关于地源热泵供暖空调技术的分析

2024年8月11日发(作者：房门锁坏了怎么撬开)

关于地源热泵供暖空调技术的分析

摘要：本文作者介绍了地源热泵的类别及特点，综合分析了当前

地源热泵在国外和国内的发展现状和发展前景及地源热泵存在的

问题，供大家参考。

关键词：地源热泵；节能；暖通空调技术；分析

中图分类号：f323.22文献标识码：a 文章编号：

进入二十一世纪，能源紧缺已经成为各国经济发展的世界难题。

随着经济的持续发展，人们生活水平的不断提高，对空调的舒适性、

室内空气品质的要求也越来越高。为了更好地满足人们这种更加舒

适和更加有利于身心健康的要求，近年来在空调领域兴起了地源热

泵供暖空调技术。地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可

行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。

地源热泵（groundsourceheatpump）也称为地热热泵

（geothermalheatpump），它是以地源能土壤、地下水、地表水、

低温地热水和尾水作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低

温热源的系统，同时也是实现采暖、制冷和生活用水的一种系统。

它用来替代传统的用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式，

是改善城市大气环境和节约能源的一种有效途径，也是国内地源能

利用的一个新发展方向。地源热泵系统根据不同的构成形式有不同

的名称：地耦合式热泵、土壤热源热泵、水源热泵、地热热泵、闭

环热泵、太阳能热泵、地源热泵等。

1 地源热泵的分类及其各自特点

根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类：土壤源热

泵或称土壤耦合热泵（gchp），地下水热泵（gwhp），地表水热泵

（swhp）。

1.1 土壤源热泵

土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与

大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水或热泵机

组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂

直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。

垂直埋管换热器通常采用的是u型方式，按其埋管深度可分为浅

层（100m）三种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积

较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提

高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：（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。

水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占

地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长

应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由

于施工设备广泛使用而且施工人员易找，又加上许多家庭有足够大

的施工场地，因此造价就可以减下来。除需要较大场地外，水平埋

管换热器系统的劣势还在于：运行性能上不稳定（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

统效率降低。

蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖

掘量只有单管水平埋管换热器20%～30%，但是用管量会明显增加。

这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所以有的文献将其归入水

平埋管换热器。

1.2 地下水热泵系统

在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地源热泵系统是

地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用，主要应用在商业建

筑中。最常用的系统形式是采用水—水式板式换热器，一侧走地下

水，一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统，

即将地下水经过板式换热器后直接排放。这样做，一则浪费地下水

资源，二则容易造成地层塌陷，引起地质灾害。于是产生了双井系

统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比

土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不占什么场地，技术也相对

比较成熟，水井承包商也容易找。其劣势就在于：1.有些地方法规

禁止抽取或回灌地下水；2.可供的地下水有限；3.如水质不好或打

井不合格要注意水处理；4.如泵选择过大、控制不良或水井与建筑

偏远，泵耗能就会过大。

1.3 地表水热泵系统

地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，开路系统

并不适用，只能采用闭路系统。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，

在公共用的河中，管道或水中的其他设备容易受到损害。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，制冷或供热能力降低的后果。

1.4 系统组成及工作原理：地源中央空调系统是由末端（室内空

气处理末端）系统，地源中央空调主机（又称地源热泵）系统和热

源水系统三部分组成。为用户供热时，地源中央空调系统从水源中

提取低品位热能，通过电能驱动的地源中央空调主机（热泵）“泵”

送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，地源中央空

调将用户室内的余热通过地源中央空调主机（制冷）转移到水源中，

以满足用户制冷需求。

2 地源热泵供暖空调技术特点

2.1 应用范围广泛。地源热泵冷、热水机组可制冷、采暖、提供

卫生热水，广泛用于商场、宾馆、写字楼、影剧院、住宅、学校、

餐饮等场所，也可用于要求较高的科学研究院、计算机机房、医院

等领域。

2.2 效果稳定可靠。地源热泵是提取地下相对恒温能量，获取冷

热源的设备。因为地下不受地面环境温度变化的影响，制冷、制热

效果稳定，不存在一般的空调设备越冷天越制热量少，越热天越制

冷量少的问题。

2.3 高效、节能。机组制冷、制热效果显著，能效比高达5.94

—6.0，因提取的地下温度和建筑物所需温度相差较小，提取时的

耗电量大大低于传统空调，机组运行费用低，较其他形式的中央空

调，可节电40%——60%。

3 地源热泵存在的问题

3.1 土壤特性问题。地源热泵系统的性能好坏与当地土壤热特性

密切相关，地热源的最佳间隔和深度取决于当地土壤的热物性和气

候条件。土壤的热特性研究主要包括土壤的能量平衡、热工性能、

土壤中的传热与传湿以及环境对土壤热物性的影响等。

3.2 地下换热器传热机理的理论研究繁多，但缺乏理论与实践的

有效结合，缺乏多环境下应用技术的系统研究以及实际有效的强化

传热方法。

3.3 不同冷、热负荷下，地下换热器与热泵系统最佳匹配技术的

研究不够。90年代以来，地热空调技术的研究热点依然集中在地热

能换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地热能换热器匹配等

方面。与前一阶段单纯采用“线源”传热模型不同，最新的研究更

多地开始关注相互耦合的传热、传质模型，以更好地模拟地热能换

热器的真实换热情况；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，

以强化土壤埋管在土壤中的导热过程，从而降低系统用于安装土壤

埋管的初投资；为进一步优化系统，国外有关地热能换热器与热泵

装置的最佳匹配参数的研究也在开展。

3.4 热泵技术与其他技术的配合问题：地源热泵技术是暖通空调

技术与钻井技术相结合的综合技术，两者缺一不可，这要求工程组

织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。

4 结束语

近年来，随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，

改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的要求。如何在建筑热舒

适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，减轻对大气环境的

污染，成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。现阶段，在保证

使用功能不降低的情况下，我们应采取各种有效的技术和管理措

施，把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来，对原有建筑物有计

划地进行节能改造，达到节省能源、保护环境和提高人民生活质量

的目的。

参考文献：

[1] 朱家玲.地热能开发与应用技术[m].北京：化学工业出版社，

2006.

[2] 张旭.热泵技术[m].北京：化学工业出版社，2007.

[3] 廖汉光.地源热泵在欧美国家的发展概况[j].工程与建设，

2010，（3）.