促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用，改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為我國一項(xiàng)基本國策。地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一，地源熱泵技術(shù)作為一種新型的綠色高效能源技術(shù)近幾年在我國發(fā)展迅速,在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空調(diào)已經(jīng)成為普遍的要求。作為中國傳統(tǒng)供熱的燃煤鍋爐不僅能源利用率低，而且還會(huì)給大氣造成嚴(yán)重的污染，因此在一些城市中燃煤鍋爐在被逐步淘汰，而燃油、燃?xì)忮仩t則運(yùn)行費(fèi)用很高。地源熱泵就是一種在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有較大優(yōu)勢的解決供熱和空調(diào)的替代方式。

地源熱泵技術(shù)綠色、環(huán)保的性質(zhì)已經(jīng)得到了全球許多國家的肯定和認(rèn)可。它在全球的覆蓋率已經(jīng)占據(jù)了40%，例如美國、瑞士、奧地利、丹麥等科技水平和生活水平極高的國家，都在使用這類產(chǎn)品，那么地源熱泵技術(shù)到底是何方神圣呢？也許說到地源熱泵人們就想到了空調(diào),是的,這兩者似乎從誕生之日開始就已經(jīng)息息相關(guān)了。兩者一定要分個(gè)差別出來,那就是不得不提到地源熱泵技術(shù)了,在國外,特別是歐美市場,地源熱泵技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟了,美國還在1998年為此頒布了相關(guān)法律,可見地源熱泵技術(shù)的重要性。

地源熱泵技術(shù)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源，即可實(shí)現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。在冬季，把土壤中的熱量“取”出來，提高溫度后供給室內(nèi)用于采暖；在夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來釋放到土壤中去，并且常年能保證地下溫度的均衡。

在我國《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》（GB50155-92）中，對(duì)“熱泵”的解釋是“能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”；在《新國際制冷詞典（NewInternationalDictionaryofRefrigeration）》中，對(duì)“熱泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)”?？梢?，熱泵在本質(zhì)上是與制冷機(jī)相同的，熱泵（制冷機(jī)）是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置，它們的區(qū)別只是運(yùn)行工況不同。其工作原理是：由電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使工質(zhì)（如R22）循環(huán)運(yùn)動(dòng)反復(fù)發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中氣化吸熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱（或制冷）功能。在此過程中，熱泵的壓縮機(jī)需要一定量的高位電能驅(qū)動(dòng)，其蒸發(fā)器吸收的是低位熱能，但熱泵輸出的熱量是可利用的高位熱能，在數(shù)量上是其所消耗的高位熱能和所吸收低位熱能的總和。熱泵輸出功率與輸入功率之比稱為熱泵性能系數(shù)，即COP值（Coefficientof Performance）。

地源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)使用電力，沒有燃燒過程，對(duì)周圍環(huán)境無污染排放；不需使用冷卻塔，沒有外掛機(jī)，不直接向周圍大氣環(huán)境排熱，沒有熱島效應(yīng)，沒有噪音；不抽取地下水，不破壞地下水資源。一機(jī)三用:冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活熱水。使用壽命長：使用壽命20年以上，是分體式或窗式空調(diào)器的2-4倍。全電腦控制，性能穩(wěn)定，可以電話遙控，可以進(jìn)行溫濕度控制和新風(fēng)配送。

地（水）源熱泵機(jī)組的工作原理

地（水）源熱泵是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地能為“冷源”。具有高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠、可自動(dòng)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

地源熱泵技術(shù)的可再生、經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境效益顯著、一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)也是它可以昂首面對(duì)這個(gè)世界的前提，隨著綠色、環(huán)保的理念不斷深入，地源熱泵技術(shù)受歡迎程度一定會(huì)加深。

地源熱泵與空氣源熱泵比較

空氣源熱泵以室外空氣為一個(gè)熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫?zé)嵩?，從室外空氣中吸收熱量，?jīng)熱泵提高溫度送入室內(nèi)供暖；其性能系數(shù)（COP）一般在2～3。空氣源熱泵系統(tǒng)簡單，初投資較低?？諝庠矗L(fēng)冷）熱泵目前的產(chǎn)品主要是家用熱泵空調(diào)器、商用單元式熱泵空調(diào)機(jī)組和風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組。

空氣源熱泵的主要缺點(diǎn)是在夏季高溫制冷和冬季寒冷天氣制熱時(shí)效率大大降低。此外，其所必需的室外機(jī)或冷卻塔對(duì)建筑物有一定的影響。空氣源熱泵的制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，這與建筑熱負(fù)荷需求趨勢正好相反。因此當(dāng)室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點(diǎn)溫度時(shí)，需要用電或其他輔助熱源對(duì)空氣進(jìn)行加熱。而且，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會(huì)結(jié)霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。在寒冷地區(qū)和高濕度地區(qū)熱泵蒸發(fā)器的結(jié)霜可成為較大的技術(shù)障礙。在夏季高溫天氣，由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低，同樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作?？諝庠礋岜貌贿m用于寒冷地區(qū)，在冬季氣候較溫和的地區(qū)，如我國長江中下游地區(qū)，已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

地源熱泵系統(tǒng)的分類及其優(yōu)缺點(diǎn)

3.1地下水源熱泵系統(tǒng)(Groundwaterheatpumps,GWHPs)

地下水源熱泵系統(tǒng)也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)，通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。

其最大優(yōu)點(diǎn)是非常經(jīng)濟(jì)，占地面積小，但要注意打井區(qū)域必須符合下列條件：1.水質(zhì)良好；2.水量豐富；3.回灌可靠；4.符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 地下水源熱泵系統(tǒng)示意圖

3.2地下耦合熱泵系統(tǒng)（Ground-coupleheatpumps，GCHPs）

地下耦合熱泵系統(tǒng)也稱埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)，還有另外一個(gè)術(shù)語叫Groundheatexchanger，即地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)。這一閉式系統(tǒng)方式，通過中間介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質(zhì)在埋于土壤內(nèi)部的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行熱交換的目的。

3.2.1 水平埋管地源熱泵系統(tǒng)（Horizontalground-coupledheatpump）

對(duì)于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)有：安裝費(fèi)用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應(yīng)用廣泛，使用者易于掌握，其缺點(diǎn)有：占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。

圖3.1 串聯(lián)式水平埋管示意圖

圖3.2 并聯(lián)式水平埋管示意圖

3.2.2 垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)（Verticalboreholeground-coupledheatpump）

對(duì)于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)有：較小的土地占用，管路及水泵用電少；其缺點(diǎn)是鉆井費(fèi)用較高；

垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊形式叫：樁基換熱器（或叫做能量樁，Energy Piles），即在樁基里布設(shè)換熱管道。

圖3.3 垂直埋管示意圖

3.3 螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（slinky ground-coupled heat pump）

3.3.1長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)

圖3.4長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)示意

3.3.2長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（盤旋布置埋管地源熱泵系統(tǒng)）

圖3.5長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)示意

3.3.3螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊布置形式叫：溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)，也有學(xué)者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。

圖3.6溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)示意

3.2 地表水熱泵系統(tǒng)（Surface-waterheatpumps,SWHPs）

通過直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。歸屬于水源熱泵方式。

其優(yōu)點(diǎn)有：在10米或更深的湖中，可提供10℃的湖水直接制冷，比地下埋管系統(tǒng)投資要小，水泵能耗較低，高可靠性，低維修要求、低運(yùn)行費(fèi)用，在溫暖地區(qū)，湖水可做熱源。

其缺點(diǎn)有：在淺水湖中，盤管容易被破壞，由于水溫變化較大，會(huì)降低機(jī)組的效率。

圖3.7地表水直接抽取示意圖

3.8地表水間接換熱示意

2.4單井換熱熱井(Standingcolumnwellheatpumps,SCW)

也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國外常稱為"熱井"。這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護(hù)套，直徑和孔徑一致；地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設(shè)施。熱泵機(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一部分在地下水位以下進(jìn)入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機(jī)組供水。這一方式主要應(yīng)用于巖石地層，典型孔徑為150mm，孔深450m。

該系統(tǒng)適用于巖石地質(zhì)地區(qū)，該地區(qū)巖石鉆孔費(fèi)用高，而與巖石直接換熱，大大提高換熱效率，節(jié)省鉆孔、埋管費(fèi)用。須得注意分析具體地質(zhì)情況，做好隔熱、封閉、過濾、實(shí)際換熱量測算等具體工作。

3.9單井換熱熱井示意圖