地源热泵技术分析及其发展

 摘要：本文从地源热泵的发展，介绍了它具有低能耗、对环境影响小、应用范围广、运行和维护费用低、节省空间等特点，阐述了地源热泵技术的运行过程并分析了在节能上的优势，因此说地源热泵地源热泵技术发展与推广既能为经济发展服务，又能保护环境，是一个一举两得的选择。 

　关键字：地源热泵 发展 前景 

　　中图分类号：P754.1 文献标识码：A 文章编号： 

　　引言：随着全球性能源危机不断加剧环境不断的恶化,各国发展的主题也就随之发生了变化，节能和环保成为世界发展的主题，可再生能源的利用以及开发受到了广泛的关注。地源热泵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得到了广泛发展。 

　　一、浅层地能开发利用的发展趋势 

　　浅层地能是以间接利用太阳能为主的清洁可再生能源，绝大部分蕴含于地表以下数百米内相对恒温层中的土壤、砂岩中，常年维持在15－20℃左右。浅层地能属于低位能，最适合应用于满足人类供暖（冷）的需求等低温用能领域。而且它的开发利用程度与浅层地能采集技术的成熟程度具有很大关系，可以说，浅层地能的采集技术是制约浅层地能大规模开发利用的瓶颈。 

　　从上个世纪开始，浅层地能的利用是以传统的抽水井方式获取地下水中的能量（即水源热泵系统）为建筑物供暖（冷）。这种技术是直接利用地下水，具有较高的换热效率,每米进尺能获得约700kW热量，但是地下水中所蕴涵的能量一般不到浅层地能的10%，因此这种利用方法只能利用少量浅层地能，换热量取决于地下水量的大小，而且利用之后不能有效再生，只能排放或回灌，并且由于大量地下水的宏观移动带来了诸如：移砂、阻塞、交叉污染和破坏地下水的自然分布等问题，对生态环境造成破坏等潜在的安全稳定性问题，使这种浅层地能的开发利用受到很大制约，导致在一些国家开始限制此种浅层地能利用方式，浅层地能的开发利用曾一度停滞。 

　　为了克服抽水井技术的安全稳定性问题，人类开发出地埋管浅层地能利用技术——地源热泵技术（也称土壤源热泵技术），这种技术完全依靠充注于地埋管中的液体通过管壁与土壤换热，换热量取决于管壁与土壤的换热强度及管壁面积，属于传导换热，因此地埋管技术的效率与抽水井技术相比，每米进尺约5kW左右，但是这种技术安全稳定性很好，很快得到应用和推广。 

　　二、地源热泵的特点 

　　1. 属可再生能源利用技术 

　　地表浅层地热资源可以称之为地能（Earth Energy），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. 属经济有效的节能技术 

　　地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。 

　　3. 环境效益显著 

　　地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25％的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该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. 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。 

　　5. 地源热泵系统综合能源投资少 

　　若单指机房造价，地源热泵供暖系统要高于传统供暖方式，但是传统供暖方式中隐含了国家大量财政投入，包括一次能源开采、燃料运输、二次能源建设、热力管网建设、固态废弃物处理、气态污染物治理等许多间接费用，而且是异地使用 

　　而地源热泵系统的能量采集与能量使用是同时同地完成。 

　　6. 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。 

　　三、地源热泵技术的运行过程 

　　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。 

　　四、地源热泵的推广前景 

　　我国的地源热泵事业近几十年已开始推广，而且发展势头看好。天津大学、清华大学分别与有关企业结成产学研联合体开发出中国品牌的地源热泵系统，已建成数个示范工程，越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。政府和社会切实意识到日益增加的环境压力和环境资源的稀缺性、认识到不保护环境资源经济根本无法实现发展、认识到环境保护对于生活质量的提高和未来的发展具有重要意义这一大的社会发展趋势下，地源热泵系统在浅层地能开发利用领域内的强大竞争优势加快浅层地能的推广应用，具有广阔的发展空间，因此可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。截止1985年全国共有14，000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10％的速度稳步增长。 

　　小结：我们有理由相信，在充分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，在各级政府的有力支持下，中国的科技界与企业界携手共进，依靠自己的力量完全有能力在不长的时间内开拓出具有中国特色的地源热泵产业。