难以从环境得热，会出现融霜的现象。

虽然空气源热泵具有投资低、系统的制造、安装和使用简单方便、使用不受限制等优点。但缺点也很多，如冬季融霜、噪声污染大、低性能系数、能耗较大、无存贮效应、须辅助加热等。

2.2 地源热泵系统的推广优势

随着在世界范围内日益突出的环境和能源问题，人们更加重视利用可再生能源的地源热泵，地源热泵的研究和应用发展更加迅速，全球范围内地源热泵装机容量连续地增长，年增长率达10%～30%，且应用范围日益扩大[4]。

地源热泵与传统空调技术和能源利用技术相比，无论是在技术、经济还是应用前景方面，优势都十分明显，主要表现在以下9个方面。

2.2.1 属于清洁、可再生能源利用技术

地源热泵利用地球表面浅层地热资源作为冷热源，而这些地表浅层的地热能量占到了太阳辐射到地球能量的47%，这相当于人类每年使用能量的500多倍，是一种近乎取之不尽的清洁、可再生能源。

2.2.2 节能、经济有效

地表浅层地热资源（通常不超过400 m深）是很好的热泵冷热源，因为它的温度随环境温度约等于年平均气温，昼夜、四季波动小，相对稳定，而且夏季时候低于环境空气温度，冬季高于环境温度空气。因此，热泵机组能更可靠、更稳定地运行，系统运行的高效性和经济性得到了保障。这种特性还使得地源热泵系统比空气源空调系统运行效率高40%，节能和节省运行费用40%左右[3]。根据美国环境保护署的资料显示，地源热泵在适宜的热源条件下比空气源热泵系统节能（和相应的污染排放量）44%，而与住宅电采暖和标准空气源空调设备组成的系统相比，节能72%[5]。

2.2.3 环境效益显著

首先，在污染物排放方面，节能减排效果非常明显。地源热泵比传统空气源热泵减排至少40%，比纯电供暖减排70%以上。如果与太阳能、风能、工业余热等能源措施结合，节能减排效果将更明显。其次，与传统空调机组相比可减少50%的制冷剂充灌量。通过改善热泵性能，降低工质泄露与使用新工质，推广其应用可降低电力消耗、缓解热岛现象[5]。此外，该装置属于自含式系统，大大降低了制冷剂泄漏的可能性，而且系统运行起来不会产生废弃物，无任何污染，热量输送方便，可直接建在居民区内。最后，地源热泵还具有噪声污染小，对住宅等建筑周围环境影响小的优点。

2.2.4 应用场合广泛、功能多样

不管是在北方严寒地区还是在南方热带地区都可采用地源热泵系统，一机多用，一套系统即相当于传统的制冷空调、供热锅炉和生活热水加热3套装置或系统。地源热泵系统不仅能够为办公楼、学校、宾馆、医院、车站、机场、超市、别墅、居民小区等各种用途的建筑提供供暖和空调，还可以在夏季免费提供生活热水，冬季获得热水的费用也可节省一半[5]。此外，还可应用于路桥除冰融雪、体育场的草坪加热等。

2.2.5 运行和维护费用低

地源热泵系统的高效节能特点使得它的运行费用低，比其他各种采暖和制冷设备节能30%～70%，而且系统的使用寿命在25年以上，折旧费和维修费也大大低于传统空调[4]。此外，地源热泵机械部件少、维护工作量少、系统自控程度高，可实现无人值守。根据美国地源热泵协会的研究，平均维护费用约为传统系统的三分之一[5]。

2.2.6 能全年满足温、湿度要求

地源热泵系统机组不受外管网的影响，可独立控制供热和制冷的时间，能全年满足温、湿度要求，特别适合像医院这样有特殊要求的建筑物。

2.2.7 设计灵活多样、特性明显

地源热泵系统在设计上可实现灵活多样，既可以安装在新建筑中，也可用于既有建筑的改造。此外，形式上可以利用单一的地源系统，还可以与工业余热、太阳能系统、风能系统等结合，成为混合型热源系统。机房占地更少，可直接利用建筑中现存管路，实现同时供暖和制冷而不需要四管系统。

2.2.8 系统可靠耐用，运行灵活

地源热泵系统的自动控制水平很高，随着负荷及用户要求，系统变负荷能力强，易于管理。此外，地源热泵运行部件相对较少，且都安装于室内或埋于地下，避免了室外与恶劣环境的直接接触，机组耐用，系统可靠性高。地下管路寿命可达25～50年，地源热泵机组本身寿命至少在20年以上[5]。

2.2.9 改善了建筑外观和造型

传统的空调系统换热器须置于室外环境中，会破坏建筑的外观，而地源热泵系统的换热器埋于地下，且远离主建筑物，而且地源热泵系统通常没有室外压缩机和冷却塔，从而改善了建筑外观和造型。

3 地源热泵系统推广应用所面临的问题

3.1 观念方面

由于传统空调和能源利用技术相对成熟，人们在选择地源热泵时担心技术有风险，地源热泵系统的推广面临阻力。此外，政府（能源和环保部门）对地源热泵的技术优势、认识水平和节能意识有待提高。从世界各发达国家几十年的地源热泵发展经验看，只有政府把地源热泵的应用纳入节能减排、能源应用、环境保护政策，当地的电力部门能认识到地源热泵对削减电网尖峰负荷的作用时，地源热泵才能得到蓬勃发展[5]。

3.2 环境影响方面

目前，地下水回灌技术尚不成熟，势必影响到地下水热泵系统的进一步推广。此外，土壤源热泵系统因需要钻井，必然会影响到土壤的热、湿及盐分迁移。因此，须做进一步的研究和论证，采取措施减小对环境的不利影响。

3.3 设计安装方面

3.3.1 与其他技术的配合存在困难

地源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术结合的综合技术，两者缺一不可，这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调，做好充分的技术、经济分析[4]。

3.3.2 设计、安装不恰当

地源热泵系统往往因为设计和安装不恰当，导致无法发挥最大优势，甚至会出现技术经济性能不佳、事故频发等情况，这就要求设计和施工人员必须训练有素，经验丰富。

3.4 经济、效益方面

3.4.1 较高的初始投资

由于钻井费用可占到整个地源热泵系统投资的近50%，投资者对于系统的投资回收期认识不够，最终可能会选择传统的空调形式。

3.4.2 较高的安装维护费用

目前地源热泵系统的安装费较高，与电制冷、天然气加热系统的1 kW·h 130～270元相比，地源热泵的1 kW·h 190～310元显然是高的；它的回收期一般为5～8年[4]。地源热泵系统的维护较为困难，推广应用会受到影响。

3.5 政策、措施方面

3.5.1 政策、科研和财政方面的支持力度有待提高

无论是研究开发、技术咨询、标准制定、制造安装，还是人员培训和售后服务等，政府、科研机构和企业在每个环节的支持力度都至关重要。

3.5.2 缺乏规范和标准，政策和措施有待完善

目前，我国缺乏相应的规范和标准，设计单位通常不会采用地源热泵技术，政府在政策导引、激励和强制措施等方面还需做更多努力。一些成功推广了地源热泵技术的国家采取的激励办法和强制措施有：资金补贴、税收优惠、技术宣传、咨询和服务、电价优惠、标准和规范强制等[4]。

3.6 实际应用方面

3.6.1 受到地域和土壤特性的限制

土壤特性受地域变化影响大，同一研究成果可能在不同的地方就完全不适用，必须进行修正甚至重新研究。此外，还可能会受到地下水资源的制约。

3.6.2 受到电力资源的影响

地源热泵主要采用的是电力驱动的热泵，当地电力资源是否充裕、电力价格是否经济合理等都成为制约其推广应用的一个重要因素。

4 推广地源热泵技术的相关建议

①从理论和实践上对地源热泵技术（主要包括经济、技术、环境等方面）进行全面、科学、权威的评价和论证，以利于相关使用决策。②制定鼓励使用地源热泵技术的激励措施。包括给予研制者科研经费补贴，减免可再生能源技术和设备提供商营业税，给予地源热泵等新能源技术使用者减免税收、贴息贷款等激励措施。还可尝试奖励节能减排、征收碳排放税等措施。③在政策上进行合理的制度改革，合理规划和安排包括地热能在内的可再生能源使用范围，给予新型可再生能源应有的地位。④尽快制定和完善相应的规范和标准，使地源热泵技术的推广应用有规范、标准可依。⑤进一步完善理论研究、制造安装、人员培训、技术咨询、售后服务等方面的体系。⑥对于政府投资工程，可强制使用技术比较成熟的地源热泵等新能源技术。

5 结束语

发展地源热泵技术是调整和改变我国能源结构和能源消耗的有效途径。目前，我国地源热泵应用发展迅速，随着相关技术和措施的不断完善，地源热泵系统的推广应用必将为可再生能源的利用进一步开拓新的空间，具有十分广阔的发展空间。

[1]Kadir Bakirci.Evaluation of the performance of a groundsource heat-pump system with series GHE(ground heat exchanger)in the cold climate region[J].Energy，2010，35:3088-3096.

[2]申洁.地源热泵系统的工作原理和特点及应用[J].山西建筑，2010（10）：187-188.

[3]蒋能照，刘道平，等.水源地源水环热泵空调技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4]赵军，戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.