任建兴，刘剑涛，马晓程，尤坤坤，杨涌文

(上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090)

地球内部蕴含着巨大的能量，地表以下10 m左右的土壤及地下水温度几乎不随季节的变化而变化，常年维持在18℃左右，在大多数地区，地下水温冬季比大气温度高，可作为低品位热源供暖使用，夏季比大气温度低，可作为冷源使用.

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有70%以上来自于地下，夏天制冷时，将建筑物中的热量传入地下所消耗的电力也非常少，因此地源热泵技术的应用，可以在一定程度上缓解我国的能源压力［1］.

1 地源热泵系统概述

1.1 地源热泵的原理

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，是人类每年利用能量的500多倍.它不受地域资源等限制，量大面广无处不在，这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁能源的一种形式.地源热泵能够充分利用地能，是一项可持续发展技术［2］.

地源热泵系统的核心设备是热泵机组，其理论基础是逆卡诺循环.地源热泵系统制冷时，可将浅层地下水或地表水作为散热体;供热时则将浅层地下水或地表水作为低温热源，通过消耗部分电能从低温热源中吸取热量，其供热量为消耗的电能与从低温热源中吸取的热量之和［3］.

1.2 地源热泵系统的组成

一般来说，地源热泵系统用来满足用户以下3种需求:冬季供暖、夏季制冷以及全年的生活热水，一套系统可以代替目前的空调和锅炉两种设备.地源热泵系统主要包括室外管网系统、热泵系统、室内末端系统以及控制系统.对于土壤源热泵，各个系统之间的换热介质主要有水-水和土-气两种.水-水型地源热泵技术出现较早，20世纪60～70年代就已经在欧洲地区得到广泛应用，它是利用浅层地下水中的热量作为低位热源，这种地源热泵系统一般用于地板辐射供暖;从20世纪80年代开始，某些地下水比较缺乏的地区渐渐研发出了一种利用土壤中热量的方法，这种地源热泵被称为土壤源热泵，其室内系统一般采用风机系统供应热风或者冷风.

地源热泵系统原理见图1.

图1 地源热泵系统原理

1.3 地源热泵的特点

(1)节约能源 地源热泵可以吸收低温热源中的热量并传输到高温处，因此从原理上来说，只要热泵的COP值大于1，这套系统就是节能的.实际上，市场上地源热泵的COP值大多数都在3或者4以上，这就意味着地源热泵系统的耗能低于输出能量的1/3，拥有非常可观的节能效果.通常，地源热泵每消耗1 kW的能量，用户可以得到4 kW以上的热量或3 kW以上的冷量，而锅炉供热只能将90%以上的电能或70%～90%的燃料内能转换为热量，因此地源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的燃料.另外，地源热泵的热源温度全年较为稳定，其性能要比空气源热泵高出40%左右［4］，其运行费用为普通中央空调的50% ～60%［5］.图2为地源热泵系统能量转换示意.

图2 地源热泵系统能量转换示意

(2)降低污染 与空气源热泵相比，地源热泵的污染物排放相当于减少了40%以下的排放量;与电供暖相比，相当于减少70%以下的排放量;可比燃煤锅炉减少30%的CO2的排放量［6］.同时其制冷剂的充注量约为常规空调的75%［7，8］.

(3)维护费用低 地源热泵系统运行部件比常规系统少，因而维护次数少，维护费用低;机组紧凑，空间节省;全电脑控制，性能稳定，可以电话遥控，可以进行温湿度控制和新风配送;系统安装在室内，不暴露在风雨中，可免遭损坏，更加可靠，使用寿命更长［9］.

(4)有效利用时间长 地源热泵系统可以满足夏季制冷和冬季供暖的需求，还可以供应四季的生活用热水，有效利用时间长.

(5)节省设备空间 地源热泵系统代替了原来的锅炉加空调的两套装置，系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省了建筑空间［10，11］.

(6)制热制冷系数较高 相比目前常用的空气源热泵，地源热泵的优越性较为明显.全年温度波动小，冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵.

2 地源热泵系统的应用前景

在欧洲许多国家，地源热泵得到了快速的应用和发展.在欧洲中部和北部，地源热泵的市场很大，由于其气候条件，主要用于供热，空调使用较少［12］.20世纪80年代到90年代初，美国开展了冷热联供地源热泵方面的研究［13］，取得了一系列研究成果并被大量应用到工程实践中.我国国土面积辽阔，经纬度跨幅大，大多数地区有供热及制冷需要，气候条件与美国相似，因此美国在地源热泵方面的经验对我国发展可再生能源技术有着重要的借鉴意义.

在我国，地源热泵的研究始于20世纪80年代，最初的工作主要是适用性分析，对系统本身的研究较少，实际应用几乎没有;97年以来与美国签订了一系列合作条约，在美国的帮助下开始在华东地区建成了地源热泵示范工程.目前，地源热泵在我国华北、东北、西北、南方以及西藏高原都有应用.我国地源热泵技术的研发工作主要集中在适用性分析、对环境影响的评价、系统节能优化设计，以及地源热泵系统检测技术等方面，已逐步同国际接轨.

3 地源热泵系统的应用方式

3.1 地源热泵加太阳能集热器系统

地源热泵加太阳能集热器系统原理如图3所示.

图3 地源热泵加太阳能集热器系统原理

随着季节的变化，该系统的工作模式需经历直接供冷模式、地源热泵制冷模式、蓄热工作模式、直接供热模式和地源热泵制热模式5个阶段.初夏时，由于气温不是太高，冷量的需求不大，同时土壤在经历一个冬季的抽热后温度很低，此时可以采用地下埋管中的液体循环方式直接对用户供冷;盛夏时冷量需求增大，地源热泵机组投入运行;夏末秋初，系统基本没有制冷任务，热水消耗量也不大，为了冬季供热需要，将太阳能集热器的热水打入地下进行蓄热;深秋或初冬季节开始供热时，由于经过了一个秋季的地下蓄热，土壤温度较高，此时可以利用土壤热源直接供热;直接供热一段时间后用户的需热量逐渐到达峰值，此时将地源热泵机组投入运行.在冬季太阳能有两个作用:一是供应热水;二是给地下土壤补充能量［14］.

地源热泵和太阳能集热器在不同季节的功能转换，可以通过控制夏季阀门和冬季阀门开关实现.

3.2 地源热泵空调加生活热水系统

地源热泵空调加生活热水系统原理见图4.

图4 地源热泵空调加生活热水系统原理

在夏季制冷时，常规的地源热泵系统机组的冷凝热被直接排放，造成了一定的能源浪费.而在该系统中，冷凝热被用来加热生活用水，若其温度未达到用户需求，可以采用其他途径，如电加热器，进一步加热热水，可以节约相当一部分能量.冬季时使用热泵循环水加热生活用水并供暖.春秋季节既无制冷又无供暖需求时，热源热泵机组可以全部用来制造生活热水.

3.3 地源热泵加冰蓄冷系统

地源热泵加冰蓄冷系统原理如图5所示.

图5 地源热泵加冰蓄冷系统原理

该系统的设计主要是从经济性方面来考虑的.由于我国夜间电价较低，因此夏季晚上可以通过制冷机组将冷量储存在蓄冰系统中［15］，白天用电高峰时段，用储存的冷量来供应全部或部分空调负荷，少开或不开制冷机，这对城市电网具有明显的“移峰填谷”作用，社会效益显著［16］;用户侧的生活热水可通过机组自带的热回收模块制取，未用掉的热水可在蓄水箱蓄存，若热水量不够，则采用电加热方式补充热水供应［17］.该方案可减少地下换热器的一次性投资费用，避免冬夏土壤的热不平衡;同时系统效率高，运行费用低;但由于增加了冰蓄冷装置，系统控制较复杂.

4 地源热泵地下埋管系统的设计

全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域土壤温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率.因此，地埋管换热系统设计应考虑全年冷热负荷的影响［18］.本文以土壤源热泵，采用竖直双U形管埋管为例进行分析.

4.1 地下换热量计算

地下换热量为:

式中:Ql——夏季向土壤排放的热量，kW;

QL—— 夏季设计总冷负荷，kW;

Qr—— 冬季从土壤吸收的热量，kW;

QR——冬季设计总热负荷，kW;

REE——设计工况下水源热泵机组的制冷系数;

PCO——设计工况下水源热泵机组的供热系数.

4.2 确定竖井埋管管长

双U管管长为:

式中:L——竖井埋管总长，m.

4.3 确定竖井数目及间距

根据国外经验，竖井深度H多取50～100 m，间距多取4～6 m，确定H值后可计算出竖井总数为:

5 结论

(1)我国幅员辽阔，各地接收太阳辐射能量巨大，在地源热泵的推广应用上具有得天独厚的优势，地源热泵系统有助于改善我国以煤为主的能源结构;

(2)地源热泵经过几十年的研究与应用，技术上已经很成熟，已开发出了多种与其他可再生能源共同使用的系统，大大提高了地源热泵系统应用的灵活性，因此地源热泵将在能源结构中占据越来越大的比重.

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