地源热泵的应用前景

华北科技学院

地源热泵的应用前景The Applied Prospect of Ground Source Heat Pump

建能B131班

路膺祚

201305104114

目录

一、前言

二、地源热泵

三、地源热泵系统特点

四、地源热泵供热空调系统的经济性分析

五、地源热泵的发展和应用前景

六、结论

地源热泵的应用前景

摘要：随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。中国建筑能耗的总量逐年上升且我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。除了集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调新技术。本文介绍了地源热泵技术的概念及其特点分析，指出地源热泵的发展及其应用前景。

关键词：地源热泵；节能；环保；应用前景

The Applied Prospect of Ground Source Heat Pump

Abstract：With the development of economy and the improvement of people's living standard, the heating and air conditioning of public buildings and houses have become a common demand. The total amount of building energy consumption in China is increasing year by year, and the energy structure of our country relies mainly on fossil fuels, especially coal. The environmental problems caused by the burning of fossil fuels have increasingly become the focus of attention of the government and the public. In addition to the type of central heating, the urgent need to develop alternative heating methods. Heat pump is a new technology which can effectively save energy, reduce air pollution and CO2 emissions of heating and air conditioning. This paper introduces the concept and characteristics of ground source heat pump technology, and points out the development of ground source heat pump and its application prospects.

Keywords：ground source heat pump；economize on energy；environmentalprotection;applied prospect

1.前言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25-30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2、NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，国家和政府对保护大气环境表现出高度重视。因此，除了集中供

热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调新技术。

2.地源热泵

以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种，例如有利用建筑通风系统的热量（冷量）的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。这里主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵和地源热泵两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵、地下水热泵和地下耦合热泵。

地源热泵是以大地为热源对建筑物进行空调，供暖和热水的供应技术。利用地下的土壤或水温相对稳定的特性，通过埋藏在地下的换热器，与土壤或岩石交换热量，在夏天将室内的余热转移到低位热源中，达到制冷的目的：在冬天把低位热源中的热量转移到室内，达到供暖的目的：实现真正意义的交替蓄能循环。由于地下热源储量大，无污染，可再生，土壤源热泵被认为是一种很有潜力同时也是十分现实的绿色暖通空调技术。很多文献或研究者提出它可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从地下取热：夏季可以代替普通空调向地下放热给建筑物制冷。同时，它还可以供应生活用水，一举多得，是一种有效的利用能源的方式。

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，也可以置于池塘的底部。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。

3.地源热泵系统特点

土壤源热泵系统主要由土壤换热器系统、水源热泵机组、建筑物空调系统三部分组成，分别对应三个不同的环路。第一个环路为土壤换热器，第二个为热泵机组制冷剂环路，这个环路与普通的制冷循环的原理相同，第三个环路为建筑物室内空调末端环路系统，三个系统间靠水或空气作为换热介质进行冷量或热量的转移。

在夏季，与土壤换热器相连的制冷剂换热器为冷凝器，土壤气热汇的作用，制冷剂环路将建筑物冷负荷以及压缩机、水泵等耗功量转化的热量一起通过土壤换热器将热量释放到地下土壤中。在冬季，与土壤换热器相连的制冷剂换热器为蒸发器，土壤气热源的作用，换热器环路中低温的水或防冻剂溶液吸收了土壤中的热量，然后通过制冷剂系统将从地下吸收的热量以及压缩机和水泵等耗功量转化的热量一起释放给室内空气或热水系统，达到加热室内空气的目的。

土壤源热泵的优点

1)地下土壤温度全年波动较小

且数值相对稳定。冬季比外界

环境空气温度高，夏季环境温

度低，土壤的这种温度特性使

得土壤源热泵的季节性能系

数具有恒温热源热泵的特性，

比传统空调系统运行效率要

高40%~60%，节能效果明显。

2)土壤具有良好的。冬、夏季从

土壤中取出的能量可分别在

夏、冬季得到自然补偿，从而

实现了能量的互补性。

3)土壤换热器无需除霜，没有融

霜除霜的能耗损失。

4)运行费用低。据美国国家环保

署EPA估计，设计安装良好的

土壤源热泵系统，可以节约用

户30%~40%的供热制冷空调

的运行费用。

土壤源热泵的缺点：

1)需要的换热面积大。土壤的热

导率小而使土壤换热器的单

位管长放热量仅为20~40W/m，

一般取热量为25W/m。因此，

换热量较大时，土壤换热器的

占地面积较大。

2)土壤换热器的换热性能受土

壤的热物性参数的影响较大。

3)埋地盘管需要防腐蚀处理。

4)初投资较高，仅土壤换热器的

投资约占系统投资的

20%~30%。

4.地源热泵供热空调系统的经

济性分析

热泵（制冷机）是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑空调系统由于必须有冷源（制冷机），如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但可以使用同一套供热系统，而且全年可以采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的环境污染问题。

采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气）产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率（即为建筑物供热的热量与燃料发热量之比）最高可为100%。但是，燃烧矿物燃料通常可产生1500-1800℃的高温，是高品位的热能，而建筑供热最终需要的是20-25℃的低品位的热能；直接燃烧矿物燃料为建筑供热即为将高位能完成低位能承担的作用，意味着大量可用能的损失。如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵从周围环境中吸收低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供热的一次能源消耗。供热用热泵的性能系数，即供热量与消耗的电能之比，现在可达到3-4；火力发电站的效率可达35-58%（高值为燃气联合循环电站）。采用燃料发电再用热泵供热的方式，在现有先进技术条件下一次能源利用率可以达到200%以上。因此，

采用热泵技术为建筑物供热可大大降低供热的燃料消耗，不仅节能，同时也大大降低了燃烧矿物燃料而引起的CO2和其他污染物的排放。

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大大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约40-60%。另外，

地源温度较恒定的特性，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－制冷机系统大大减

少，保证了系统的高效性和经济性。

迄今为止制约地下耦合热泵系统

在我国应用的障碍主要是在地下埋管

的初投资较高，以及政府、建筑设计

人员和公众对这一技术缺乏了解。地

源热泵空调系统的经济性取决于多种

因素。不同地区，不同地质条件，不

同能源结构及价格等都将直接影响到

其经济性。根据国外的经验，由于地

源热泵运行费用低，增加的初投资可

在3-7年内收回，地源热泵系统在整

个服务周期内的平均费用将低于传统

的空调系统。

5.地源热泵的发展和应用前景

随着人们生活水平的提高，对生

活质的要求越来越高，环保意识增强，

人们开始认识到高品质的空气是人类

健康的保障。目前居民对空气污染的

关注程度越来越高，城市（包括室内）

对人们生活以及身体的影响日益受到

重视，在碰到身体不适的时候，很多

居民开始考虑空气因素的影响。

地源热泵技术在国外得到相当广

泛的应用。美国是世界上地源热泵生

产、使用和发展的头号大国。1998年

美国能源部颁布法规，要求在全国联

邦政府机构的建筑中推广应用地下耦

合热泵供热空调系统。现在美国的家

庭、银行、医院、机场、连锁旅客、

超市、办公楼和学校等均有一定比例

的建筑使用地源热泵，根据美国地源

热泵联合会的统计，美国安装的地源

热泵系统在2005年便超过了100万台。

美国近年来在地源热泵方面进行了大

量推广工作，美国政府也充分肯定了

地源热泵的潜力，鼓励使用这种寿命

周期费用低，温室气体排放量少的空

调技术。美国国家环保局认为地源热

泵的效率在加热和冷却设备中居于前

列。美国能源部和环保局已经开始联

合成立了地源热泵中心，筹集了1亿多美元资助科研项目和市场开发。此外，欧洲和北美地区的很多国家和地区的地源热泵应用比例达到了近50%。而日本则是亚洲地源热泵技术最先进，使用比例最高的国家。

目前在中国也有多家研究机构对地源热泵技术的一些技术性能进行了研究，也有部分由国外公司完成的实际工程。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。从2000年开始，北京、沈阳、长春、济南、温州、重庆、米泉已建立了一系列土壤源热泵系统的示范工程。

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。国内的地源热泵技术应用走上了快速发展的道路。

2010年的世界地热大会上，中国地源热泵在世界上的排名跃升至世界第二位。中国连续两年的年增长率都超过60%，这个中国速度远远超过了世界地源热泵近年来保持的近20%年增长率。

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。预计到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。

6.结论

地源热泵技术为我们带来了巨大的契机，它能够减少能源消耗，降低环境污染，同时能保证业主空调系统的可靠性和经济性。尽管这项技术在中国的应用还属于起步阶段，但由于其独特的优势，必将引起广大用户、科技人员以及政府部门的高度关注。综合以上的分析，我们认为地源热泵技术在中国有广阔的市场和应用前景。

参考文献：

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