地源热泵供暖供冷浅析

以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分:室外地源换热系统、地源热泵主机系统和室内末端系统。

(1)地源热泵技术属可再生能源利用技术。由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。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，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、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的可再生能源一种形式。

(2)地源热泵属经济有效的节能技术。其地源热泵的COP值达到了4以上，也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量。

(3)地源热泵环境效益显著。其装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

(4)地源热泵一机多用，应用范围广。地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖。

(5)地源热泵空调系统维护费用低。地源热泵的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，机组紧凑、节省空间;自动控制程度高，可无人值守。

由以上的特点可以看出，地源热泵技术以后可得到广泛的应用。

根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为埋管式地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵。

埋管式地源热泵系统分为开式和闭式两种。

开式系统:

开式系统是指地表水在循环泵的驱动下，经过处理直接流经水源热泵机组或者通过中间换热器进行热交换的系统。

闭式系统:

是在深埋于地下的封闭塑料管内，注入防冻液，通过换热器与水或土壤交换能量的封闭系统。闭式系统不受地下水位、水质等因素影响。

1、垂直埋管--深层土壤

垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50-150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液(塑料管中是水，水中的防冻液根据当地气候条件决定加多少)将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。垂直埋管是地源热泵系统的主要方式，得到各个国家的政府部门大力支持。

2、水平埋管--大地表层 在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。

地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用的500倍还多(地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量);它又是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的平衡，地源热泵技术的成功使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为现实。如果实行冬夏连用，地源热泵的系统将具有更高的稳定性(土壤越深中间存在的空气含量越低，受地面温度影响越小)，能够实现理论上的可再生。

地源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为12-22℃，温度比环境空气温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高;土壤或水体温度夏季为18-32℃，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大大提高，可以节约30--40%的供热制冷空调的运行费用，1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。

与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70~90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量;由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10~25℃，其制冷、制热系数可达3.5~4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50~60%。因此，近十几年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

表一:

地源热泵与其它加热方式相比的能源消耗情况比较:

比较后可得出地源热泵是所有加热方式中最节约能源的。

表二:地源热泵空调系统与传统的中央空调系统各方面的特点相比:

地源热泵空调系统在各方面都比传统空调系统表现优秀。

表三:300平米别墅，供暖季供暖和生活热水运行费用与其它供暖方式相比:

注:表三研究对象为北京的一套高档别墅，面积为300平米。各种价格参数取自市政府相关部门发布的《2004年度北京能源利用报告》，以及《2006年度北京能源利用报告》，2个年度的能源价格变动较大。本表按用户每天运行15小时，一个采暖季计算。

环境和经济效益显著

地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上;与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%。

一机多用，应用广泛

地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

维护费用低并可无人值守

地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，其系统不是埋在地下就是安装在室内，不暴露在风雨中，机组紧凑、节省空间，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。自动控制程度高，可无人值守、远程管理，无需雇佣人员看管。

污染小

地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少38%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排节能减排是减少能源浪费和降低废气排放更多。

维护简单

地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。

寿命长

地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年,要比普通空调高35年使用寿命。

维持生态环境平衡

地源热泵夏天把室内的热量排到地下，冬天把地下的热量取出来供室内使用，相对来说，向环境排放更少的能量，维持生态环境的平衡。

节省空间

没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。

地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的"绿色空调"。被认为是可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。

在自然界中，水总是由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。人们可以用水泵把水从低处抽到高处，实现水由低处向高处流动，热泵同样可以把热量从低温传递到高温。

所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。

地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术，地源热泵只是在大地和室内之间"转移"能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。

在冬天，1千瓦的电力，将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。在夏天，过程相反，室内的热量被热泵转移到土壤或水中，使室内得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复始，将建筑空间和大自然联成一体。以最小的低价获取了最舒适的生活环境。

热泵机组装置主要有:压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质(制冷剂或冷媒)不断完成:蒸发(吸取环境中的热量) →压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。 压缩机(Compressor):起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵(制冷)系统的心脏; 蒸发器(Evaporator):是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的; 冷凝器(Condenser):是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的; 膨胀阀(Expansion Valve)或节流阀(Throttle):对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。 根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功(电能)起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。

热泵是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中吸热，此时从环境取热的对象称为热源;相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。

蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。 热泵根据与环境换热介质的不同，可分为:水-水式，水-空气式，空气-水式，和空气-空气式共四类。 利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，普通空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下、新出了一款超低温空气源热泵专门针对华北地区的，超低温空气源热泵稳定性好，效率高，具有高效除霜功能。 利用水或地热作冷热源的热泵，称之为地源热泵。水和地热是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般地源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但地源热泵的应用常受到水源或地热的限制。

地源热泵系统按其循环形式可分为:闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。对于闭式循环系统，大部分地下换热器是封闭循环，所用管道为高密度聚乙烯管。管道可以通过垂直井埋入地下150-200英尺深，或水平埋入地下4-6英尺处，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流体从地下抽取热量，带入建筑物中，而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存;对于开式循环系统，其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源，在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后，水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点;对于混合循环系统,地下换热器一般按热负荷来计算，夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。

工作原理

地源热泵则是利用水与地能(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量"取"出来，供给室内采暖，此时地能为"热源";夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为"冷源"。

图1为开式地源热泵系统。图2为冬季地源热泵供暖原理图。

空气源 水源 土壤源

1.埋管式地源热泵

水平式地源热泵

通过水平埋置于地表面2~4M以下的闭合换热系统，它与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。该系统初投资和施工难度相对较小，但占地面积较大。

垂直式地源热泵

通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M~400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如别墅和写字楼等。该系统初投资较高，施工难度相对较大，但占地面积较小。

2.地表水式地源热泵

地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。它利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。

3.地下水式地源热泵

地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。

地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于独立热计量要求。

将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空气热交换器，以13℃以下的冷风的形式为房供冷。

在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。地源热泵将地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。

美国(The United States) 1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波特兰市中心区安装成功。

1973年，美国阿克拉荷马大厦安装了地源热泵空调系统，并且进行全面的系统研究。

1978年，美国能源部(DOE)开始对地源热泵投入了大量的科技研发基金。

1979年，美国阿克拉荷马州能源部成立了地源热泵系统科技研发基金会。

1987年，国际地源热泵协会(IGSHPA)在阿克拉荷马州大学成立。

1988年，美国俄克拉荷马商务部开始对地源热泵进行商务推广。

1993年，美国环保署(EPA)大力宣传地源热泵系统，加深美国民众对地源热泵的认识。

1994年，美国政府第一套地源热泵空调系统在俄勒冈州国会大学安装，地源热泵从此在美国政府，军队，电力公司等得到了大量应用。

1998年，美国环保署(EPA)颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国总统布什在他的得克薪斯州宅邸中也安装了地源热泵空调系统。 全球75%的地源热泵系统安装在北美地区。

美国:是世界上地源热泵生产、使用和发展的头号大国，

1985年:美国安装的地源热泵为14,000台;

1997年:45,000台;

2000年:400,000台;

2004年:670,000台;

2005年:1,000,000台。

加拿大:2005年地源热泵系统新增比例增加了50%。

瑞士、挪威:是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，应用比例高达96%。

奥地利:应用比例为45%。

丹麦:应用比例为35%。

日本:是亚洲地源热泵技术最先进，使用比例最高的国家。

中国(China) 1997年，美国能源部(DOE)和中国科技部签署了《中美能效与可再生能源合作议定书》，其中主要内容之一是"地源热泵"项目的合作。

1998年，国内重庆建筑大学、青岛建工学院、湖南大学、同济大学等数家大学开始建立了地源热泵实验台，对地源热泵技术进行研究。

2006年，1月，国家建设部颁布《地源热泵系统工程技术规范国家标准》。

2006年，9月，沈阳被国家建设部确定为地源热泵技术推广试点城市，到2010年底，实现全市地源热泵技术应用面积约占供暖总面积的1/3。

2006年，12月，建设部发布文件《"十一五"重点推广技术领域》。作为新型高效，可再生能源新技术的水源热泵技术被列入目录。

地源热泵是一种利用地球表面浅层水源(地下水、海水、河水和湖水等)或地下土壤热源的低品位热源，通过热泵、制冷循环，制取冷量供夏天空调使用、制取热量供冬天取暖使用。

地源热泵制热要比常规的电制热或燃油、燃气制热经济，通常制取相同的热量，地源热泵的耗电量只有电热耗电量的1/4到1/5。因此，地源热泵市场广阔。

"十二五"期间，中国预计将完成地源热泵供暖(制冷)面积3.5亿平方米左右，届时整个地热能开发利用的市场规模总计将超过700亿元。

能源局等4部委发布促进地热能开发利用指导意见〔2013〕48 号

到2015年，基本查清全国地热能资源情况和分布特点，建立国家地热能资源数据和信息服务体系。全国地热供暖面积达到5 亿平方米，地热发电装机容量达到10万千瓦，地热能年利用量达到2000万吨标准煤，形成地热能资源评价、开发利用技术、关键设备制造、产业服务等比较完整的产业体系。

到2020年，地热能开发利用量达到5000万吨标准煤，形成完善的地热能开发利用技术和产业体系。

应用弊端与选择

地源热泵的技术最大不足是"冷热失衡"的问题。南方地区以供冷为主，常年向地下转移热量;而北方地区冬季供暖需求大，从土壤中大量吸收热量。一般运行五到七年后，设施浅层地表由于冷热使用失衡，导致地下蓄能偏冷或偏热。常年制冷量大的区域，地下蓄能温度偏高;供暖利用率大的区域，蓄能温度偏低，从而导致系统温差小，换热效率降低，从而降低了设备效率，同时影响周围生态结构。

因此，地源热泵应用受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响;一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同;采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约;打井埋管受场地限制比较大，必须有足够的面积用于打井和埋管;设计及运行中对全年冷热平衡有较大要求，要做到夏季往地下排放的热量与冬季从地下取用的热量大体平衡。

《水源热泵机组》GB/T19409-2003

《蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组工商业用和类似用途的冷水(热泵)机组》GB/T18430.1-2001

《制冷和供热用机械制冷系统安全要求》GB9237-2001

《冷水机组能效限定值及能源效率等级》GB19577-2004

《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012

《室外给水设计规范》GB50013

《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2009

《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101

《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268

《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243