地源热泵供热技术要点研究

      摘要：笔者针对地源热泵的发展现状与前景，结合地源热泵供热的特点，详细阐述了地源热泵的分类，最后对地源热泵的解决问题的方法进行探讨。 

      关键词：地源热泵；供热特点；现状前景 

　　前言： 

　　地源热泵是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的系统。它利用土壤温度相对稳定的特点，依靠少量的电力驱动压缩机，通过深埋土壤的闭环管线系统进行热交换，夏天向地下释放热量，冬天从地下吸收热量，从而实现制冷或供热的要求，具有传统空调系统无法比拟的节能、高效、环保等优点。地源热泵越来越被人们认同。 

　　一、地源热泵在中国的发展现状及前景 

　　目前在中国，地下水热泵系统已开始广泛使用，而土壤源热泵系统尚处于研究机构工程摸索和研究阶段。 

　　从有关调查来看，地下水热泵工程真正成功的并不多。原因在于要实现100%的回灌，并回灌到同一含水层，不污染地下水，且能长时间稳定运行，并不容易做到。同时，还出现了大量不进行回灌的热泵工程，更有甚者，出现了直接利用地下水通入风机盘管内进行空调。这样做，一则污染水体，二则浪费水资源。 

　　对于土壤源热泵的发展主要是从1998年开始。国内数家大学建立了土壤源热泵实验台，且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备的长期联合运行。其中1998年重庆建筑大学建设了包括浅埋竖埋管换热器和水平埋管换热器在内的热泵系统；1998年青岛建工学院建成了聚乙烯垂直土壤源热泵系统；湖南大学1998年建设了水平埋管土壤源热泵系统；1999同济大学建设了垂直土壤源热泵系统。这些系统为中国推广土壤源热泵奠定了基础。从2000年开始，在国内长春、济南、温州、重庆、米泉建立了一系列土壤源热泵系统的示范工程。土壤源热泵系统越来越多的被房地产商所关注和采用。 

　　鉴于国内的国情和地源热泵系统自身的特点，我们对其各自的前景作一分析。随着地下水热泵工程技术改进和规范化，由于其突出的节能和保护大气环境的功能，还是存在着巨大的潜在的市场。水平埋管土壤源热泵，虽然占地面积大，但靠地表换热可以自然恢复地温，在年排热量和吸热量不平衡的地区应用比较有优势[12]。而垂直埋管土壤源热泵，随着专业安装队伍的发展，钻孔设备的完善，势必会使造价大幅度降低，无疑会成为今后最有竞争力空调方式。 

　　二、地源热泵供热技术特点  

　　    地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。地源热泵系统的另一个显著的特点是提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点，地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%~60%。另外，地源温度较恒定，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉一制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。  

　　三、地源热泵的分类 

　　    按照冷热源的不同，可将地源热泵系统分为以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵、以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统和以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统3类。 

　　1、土壤源热泵 

　　    土壤源热泵是利用地下岩土层中热量进行闭路循环的热泵系统。热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在密闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。冬季供热时，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土层中。 

　　    地下热交换器的布置形式主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3类。 

　　    垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层(小于30 m)，中层(30~100 m)和深层(大于100 m)3种。垂直埋管换热器热泵系统占地面积小、需要的管材少、泵耗能低，单位管长换热量高于水平埋管，但造价相对要高。水平埋管换热器有单管和多管2种形式，一般埋设深度为1.5-3.0 m。水平埋管换热器造价相对低，目前广泛使用。但需要较大场地、运行性能不稳定、泵耗能高、系统效率较低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限的情况。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器的20%~30%，但用管量会明显增加。这种方式的特点类似水平埋管换热器。 

　　2、地下水源热泵 

　　    地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。最常用的系统形式是采用一侧连接地下水，一侧连接热泵机组(板式换热器)。早期的地下水系统采用单井系统，即将地下水经过板式换热器换热后直接排放。其缺点是既浪费地下水资源，又容易造成地层塌陷，甚至引起地质灾害。后来产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵使用最多的是深为50 m以内的浅井，其优点是造价比土壤源热泵低、水井与水井之间很紧凑、占地面积小、技术比较成熟。缺点是可供的地下水有限、水处理要求严格、抽取的地下水全部回灌并且不能受到污染。现在更多采用的是1抽2回或2抽3~4回技术，这种技术目前沈阳等城市采用较多。 

　　3、地表水源热泵 

　　地表水源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水源热泵主要分为闭路系统和开路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。地表水源热泵具有造价相对低廉、泵耗能低、维修方便以及运行费用少等优点。但这种地表水源热泵系统也受到自然条件的限制。在公用的河流中、管道或水中的其他设备容易受到损害。如果河流、湖泊过小或过浅，水的温度会随气候发生较大的变化，容易产生效率降低、制冷或供热能力降低的后果。这种技术沿海城市采用得较多。 

　　地源热泵的问题与解决方法  

　　    地源热泵系统在运行费用方面有明显优势，但同时也有一些不利因素，这些因素制约了地源热泵的快速普及。其中最主要的制约因素是初投资较大，地源热泵的初投资不仅包括传统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋地盘管投资、埋地盘管敷设投资以及购买敷设盘管所需土地的使用权或所有权的投资。初投资成为影响地源热泵在发展中国家推广的重要因素之一。另一个制约地源热泵普及的重要因素是技术不是十分完善。比如，由于各地的地质结构相差很大，造成埋地盘管与土壤间的换热系数也相差很大。这在设计埋地盘管长度时将产生问题:若埋地盘管设计过长，将会造成大量初投资浪费;若设计过短，不但满足不了设计工况要求，还可能造成设备损坏。除此之外，还有管路防冻液的选取，变工况运行等问题需解决。不过，地源热泵不足之处目前已得到部分解决。如混合型地源热泵系统即较好地解决了初投资高和埋地盘管长度设计困难等问题。由于在许多大型地源热泵的应用中，制冷所需的埋地盘管长度要远大于加热所需的盘管长度。在这种情况下，为降低初投资可用冷却塔代替一部分埋地盘管，即混合型地源热泵系统，冷却塔只在冷负荷大于埋地盘管所能提供的冷负荷时才投人运行，其作用与埋地盘管类似，只不过冷却塔是将室内的热量排到大气中去，而埋地盘管是排到大地中去。 

　　五、结束语 

　　在我国全面建设资源节约型、环境友好型社会的进程中，地源热泵这一集节能、环保为一体的新技术，将越来越受到人们的重视与青睐。相信在不远的将来，经过国内工程技术人员的不懈努力并借鉴国外的成功经验，我国的地源热泵应用将得到进一步的推广和发展，它将为我国的可持续发展带来新的契机。