2地源热泵简介

地源热泵简介

一、发展历史

地源热泵（Ground-Source Heat Pump）的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，在20世纪50年代就已在一些北欧国家的供热中得到实际应用。由于石油危机的影响，地源热泵在上世纪70年代得到较大的发展，但此时主要采用水平埋管的方式。水平埋管占地面积大，而且水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响，效率较低。因此这种水平埋管的地源热泵空调系统不适合中国人多地少的国情。自上世纪80年代以来在北美也形成了利用地源热泵对建筑进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。这一阶段的地源热泵主要采用竖直埋管的换热器，埋管的深度通常达60～200米，因此占地面积大大减小，应用范围也从单独民居的空调向较大型的公共建筑扩展。国外在开发竖直埋管换热器时对保护地下水资源不受污染给予了高度的重视。在钻孔、下管以后，再用水泥、膨润土等材料把井筒密封，杜绝了地面污染物进入地下水层或各地下水层之间互相贯通的可能性。 二、空调系统的主要型式

地源热泵的地下环路中的介质是水或防冻液溶液，根据其供热（冷）介质（承担室内负荷的介质）的组合方式不同，地源热泵主机可分为：

水－水系统、水－冷剂系统、水－空气系统热泵。与此相应的空调系统型式主要有三种：

1.水－水系统

水－水系统热泵主机的制冷工况与普通冷水机组的功能相同，即它是空调系统的冷源，为各种空调系统的末端装臵提供冷冻水（二次冷媒）。不同的是它所具有的供热工况－热泵运行方式，能够为空调系统提供45～550C的热水。在选用该型主机时，应着重注意两点：一是空调系统供热工况或供暖方式末端装臵的选择、设计应与热媒参数相匹配；二是该型主机制冷与供热工况间的转换一般是通过机外二次冷媒水与地热换热器循环水流道切换实现的。因此水系统的设计应满足这一要求。

2.水－冷剂系统

水－冷剂系统热泵主机与冷、热两用的家用分体式空调的工作原理基本相同。不同的是它利用地热换热器循环水作为热泵制冷工况的冷却水和供热工况的低温热源。家用分体空调中体积庞大、噪声污染严重的室外机被两根循环水管所取代。由该型热泵主机组成的空调系统与风机盘管系统基本相同。只是前者承担室内负荷的是制冷剂，而后者是冷冻（热）水。因此，该型热泵主机的选择、设计、安装与控制可参照风机盘管系统进行。

3.水－空气系统

水－空气系统热泵主机与全空气系统中空调机组的作用相同。不同的是前者自身具备冷热源，其蒸发器（或冷凝器）相当于空调机组

的表冷器（或加热器）。因此，该型热泵主机的热效率高于水－水系统热泵主机。在不需要二次冷（热）媒的情况下，宜优先考虑选用这种主机。该机组的选择设计方法与空调机组的基本相同。应注意的是二者的热媒参数有所不同，在确定加热器（冷凝器）面积时应区别对待。

三、地源热泵空调方案设计

地源热泵空调系统主要由三部分组成：热泵（制冷）机房、室内空调末端和地热换热器。其中热泵（制冷）机房与室内空调末端与传统空调相应部分没有多少区别。地源热泵空调与传统空调对于这两部分的方案设计及初投资基本相同。二者的主要区别在于地源热泵空调用地热换热器取代了传统空调中的热源（如锅炉、集中供热的热交换器）和冷却塔。因此，现就地热换热器的方案设计、使用条件和初投资作一简要分析。

1.地热换热器方案设计 (1).地热换热器

地源热泵空调系统中竖直U型埋管换热器采用在地上钻孔，然后在孔中插入U型管的方法，构成一个地热换热器。一个钻孔中可设臵一组U型管或两组U型管。然后用封井材料把钻孔填实，以增加钻孔中的传热能力，并防止地面污水流入地下含水层。对于住宅楼和公共建筑，一般需要有若干个钻孔组成的一群换热管道。总钻孔量由建筑物冷热负荷大小、岩土层热物性、地下可利用温差、热泵机组性能及

地热换热器施工安装状况等多种因素决定。然而无论是业主，还是设计人员，在方案设计阶段都需要了解大致的地埋管数量、初投资以及所需的地下埋管空间，以便方案的取舍。因此用指标概算法估算地热换热器的容量、用地及费用等，常常是探讨地源热泵空调系统可行性的主要依据之一。这就需要给出每kW负荷需要多深的埋管，或者每米埋管（或孔深）换热量的多少，即地热换热器方案设计的概算指标。

(2).注意的问题

应当指出的是：每米孔深换热量，与地下传热可利用温差，即南北方地区有很大关系，还与地下水位的高低和岩土层含水量多少等因素有关。数值为一般情况下的估算值。如地下水位较高或岩土层含水量较大，可适当增大每米孔深换热量。同样建筑面积与地埋管面积之比也与钻孔深度、地埋管间距和单位建筑面积负荷密切相关。

单位孔深换热量是地热换热器设计中最重要的数据，它是确定地热换热器容量、确定热泵参数、选择循环泵流量与扬程、计算地埋管数量与尺寸等的依据。单位孔深换热量估算偏大，必然导致埋管量偏小、循环液进出口温度难以达到热泵的要求。结果导致热泵实际的制热、制冷量远低于其额定值，使系统达不到设计要求。反之，单位孔深换热量估算偏小，埋管量将大大增加，结果是工程的初投资增高，系统的经济效益下降。

方案设计和初步设计阶段,由于建筑设计还达不到给出详细构造、门窗尺寸等深度，不能满足采暖与空调负荷计算的需要，同时，埋管现场热物性参数也难以确定。所以，只能凭借经验进行估计。为

了使估算更加接近实际，遂给出了“概算指标”这个概念。

概算指标，一般都是根据大量同类工程数据的统计值,通过统计回归求得的,具有一定的代表性。但是,目前地源热泵空调在各地的使用量还不很大，同时在统计过程中,普遍发现由于各个工程的实际情况千差万别,所以计算得出的单位孔深换热量有较大差异,数值分布比较离散,回归结果很难获得十分理想的相关系数。因此,只能推荐一个范围。必须承认,“指标”只是一种粗略的统计值,在方案设计和初步设计阶段,采用指标进行估算,也是不得已而为之。

(3)地源热泵空调的应用条件 ①、有一些地用作埋管

地热换热器的设臵需要一定的地下空间。地面至地面下约2m以内的空间照常使用。地埋管的面积约为空调面积的三分之一到五分之一。

②、有一些钱用作初投资

钻孔及地下埋管需要投资。这部分投资比传统空调中冷却塔和热交换器要多一些。钻孔及地埋管费用约占地源热泵空调总投资的三分之一到二分之一。

③、有一些冷、热负荷用作地下热平衡

地源热泵空调系统，利用大地深处冬暖夏凉的特点，通过地热换热器夏天将室内热量释放到地下，冬天从地下吸取热量转移到室内。这种热量的“冬取夏蓄”，保证了地热换热器的高效运行。如果仅有热负荷，即只有冬天取热而无夏天的释放热，或反之，都将导致地下

转移热量的不平衡，进而使地热换热器的效率降低。因此，地源热泵空调系统宜用于冬天采暖夏天空调的建筑。 四、地源热泵空调技术研究开发的主要成果

地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。设臵地热换热器的费用，其中主要是钻孔的费用，构成地源热泵系统初投资的1/4～1/3，因此正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。由于影响因素很多、数学模型复杂，建议采用地热换热器设计计算软件进行设计计算，可以避免盲目估算带来的失误。其中地下岩土的热物性对传热能力的影响很大，建议采用现场实测的方法确定地下岩土的热物性。

山东建筑大学地源热泵研究所及山东亚特尔集团取得的成果包括地热换热器传热分析、技术开发和工程应用三部分。主要成果“地热综合利用关键技术”获2004年山东省科技进步二等奖，并被列入“建设部节能省地型建筑推广应用技术”。主要创新点和研究成果包括：

1．在国际上首次求得地热换热器中传热过程三个重要问题的解析解：求得了半无限大介质中有限长线热源非稳态导热的解析解；提出了钻孔内传热的准三维模型，对单U型管和双U型管换热器中流体温度分布和相应的热阻求得了解析解；有地下水均匀渗流时线热源引

起的非稳态温度场的解析解。这些成果突破了传热学经典专著中相关问题的解析解的深度，是重要的理论创新。

2.开发了有自主知识产权的地热换热器设计和模拟软件“地热之星”，并已开始推广应用。该软件以可视化图形界面和对话框的形式面向用户，使用户使用起来简单明了。

3.进行了深层岩土热物性测试的理论研究，并开发了深层岩土热物性测试仪，已投入实际应用。现正在申请发明专利。

4，进行了适合于地源热泵系统应用的热泵主机的研究，开发了热泵主机与地热换热器联合工作的计算模拟软件。

5.结合我国国情开发了地源热泵系统的施工技术、工具和配件，取得“U型弯头”和“地热弹簧”两项专利。

6. 地源热泵技术的工程应用。研究所在进行理论研究和技术开发的同时，十分重视工程实际应用。首先利用研究成果在我校学术报告厅中进行了地源热泵空调工程示范。该工程于2001年5月投入运行，是我国第一个地埋管地源热泵空调系统的实际工程。随后又在省内外陆续进行了十多个地源热泵空调工程的设计与施工，并对其中的

山东建筑大学地源热泵工程外景 地热换热器设计模拟软件“地热之星”

一些项目正在进行长期的运行测试，以对理论研究成果进行必要的检验与验证，同时也为地源热泵技术的推广积累经验和基础数据。2005年投入运行的济南市西区建设指挥部办公楼工程采用了地埋管地源热泵系统，取得了良好的效果，在济南市起到了很好的示范作用。 五、地源空调经济技术及应用展望

冷、暖两用的地源热泵空调系统比传统的空调系统节能、清洁、使用长久是毋庸臵疑的。也应当指出：由于增加了钻孔费用，地源热泵空调的初投资将增加，同时，埋管也需要占用一些地下空间。地源热泵系统用一套设备实现了建筑物的供热与空调的两种要求，取消了锅炉房，消除了大气污染，提高了一次能源的利用率，减少了CO2的排放。供热时比直接电热方式节电60%以上；比燃油或燃气锅炉的运行费用也大大降低。增加的初投资一般可在3-5年内收回。

合理确定空调冷、热源是空调方案的主要组成部分。而空调冷、热源的选择常常受到当地现有冷、热源类型、燃料供应及建筑周边条件等具体情况的制约。合理确定空调冷、热源方案，需要设计单位、建设单位及政府有关部门等各方面的努力和协作。同时，每种空调冷、热源都有其应用条件和适用范围，应因工程制宜，因地制宜，通过经济技术分析比较，合理选用。但鼓励发展太阳能、地热等可再生能源应用技术及空调制冷节能技术是我国政府历来倡导的并已明文规定的政策。在条件允许的情况下，使用地源热泵空调，无疑是一种利国利民的选择。

在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低。随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高，以上两个制约因素已不复存在，空调和供热已成为普通百姓的需求，并逐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。而地源热泵由于其技术上的优势和节能的优点，将成为中小型建筑空调冷热源合理可行的选择方案之一。用一席之地，得冷暖两机，将成为越来越多的建筑业主的共识。

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