[科普中国]-地热热泵系统

发展历史

1912年，瑞士Zoelly首次提出利用浅层地热能(地源能)作为热泵系统低温热源的概念，并申请了专利，这标志着地源热泵系统的问世。

至1948年，Zoelly的专利技术才真正引起人们普遍的关注，尤其在美国和欧洲各国，开始重视此项技术的理论研究。

1974年以来，随着能源危机和环境问题日益严重，人们更重视以低温地热能为能源的地源热泵系统的研究，具代表性的有Oklahoma州立大学、Oak Ridge国家实验室、Louisiana州立大学、Brookhaven国家实验室等。

现今，地源热泵已在北美、欧洲等地广泛应用，技术也趋于成熟。美国正在实现每年安装40万台地源热泵的目标;在瑞士、奥地利、丹麦等北欧国家，地源热泵在家用的供暖设备中占有很大比例。

组成地热热泵系统主要由三部分组成：室外地源换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。

1、室外地热换热系统主要包括土壤埋盘管、水循环(地下水和地表水)。根据冷凝器出水温度的不同，地源热泵又可分为常温型和高温型两种。

如果建筑物附近有可利用的海、湖或水池，而且水温合适(10~200℃)，利用地表水系统是最节能、最经济的。夏季冷凝器吸热后的冷却水经密封的管道系统流入湖或池中，利用温度稳定的池水或湖水散热。冬季吸取湖水或池水的热量并将热量传递给热泵机组工质，最后传递至室内。

2、地下水系统一般采用开放的循环系统。冷却水经热交换器后向地下深井水放热(冬季吸热)，从水井中抽取的地下水进入热交换器吸热(冬季放热)后，从回灌井进入地下。如果水质良好，亦可省去热交换器，抽井水的地下水可直接进入热泵机组的换热器进行放热(或吸热)。地下水系统适用于地下水源丰富的地区。地下水的温度长年非常稳定，不受外界气温影响，所以热泵机组可以高效运行。

对于地表水和地下水源缺乏以及地下水开采受限制的地区，土壤埋管系统将是最佳的选择。管道埋于地下浅层土壤中，循环水经水管壁直接与土壤进行热交换。

夏季循环水将制冷机组吸收的热量向土壤放热，冬季从土壤中吸热并将热量经热泵机组传递至室内。常见的有水平埋管方式和垂直埋管方式。水平埋管通常采用浅层埋设，开挖技术要求不高，但换热能力低于垂直埋管，而且占地面积大和开挖工程量大；垂直埋管通常有U形管和套管两种方式，常用的方式是U形埋管换热器，虽然套管式换热器的换热能力优于U形管换热器，但投资大，工程实际应用较少。1

原理地源热泵的工作原理比较简单。夏季运行时，热泵机组的蒸发器吸收建筑物内的热量，到达制冷空调，同时冷凝器通过与地下水的热交换，将热量排到地下；冬季运行时，热泵机组的蒸发器吸收地下水的热量作为热源，通过热泵循环，由冷凝器提供热水向建筑室内供暖。

优点1、清洁可再生的能源利用技术

地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器，收集了近47%的太阳能量，比人类每年所消耗能量的500倍还多，同时也是一个巨大的动态能量平衡系统，自然保持能量吸收和发散的相对平衡。地源热泵技术能成功的利用储存于其中的热能。

2、高效节能的技术

地源热泵以土壤、地下水、地表水的热能作为热源，冬季在制热运行时，地下水温度比环境温度高，使水源热泵的蒸发温度比其他类型热泵的蒸发温度大大提高，且不受环境变化的影响，所以能效比提高;夏季制冷运行时，由于夏季地下水、地表水温度比环境温度低，冷凝压力降低，压缩机输入功率减少，使制冷性能比风冷式或冷却塔式制冷机组有较大提高。大量测试数据表明，由此导致的机组效率提高，可节省能源达20%以上。

3、环境保护和经济效益显著

地源热泵以电为动力，运行时不产生对环境有害的物质。抽取的地下水或地表水(河水、海水、湖水)大多实行封闭式回灌，对地下水资源和环境不产生破坏作用，效益显著。地源热泵耗电量少，与空气热泵相比，节电40 %;与电供热比较，节电70 %。制热时与燃气锅炉比较，节能50 %;与燃油锅炉比较，节能70 % o

4、节省建设用地

采用地源热泵供冷和供热系统，不需要建锅炉和冷却塔，以及堆放燃料和燃烧废物的场地，节省了建筑场地和经费。

5、一机多用，应用广泛

地热热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水，对于同时要求供热、供冷的建筑物，地源热泵有着明显的优势。

6、运行稳定可靠

地温的波动范围远远小于环境空气温度的变动，使地热热泵全年运行稳定。系统部件少，维护费用低，自动化程度高，使用寿命可达15年以上。1

地热热泵系统的设计地源热泵系统的设计，包括两个大部分，即建筑物内空调系统的设计和地源热泵系统的地下部分设计。

建筑物内空调系统的设计，目前已有比较成熟的技术。而地下埋管的换热器、地表水系统的换热器以及地下水系统的钻井系统等方面的设计国内还不够规范。但两部分之间又相互关联，如建筑物的供冷、供热负荷，水源热泵的选型，进水温度(EWT)，性能系数(COP)都与地下部分换热器的结构、性能有密切的关系。1