地源热泵技术shang

Ｖ０１．２７（ＴｏｔａｌＮｏ．１０５）文章编号：ＩＳＳＮｌ００５—９１８０（２００８）０４—００３６—０９。

地源热泵技术

周子成

（广东西屋康达空调有限公司，广东佛山５２８０００）

【摘要］地源热泵是一种节能的制冷空调机组。近年来发展很快。本文介绍地源热泵的种类及其应用技术要点。

［关键词】地源热泵，机组，节能

【中图分类号］ＴＱ０５１，５［文献标识码］Ｂ

ＴｈｅＧｒｏｕｎｄＨｅａｔＰｕｍｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ｏｎｅ）

ＺＨＯＵＺｉｃｈｅｎｇ

（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＳｉｕｋｏｎｄａＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｉｄ．，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５２８０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｈｅａｔｐｕｍｐｉｓａｌｌｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｕｎｉｔｆｏｒｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎａｎｄａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｉｔｄｅｖｅｌｏｐｓｒａｐｉｄｌｙｉｎｒｅ．ｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆ殍＇ｏｕｎｄｈｅａｔｐｕｍｐｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｋｅｙｐｏｉｎｔｓ黜ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ。

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇｒｏｕｎｄｈｅａｔｐｕｍｐ，Ｕｎｉｔ，Ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ

１引言

地源热泵是一种利用地球表面浅层水源（地下水、海水、河水和湖水等）中的低品位、可再生热源，通过热泵、制冷循环，提供冷量给夏季空调使用，提供热量给冬季取暖使用的机组。地源热泵制热要比常规的电制热或燃油、燃气制热经济，通常制取相同的热量，地源热泵的耗电量只有电热耗电量的Ｉ／４到Ｉ／５。因此，地源热泵是一种节能的供热设备。

利用地表水源或地下水源（或地下土壤的热源）作为热泵制热的吸热源或制冷的放热源，比常规的制冷、制热方式有很多优点：首先，它是一种可再生能源，对环境无污染，其次，地下水温比较稳定，不会由于环境气候变化而造成制冷、制热能力的下降。再有，机组的效率高，换热器不存在冬天结霜而需要经常化霜的问题。还有，热泵是减少Ｃ０２排放量最经济、有效的技术。现在全世界约有１．３亿台热泵在运行，总供热量约为每年４．７×１０９ＧＪ，每年减少ｃ０２排放蹙约为１．３亿吨。目前，地源热泵空调已被认为是最具发展潜力的节能、环保空调技术，在国内许多建筑项目中得到应用，如国家大剧院、北京友谊医院、大连星海湾酒店、中关村华夏科技大厦、中国人民档案馆、当代万国城、奥运村、北京龙熙顺景、北京嘉和丽园、北京爱家国际城购物中心、北京九华山庄、南京国际商城、再庆喜来顿酒店、青岛发电厂、北京大学奥运乒乓球馆等。据统计，北京市现有地源热泵项目１３７０个，河北省有３６４个，河南省有３２７个，山东省有２２４个，天津市有１６５个，上海市有１４１个。

２地源热泵的种类

地源热泵属于水源热泵的一种。按照国家标准ＧＢ／Ｔ１９４０９—２００３中的定义，水源热泵是一种用循环流动于共用管路中的水、从水井、湖泊或河流中抽取的水或在地下盘管中循环流动的水为冷（热）源，制取冷（热）风或冷（热）水的装置。地源热泵是使用地球表面及地下水层的水以及土壤为冷

・收稿日期：２００８—７—８

作者简介：周子成（＇ｑ１５一），男，教授，主要从事制冷窀调的理论研究和新产品设计。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｉｃｈｅｎｇｚｈｅｔｔ＠１６３．ｅｏｎｌ万方数据２００８年１２月

第２７卷第４期（总１０５期）

制冷（热）源的热泵机组。通常，按冷（热）源类型的

不同，它可分为下列几种：

１）地表水热泵

地表水包括江水、河水、湖水、海水、水库水

等。热泵与地表水的换热方式有开路循环和闭路循

环两种方式。开路循环是用水泵抽取地表水在换热

器中与热泵的循环液进行热交换，然后再排入水

体。其优点是系统简单，造价低，缺点是水质较差

时在换热器中易产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。闭路循环是把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体进行热交换。这样，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。但这种系统也受到自然条件的。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泉类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热也需要考虑对水体中生态环境的影响。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度，冬季湖面结冰后会湖水温度的下降。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河道中使用时，管道或水中的其他没备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低、制冷或供热能力的降低。图１所示足闭路循环的地表水热泵系统。

２）地下水热泵

地下水热泵系统的热源是从抽水井或废弃的矿井中抽取的地下水，经过二次换热或直接送至热泵机组，换热后的地下水可以排人地表水系统，通常要求从回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入热泵换热，这样的系统称为开式环路。实际工程巾更多采用的是闭式环路循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵的影响。由于地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比窜外空气温度高，且具有较大的热容量，因此地下水热泵系统的

图１地表水热泵的闭式系统

效率比空气源热泵高，ＣＯＰ值一般在３～４．５，并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。

地下水热泵系统的应用也受到许多条件的。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。按常规计算，１００００ｍ２的空调面积需要的地下水量约为１２０ｍ３／ｈ。其次，地下水热泵系统的经济性还与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电也使系统的效率降低。此外，虽然理论上抽取的地下水将同灌到地下水层，但如果设计、施工不当，从地下抽出来的水经过换热器后很难再全部回灌到含水层内，造成地下水资源流失。再者，即使能够把抽取的地下水全部回灌，如何保证地下水层不受污染也是一个难题。

常用的有单井和多井两种。单井系统在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为目然孑Ｌ洞，不加任何固井设施。典型孑Ｌ径为１５０ｍｍ，孔深４５０ｍ。多井系统是抽水井和回灌井分别是两口井，两井之间保持距离一般为５０ｍ，回灌区直径为ｌＯＯｍ，抽水井和回灌井可定期交换使用。图２表示了两种地下水井的热泵系统。

ａ）单井

万方数据Ｎｏ．４，２００８，Ｄｅｅ．Ｖ０１．２７（Ｔ０ｔａｌＮｏ．１０５）

ｂ）双井（一出水井和一回灌井）图２地下水热泵系统——－－

门灌井

３）土壤源热泵

土壤源热泵也称为地下耦合热泵。是利用地下岩土中热量的闭路循环地源热泵系统。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之Ｉ＇ＨＪ的换热。地下耦合热泵系统有一个由地下埋管组成的地热换热器。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管和沟渠集水器式螺旋埋管三种。

ａ）水平埋管

水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此多层管较常用。单层管最佳深度１．２—２．Ｏｍ，双层管为１．６—２．４ｍ。

当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短时，可以把单回路管子随开挖土方施工直接埋人地下。当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长时，就有：１）串联式水平埋管、２）并联式水平埋管、３）螺旋式（扁平曲线状和螺旋状）水平埋管等多种布置方式。

水平埋管换热器系统的缺点是运行性能不稳定

ａ）单回路管（由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化），泵耗能较高，系统效率较低。

ｂ）串联埋管

ｃ）并联埋管

图３水平埋管

ａ）长轴水平布置的螺旋埋管

ｂ）长轴竖直布置的螺旋埋管

图４螺旋式埋管

ｂ）沟渠集水器式螺旋埋管

这种埋管方式占地面积比图３和图４的型式小，施工也比较容易。见图５所示。

ｃ）竖直埋管

竖直埋管换热器通常采用的是Ｕ型方式，按其

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第２７卷第４期（总１０５期）

制冷

图５沟渠集水器式螺旋埋管

埋管深度可分为浅层（＜３０ｍ），中层（３０～１００ｍ）和深层（＞１００ｍ）三种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孑Ｌ占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的费用和高承压埋管的造价提高。

竖直埋管换热器热泵系统优点足：

（１）占地面积小；

（２）土壤的温度和热特性变化小；

（３）需要的管材最少，泵耗能低；

（４）能效比很高。

而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。

竖直埋管的形式是在地层中钻直径为０．１一

Ｏ．１５ｍ的钻孔，在钻孔中设嚣１组（２根）、２组（４根）、３组（６根）等ｕ型管，并用灌井材料填实。见图６。

钻孔的深度通常为４０～２００ｍ。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。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。设置地热换热器的主要费用是钻孑Ｌ的费用。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，国内、外已开发了一些地热换热器设计计算软件，可以避免盲目估算带来的失误。例如瑞典隆的（ＬＵＮＤ）大学开发的髓Ｄ程序、美国威斯康星（ＷＥＩＳＣＯＮＳＩＯＮ—ＭＡＤＩ．ＳＯＮ）大学太阳能实验室开发的ＴＲＮＳＹＳ程序、美国俄克拉何马州（ＯⅪＡＨＯＭＡ）大学开发的ＧＬＩＤＥ．ＰＲＯ程序以及国内大学的地埋管换热器计算软件。

ａ）２组（４根）Ｕ型管

ｂ）３组（６根）Ｕ型管

图６竖直埋管

由于地下岩土的热物性对传热能力的影响很大，因此需要用现场勘测的方法确定地下岩土的热物性。我国的研究人员和工程技术人员近年来在消化吸收国外先进技术的基础上，在地热换热器的设计理论方面进行了不懈的努力，国内数家大学建立了土壤源热泵实验台，且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备的长期联合运行。其中有１９９８年重庆建筑大学建设了包括浅埋竖埋管换热器和水平埋管换热器在内的热泵实验研究系统；１９９８年青岛建工学院建成了聚乙烯垂直土壤源热泵实验研究系统；湖南大学１９９８年建设了水平埋管土壤源热泵实验研究系统；１９９９年同济大学建设了垂直土壤源热泵实验研究系统。２００１年山东建筑工程学院建成闭路地源热泵示范工程实验研究系统。这些系统对研究土壤源热泵积累了宝贵的经验，为我国推广土壤源热泵奠定了基础。

从２０００年开始，在国内长春、济南、温州、重庆、米泉建立了一系列土壤源热泵系统的示范工程。土壤源热泵系统越来越多的被房地产商所关注和采用。

根据美国能源工程师学会地源热泵培训委员会

万方数据Ｎｏ．４，２００８，Ｄｅｅ．

Ｖ０１．２７（ＴｏｔａｌＮｏ．１０５）

菲尔・萧恩先生的介绍，美国２０世纪８０年代

以前多采用地下水热泵系统，８０年代以后越来越

多的工程开始使用土壤源热泵系统。

ｄ）桩基埋管

桩基埋管是竖直埋管地源热泵系统的一种特殊

埋管形式，即在桩基里布设换热管道。见图７和图

８。它需要在房屋建造时打桩基，把埋管连同桩柱

一同埋入地内。这种埋管节省了占地面积和施工费

用，但运行时如埋管损坏就很难修复。图７桩基换热器埋乍学０

够＋＠ｏ◇弼⑩衙衙

（下期待续）Ｗ型单Ｕ型双Ｕ并连型３Ｕ并连型

图８不同型式的桩基换热器埋管

・研讨交流会信息・

氨氟系统在工业冷冻应用研讨会在广州举行

由比泽尔制冷技术有限公司主办，广东省制冷学会与广州市粤联水产制冷工程有限公司协办的“氨系统、氟系统在工业冷冻应用中的现状及发展研讨会”于１１月７日在广州市鼎龙国际大酒店隆重举行，来自广州、深圳、珠海、东莞、中山、江门、佛山等地的２００多位专家参加了会议。

研讨会由比泽尔公司王向新总监主持。广东省制冷学会副理事长徐泽智在会上致词，他首先代表学会对会议表示热烈祝贺，指出这次研讨会提供的交流平台将能进一步交流制冷行业取得的成就和匝临的发展机遇。徐副理事长强调，要进一步加强合作，强化低温物流质量管理与监督，加强技术自主创新和高新技术及设备产品的研发，在节能降耗、食品安全保障等行业重点工作中，为促进行业技术进步和可持续发展作出更大的成绩。

会议共有四个主题报告：

（１）广州市粤联水产制冷工程有限公司董事长何刚明：《低温物流及食品加工发展现状》；

（２）广州市粤联水产制冷工程有限公司总：亡程师李宪光：《氨系统、氟系统的选型及应用技术》；

（３）比泽尔公司邵亚良：《低温物流及食品加工中氟里昂制冷没备的介绍》；

（４）比泽尔公司Ｍａｇｉｎ：《｝ｌｓ冷冻螺杆机欧洲应用案例及热虹吸油冷方式》。

主题报告后，会议进行了技术交流互动，代表们提出了多个技术问题进行了热烈的研讨。一（小龚报道）

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