摘要:闡述了地源熱泵技術的工作原理、分類及其應用意義，分析了地源熱泵的特點及經濟效益，介紹了地源熱泵的發展歷史以及國內對地源熱泵的研究現狀，提出地源熱泵在我國節能、環保、可持續發展中具有廣闊的前景。
1引言
當今社會由于經濟的快速發展和人口急劇增長，世界性的生態破壞、環境污染和資源匿乏已經達到自然生態環境所能承受的極限;能源、資源、環境的制約，已成為阻礙各國未來經濟發展的瓶頸。為緩解巨大的能源與環境壓力，近年來節能減排已成為全社會發展的新主題。人們積極采取各種應對措施，將可再生能源列人國家能源發展的優先領域，使能源結構體系從以化石燃料為主體的能源時代過渡到可持續發展的能源時代。地源熱泵技術的開發和應用，就是人們選擇的應對措施之一。地源熱泵技術是一種利用地下淺層地熱資源，實現向建筑物提供采暖、制冷和生活熱水的高效節能環保型空調技術。地源能是一種潔凈的可再生能源，它具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數穩定(流量、溫度)、使用方便、不受地域限制等優點。熱泵的理論基礎源于卡諾循環，與制冷機相同，按照逆循環工作，即通過輸入少量的高品位能源(如電能)，以地源能作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫熱源。在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖，同時儲存冷量，以備夏用;夏季通過熱泵對室內進行降溫，同時把室內的熱量釋放到地下，進行熱量儲存，以備冬用，大地在整個循環中起到了蓄熱器的作用。地源熱泵系統中70%能量是從大地中獲得的可再生能源。以其作為主要能源供給，既節約大量能源，又有效地減少, :及粉塵的排放。這項技術與傳統空調系統相比，優勢在于它實現了節能與環保的統一。
2地源熱泵系統工作環境及原理
2.1地源熱泵的工作環境
距地下30~300 m之間的地層是一個恒溫帶，其溫度源于地球表面太陽熱輻射和地核熱傳導的綜合作用，被人們稱為綜合平衡層又稱地下淺層。溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低。地源熱泵系統就是利用這一恒溫帶中的土壤、卵石、巖石中的地下含水層以及深層地表水作熱泵的源與匯，向建筑物冬季供熱、夏季供冷。
2.2地源熱泵的結構和工作原理
2.2.1結構
地源熱泵系統主要由室外地源換熱系統、熱泵機組和室內空調末端系統3部分組成。熱泵機組為主動力部分，由制冷壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥等組成回路。其中壓縮機是熱泵系統的心臟，通過電能驅動壓縮機，不斷地壓縮和輸送循環工質從低溫低壓處到高溫高壓處，且周而復始地進行循環;蒸發器是輸出冷量的設備，它的作用是使經節流閥流人的制冷劑液體蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的;冷凝器是輸出熱量的設備，將從蒸發器中吸收的熱量及壓縮機消耗功所轉化的熱量，在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的;膨脹閥或稱節流閥對循環工質起到節流降壓作用，并調節進人蒸發器的循環工質流量。
2.2.2供熱原理
圖1為地源熱泵供熱系統原理。其工作原理如下:首先在制冷回路內充注制冷劑。壓縮機通入三相交流電高速旋轉，將低溫低壓制冷劑氣體吸入壓縮機。經壓縮后變成高壓高溫氣體，該氣體經冷凝器被冷卻水冷卻，又變成中壓中溫的制冷劑液體，該液體經過膨脹閥節流減壓后送人蒸發器。由于蒸發器連接在壓縮機的吸氣口上，壓縮機不停地吸入蒸發器的制冷劑氣體，使得進人蒸發器的大量制冷劑壓力減低，制冷劑進一步大量蒸發。由于蒸發器另一側與室外地源換熱系統的地下潛水泵連接，所以當地下水大量流過蒸發器時，被蒸發的制冷劑帶走地下水中的大量熱量。這些低溫熱量通過被蒸發的制冷劑吸收變成了制冷劑熱量，又被源源不斷地吸人壓縮機。經壓縮機壓縮之后，變成為80~90℃的高溫氣體，這些高溫氣體在通過冷凝器冷卻的同時，把大量的熱量傳給了冷凝器另一側，即室內空調末端系統，也稱采暖系統。制冷劑氣體被冷卻的過程，也可以看做是將高溫熱量傳遞給冷卻系統的過程，或者是對采暖系統的加熱過程，采暖系統水溫一般為50～60℃通過室內空調末端系統的風機盤管或暖氣片向房間供熱。
從能量轉換角度來講，熱泵機組壓縮機將電能變為機械能，再將機械能變成為熱能。壓縮機輸出的總熱能為壓縮機電功率與壓縮機吸收來自地下的熱能之和，而地下熱能遠遠大于壓縮機的電功率。一般從地下水中提取的熱能是壓縮機電功率產生熱能的4~5倍，因此熱泵機組的能效比約為4.5，而電鍋爐的能效比為0.9~0.98。
2.2.3制冷原理
圖2是地源熱泵制冷系統原理。熱泵的制冷工作原理與圖1所示相同，制冷劑回路保持不變。但通過轉換閥門將室內空調末端系統(即制冷回路)連接在蒸發器的吸熱端;室外地源換熱系統連接在冷凝器的放熱端。熱泵機組制冷時，壓縮機將吸熱端吸人的低溫低壓制冷劑氣體經壓縮后變成高溫高壓制冷劑氣體排人冷凝器后，被接在冷凝器側地下水系統冷卻變成中溫中壓制冷劑液體。制冷劑液體通過膨脹閥節流減壓后，進人蒸發器進一步膨脹、蒸發、吸熱，使制冷劑由液體變成氣體又被壓縮機吸熱端吸人。再經壓縮機壓縮后，又變成高溫高壓制冷劑氣體排人冷凝器，同時也將蒸發器側的室內空調末端系統(即空調房間)的熱量源源不斷地經放熱端的冷凝器排人地下水中。吸收了水中熱量的制冷劑液體蒸發后又由液態變成氣態被壓縮機吸人、壓縮、放熱。周而復始、循環往復完成了制冷全過程。
將地源熱泵系統制冷時產生的廢熱回收，可制成50--55℃生活用熱水，節省用于制熱水耗用的燃油或煤，對空氣無污染，達到制熱水不耗能的節能效果;同時由于制出的冷凍水可補充到回水系統中，以降低回水系統的回水溫度，從而提高了制冷效率，降低了制冷系統的耗電量。
3地源熱泵的分類
按照冷熱源的不同，可將地源熱泵系統分為以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵、以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統和以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統3類。
3.1土壤源熱泵
土壤源熱泵是利用地下巖土層中熱量進行閉路循環的熱泵系統。熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。它通過循環液(水或以水為主要成分的防凍液)在密閉地下埋管中的流動，實現系統與大地之間的傳熱。冬季供熱時，流體從地下收集熱量，再通過系統把熱量帶到室內。夏季制冷時系統逆向運行，即從室內帶走熱量，再通過系統將熱量送到地下巖土層中。
地下熱交換器的布置形式主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3類。
垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分為淺層(小于30 m)，中層(30~100 m)和深層(大于100 m)3種。垂直埋管換熱器熱泵系統占地面積小、需要的管材少、泵耗能低，單位管長換熱量高于水平埋管，但造價相對要高。水平埋管換熱器有單管和多管2種形式，一般埋設深度為1.5-3.0 m。水平埋管換熱器造價相對低，目前廣泛使用。但需要較大場地、運行性能不穩定、泵耗能高、系統效率較低。蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限的情況。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器的20%~30%，但用管量會明顯增加。這種方式的特點類似水平埋管換熱器。
3.2地下水源熱泵
地下水源熱泵系統的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。最常用的系統形式是采用一側連接地下水，一側連接熱泵機組(板式換熱器)。早期的地下水系統采用單井系統，即將地下水經過板式換熱器換熱后直接排放。其缺點是既浪費地下水資源，又容易造成地層塌陷，甚至引起地質災害。后來產生了雙井系統，一個井抽水，一個井回灌。地下水熱泵使用最多的是深為50 m以內的淺井，其優點是造價比土壤源熱泵低、水井與水井之間很緊湊、占地面積小、技術比較成熟。缺點是可供的地下水有限、水處理要求嚴格、抽取的地下水全部回灌并且不能受到污染。現在更多采用的是1抽2回或2抽3~4回技術，這種技術目前沈陽等城市采用較多。
3.3地表水源熱泵
地表水源熱泵系統的熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水源熱泵主要分為閉路系統和開路系統。在寒冷地區，開路系統并不適用，只能采用閉路系統。地表水源熱泵具有造價相對低廉、泵耗能低、維修方便以及運行費用少等優點。但這種地表水源熱泵系統也受到自然條件的限制。在公用的河流中、管道或水中的其他設備容易受到損害。如果河流、湖泊過小或過淺，水的溫度會隨氣候發生較大的變化，容易產生效率降低、制冷或供熱能力降低的后果。這種技術沿海城市采用得較多。
4地源熱泵系統的優勢及經濟效益
4.1充分利用自然資源實現高效節能
太陽能是取之不盡的可再生綠色能源，地表淺層相當于一個巨大的太陽能集熱器，它收集了47%的太陽能，比人類每年利用能量的500倍還多。地源熱泵在冬季就是利用這種儲存于地表淺層的無限的能源作為熱源;在夏季則以地表淺層恒定的地能溫度作冷源，只需小功率的壓縮機就可實現能量轉換的空調系統。調研結果表明，使用地源熱泵技術比風冷熱泵節能40%，比電采暖節能70%，比燃氣爐效率提高48%，所需制冷劑比一般空調減少50%，是真正意義上的高效節能。
4.2具有極大的環境效益
傳統的供暖、空調方式分別解決冬季供暖和夏季制冷。其系統投資大、占地多，且對環境的影響很嚴重。大氣是人類賴以生存的最基本環境要素之一。然而，由于冬季采用煤炭、燃油和天然氣等作為燃料，燃燒產生的大量污染物，包括大量的, , 等氣體造成的大氣污染，嚴重破壞著大氣環境，降低了人們的生活質量。夏季使用的空調系統同樣存在著:排放，作為重要的溫室氣體是造成全球性氣候變化的主要因素之一.
