地源熱泵技術進展及其應用分析

李鳳鑫 孫雪振

摘 要：本文介紹了地源熱泵技術的性能特點，重點指出其在發展應用過程中地源熱泵技術中存在的局限，總結了目前地源熱泵研究工作的主要方向，并對工程應用前景進行展望。

關鍵詞：地源熱泵；性能特點；技術進展；工程應用

1.地源熱泵的相關概述

地源熱泵（Ground- source heat pump）是一種高效節能的空調系統，它通過利用地下淺層中儲存的地熱資源（即地能），來實現供熱和制冷。地源熱泵的高效性在于可以通過輸入少量的高品位能源，來實現低溫位熱能向高溫位熱能轉移，。冬季，在熱泵供暖時地能做為熱源，熱泵把地下淺層中的地能轉移到工質中，實現高溫供暖；夏季，在制冷時地能做為冷源，室內的熱量通過轉移到工質中釋放到大地。

早在1912年瑞士專家H.Zoe11y就開始進行土壤熱泵技術的研究工作，而地下埋管的研究工作真正開始時間卻是1946年，故地源熱泵的應用研究是二戰結束以后的事情。在二十世紀五十年代初，英國首先安裝了住宅供暖的地源熱泵，從此揭開了地源熱泵系統運用的序幕。1973年，爆發能源危機后，做為一種高效節能的新能源技術，地源熱泵技術的研究開始出現在歐美等國。二十世紀九十年代后期，我國相關領域的專家學者開始進行地源熱泵技術工作的研究，取得了一定的成績，而與美國、歐洲、日本等發達國家地區相比，研究深度不夠，推廣運用僅僅限于部分示范地區。

2.地源熱泵的優、缺點與應用分析

我國有相當豐厚的地表水資源，在熱泵系統中作為低溫熱源，可獲得可觀的經濟效益。地源熱泵系統和傳統鍋爐、中央空調等設備相比有如下優點：

1.能源利用率高：地源熱泵與電、熱鍋爐加熱相比節約66%以上的能量，與燃料鍋爐相比節約50%以上的能量；其制冷、制熱系數在4.0左右，與空氣源熱泵相比高出40%，故能量利用率得到了大幅度的提高；

2.一機多用，結構簡單：地源熱泵既能實現供暖又可實現制冷兩種工況，同時不需要冷卻塔，鍋爐房等設備，既節約了設備投資，又可以減少占地面積；

3.可以實現零污染：在工作過程中不產生排放“三廢”，同時沒有余熱排向環境，被譽為“二十一世紀最具有發展前途的綠色空調技術”；

4.運行可靠：地源熱泵系統與常規鍋爐、中央空調系統相比，結構相當簡單，運動部件比較少，系統并不暴露在外，免遭風雨侵蝕，因此可以減少維護，使用壽命相對較長；

雖然地源熱泵有如此多的優點，但是在實際應用也暴露出了種種不足，做為技術開發研究人員，要敢于面對存在的缺陷并解決種種弊端，這也是研究工作的重要意義。在實際應用中存在的缺陷主要有：

1.觀念轉變問題：由于我國地大物博，能源存儲量較大，雖然能源平均分配量較少，但是由于城市發展不協調，再加上近些年來，鋼鐵煤炭等產業產能過剩，致使一些地區人們的節能環保觀念不夠強，缺乏對新型節能技術的主動性，所以此類技術并未普遍推廣；

2.初步投資成本：與傳統鍋爐、中央空調等設備相比，雖然運行可靠，運行費用低，但是初步安裝時，費用偏高；

3.地理局限性：我國的地熱資源高溫地區主要在云南、四川西部和西藏南部。不同地區土壤的熱物性和氣候條件并不相同，所以有關地源熱泵的技術并不是普遍適用的；

4.熱堆積和冷堆積問題：在熱泵運行過程中冷熱負荷不平衡問題對系統的效率影響較大，也是地源熱泵系統應用的關鍵技術難題，在一定程度上此問題影響熱泵的推廣。

目前地源熱泵種類較多，大致有如下四種：垂直式地源熱泵、水平式地源熱泵、地下水式地源熱泵、地表水式地源熱泵。就目前我們國家來說，技術比較成熟的，在工程項目中運用最多的還是地下水式熱泵系統。我國國內已經有三十多家廠家生產水源熱泵機組，但是由于生產技術標準并未統一，導致生產的產品與實際應用中的產品質量存在較大差異。

3.地源熱泵的研究工作

目前各國都十分重視對這一新型節能技術工作的研究，研究工作主要集中在以下幾個方面：

1.夏季時瞬態工況數值模擬的研究；

2.地源熱泵埋管換熱器傳熱模型和性能測試；

3.地源熱泵空調系統制冷工質優化研究；

4.地源熱泵的運行特性的研究；

5.土壤熱物性及其導熱系數的研究；

6.新型地源熱泵系統的研發；

7.土壤熱交換器性能的研究；

8.地源熱泵裝置和部件的仿真模擬的研究；

9.與其他能源如風能、水利能等能源的聯合研究等等；

我國的能源消耗和能源生產在世界各國中名列前茅，由于歷史原因我國在能源利用研究上起步較晚，與其他大國相比能源結構不夠合理，能源利用率相當低。地源熱泵技術在國外已經相當成熟，并廣泛運用于各個領域。我國的專家學者也在積極研究推廣該項技術，目前沈陽、北京等城市是我國地源熱泵技術推廣示范性城市，而其他地區發展滯后。

4.結束語

在地源熱泵技術的推廣應用中， 雖然還有很多問題亟待解決， 但由于地源熱泵以其綠色環保和高效節能等特點， 已成為本世紀最有發展前途的新技術。與傳統熱爐、電爐、中央空調等相比，它的經濟效益是競爭力的決定性要素， 通過國家政策引導和適當補助， 可以大幅度提高地源熱泵的經濟性和市場競爭力。我國地域遼闊，土壤熱能十分豐富，可以預見在我國提倡可持續發展戰略背景下，地源熱泵技術在21世紀前景廣闊。

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作者簡介：

第一作者：李鳳鑫（1998.12-），男 ，漢族，學生，河南商丘，單位：鄭州輕工業學院分院濟源職業技術學院，專業：建筑環境與能源應用工程，研究方向：強化傳熱及其節能減排技術

第二作者：孫雪振（1993.10-），男，漢族，學生，河南商丘，單位：鄭州大學化工與能源學院，專業：化工過程機械