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1、地源热泵地源热泵利用地热利用地热能能源的源的高效高效装置装置 PB09000841 陈章麒陈章麒 地热能源地热能源的特点的特点 石油和天然气等化石资源在过去的一个世纪为我们人类提供了不少能量， 随着化石资源 的不断开采， 许多科学家预计地球上的化石资源将在百年以内枯竭， 因此人类开始寻找它们 的替代品，不少新能源也开始走进我们的生活，譬如太阳能、地热能、风能和核能等。尽管 石油、天然气在我们使用的能源中仍然保持着主导地位，但它们的高峰时代已经过去，可再 生能源和核能源的地位显得越发重要起来。并且与传统资源比较，太阳能、风能和地热能等 资源显得更具备商业竞争力。预计这些新能源将成为世界能源消耗的
2、主要构成部分。 地热能是指地面以下的岩石和地下流体（比如河流、湖泊和地下水）中所保存的优质热 源。地热能存储于地下，并不像太阳能和风能那样会受到天气气候的影响，因此可利用的范 围是很大的。近几年来，在世界所利用的可再生能源中，地热能占了很大的一部分（2/3） ， 因此地热能源较其它能源而言具有更大的技术潜力。 另一方面， 地热能是以简单的热能形式 存在，说明它可以被人类直接地利用（比如温泉） ，其开发成本也就比较低，故地热资源相 对于其它可再生资源也更具有发展潜力。 目前地热资源的利用方式主要分为两种， 一是利用地热发电， 其基本原理和火力发电是 类似的，只不过所利用的动力源是地下热水和蒸汽，
3、并将其从机械能转化为电能。但是和其 它发电方式一样的是， 这种地热发电的效率依然维持在比较低的阶段。 二则是地热的直接利 用，这也是目前地热最主要的利用方式，因为这种利用方式不仅方便、效率高，而且成本较 低。比如简单的温泉保健和医疗，以及地热采暖等。然而仅仅这样简单地利用地热能源是不 够的，因为这样的能量利用方式仅仅是利用热传导，其效率由卡诺定理有一个极大。而且由 于技术上过于简单， 其能量利用率很低。 因此一些有效提高地热利用率的方式才是我们所需 要的。 现在发展速度较快的一种方式是地源热泵。 地源热泵能够利用小部分的电能产生大量的 热能，这些热能能够兼用于冬季供暖和夏季制冷。地源热泵不仅能
4、效利用率高，而且可以减 少环境污染，在未来的利用潜力是巨大的。 冰岛的奈斯亚威里尔地热发电站 地源热泵系统模型 地源热泵的原理地源热泵的原理及分类及分类 地源热泵的原理和普通的热泵原理类似，只不过其能量来源来自于地热。夏季制冷时， 室内的热量通过热泵排入地下， 同时压缩机的热能也被排入大地中， 再通过土壤的导热将热 量扩散出去。冬季供热时，热泵通过埋地盘管获取地热中的能量，并为室内供热。地源热泵 的显著特点就是在两个季节能够实现不同的功能，而且效率是一般热泵系统的几倍。 地源热泵系统根据循环物质是否为封闭系统又可以分为闭环和开环系统两类； 而根据所 利用的地热来源不同分为土壤源地热系统、地表水
5、地热系统和地下水地热系统三类： 土壤源地热系统土壤源地热系统 土壤源地源热泵又被称为地埋管地源热泵， 主要利用的是地下土壤及岩石中的热量， 是 闭环系统。它通过循环液（一般是水）在闭环地埋管中的流动，实现系统和大地之间的热交 换。地下埋管的形式分为水平埋管和垂直埋管两种：水平埋管是在地上横向挖一个约 1-2 米 的沟，每个沟中设置几根塑料管作为热交换管。垂直埋管则是在地层中钻孔，并在钻孔中设 置 1-2 组 U 形管并用灌井材料填实。 使用哪一种埋管方式是由可用的地表面积和技术投资所 决定的，前者占用面积较大，但是工程量小；后者占用土地面积小，但工程量大。对于中国 人多地少的国情， 垂直埋管可
6、以比水平埋管节省很多土地面积， 但是技术上需要做的工作和 讨论就会比较多了。 在土壤源地热系统夏季对土壤放热，反之冬季向土壤吸热。这个过程十分漫长，使周围 土壤热量损失非常大，即可能对土壤环境造成不必要的影响。因此，在设置土壤源系统之前 需要对该地区土壤的环境进行评估， 以免过大的土壤温度改变影响土壤的质量， 从而破坏环 境。同时，由于土壤中可能含有水分和化合物会对地埋管产生腐蚀效果，因此应当针对土壤 的类型决定地埋管的材料。 另外在循环环境温度较低的情况下， 需要在循环液体中加入防冻 液。 地表水地表水源源地热系统地热系统 地表水地源热泵中的热交换器是由潜在池塘、 湖泊及溪流等地表水水面以下
7、的多重并联 的塑料管组成，它既可以使用开路循环，也可以使用闭路循环的方式运行。开路循环将抽取 地表水注入换热器中，在其与循环液交换热量之后再将其排入水体。然而，在环境水质较差 的情况下会对换热器产生不良的影响， 比如产生水垢或是腐蚀， 这些都会导致热泵运行不正 常，因此闭路循环较前者更为常见。闭路循环和土壤源地源热泵类似，是将多组热交换管放 入水体中， 系统的循环液即通过这些管与地表水换热实现热泵的目的。 这样就避免与地表水 直接接触，污垢和腐蚀问题也就不复存在。 另一方面，由于地表水的温度受气候影响较大，而且地表水体也是一个生态环境，它所 能承受的冷热负荷将有一定的限制。 所以在布置热交换管
8、之前， 同样需要对地表水体进行评 估。 地下水源地热系统地下水源地热系统 地下水源热泵的热源是水井或是矿井中的地下水， 它通过抽取地下水并与热泵交换热量， 再通过回灌井将其回灌到井中。 因此在水质较好时， 可以让地下水直接进入热泵中进行热交 换，这是一种开式系统。反之在水质较差时使用的一般是闭式循环系统，这也是实际工程中采用较多的方案。 由于地下水所处环境几乎不受外界气候影响， 其水温可以保持常年恒定： 夏季水温比外 界低，冬季水温比外界温度高，这对热泵的运行时十分有利的。而且水具有较大的比热，因 此地下水热泵系统的效率比普通热泵效率要高。正是由于地下水源地热系统具有的高效率， 同时其技术要求
9、比土壤源简单得多， 因此发展这种类型的地源热泵系统成为许多地区的首选。 地下水源热泵技术的使用取决于当地的水质条件。 一方面在开路循环中， 如果系统对地 下水的回灌速度低于抽水速度，将会导致地下水的流失；另一方面，如果地下水位很低，用 于抽水的水泵的耗电量将会很高， 这将会降低地下水源热泵的运行效率。 这两方面都是这种 地源热泵在建设和使用中需要综合考虑和解决的问题。 地源热泵利用热能的效率地源热泵利用热能的效率 对于传统的加热设备， 是将电能或是燃料的燃烧能转化为热能供我们使用， 这样的热泵 不仅能量利用效率低，而且电能的使用本身就产生不必要的污染，燃料的燃烧更是如此。而 地源热泵则不一样，
10、它只需要利用一小部分的电能，就可以将大量的地热由地下转入室内， 这大大减小了电能的使用量，一般地，1kw 的电能在地源热泵中就可以产生 4-5kw 的热能供 人们使用。 无论是土壤、地表水还是地下水，它们的温度都保持常年恒定。运用卡诺定理经过简单 计算可知，地源热泵的制热和制冷的系数都很高，一般可以达到 4.0 左右。而对于目前通常 使用的空气源热泵来说，空气的温度受气候地域等多方面影响，温度波动较大，因此地源热 泵效率比常用的空气源热泵要高出 40%-60%。另一方面，由于热源的温度很稳定，这可以使 地源热泵中的机组运行更为稳定， 这将大大减小地源热泵所需要的维修费用， 这一点也是空 气源热
11、泵所没有的。一言以蔽之，地源热泵系统是一种既高效又经济的热泵系统。 利用地源热泵过程中出现的困难利用地源热泵过程中出现的困难 尽管地源热泵无论是在能源的可再生方面还是费用方面都较传统能源有明显优势， 但是 这种“便宜”的资源是否得到了高效的利用呢？答案是否定的，正是由于这项技术在世界范 围内刚起步不久，因此目前还存在着不少困难需要去解决和面对。 从理论上看， 国际上目前研究的热点集中在地下土壤换热器的换热机理、 系统和换热器 的匹配两个方面。而在不同的热负荷下，即不同的地下环境中，换热器的换热效率与和系统 的匹配都会出现不同， 但由于提出的理论种类繁多， 地源热泵的未普及导致实践与理论的结 合
12、甚少，这两个方面的研究还未有显著成果。 从实践上看，这种热泵系统的布置方法还未形成体系。地源热泵利用的是地热能源，其 最终的使用效果与当地的土壤环境以及气候条件有着十分密切的关系。 因此和其它可再生自 然能源譬如太阳能和风能一样， 建立地源热泵需要大量的实地考察。 比如对当地的土壤进行 取样，以研究其物理性质比如其能量平衡、热工特性、导热性能等，同时需要对当地气候进 行统计与分析。通过对这些因素的综合分析，决定地埋管的布局地址和方式，对换热循环液 体的选择，以及最后热泵系统的工作方式。 从技术上看， 地源热泵的开发必须与其他技术配合好。 比如布置地埋管时所利用的钻井 技术和系统内部的暖通空调技
13、术， 这些都是需要综合考虑的内容， 因此工程技术人员需要做好充分的技术以及经济分析工作。 从政策上看，一方面，布置地源热泵系统必然会利用到土地，这就牵涉到土地的利用以 及所有权问题， 政府应当推出一些迎合这项技术发展的土地政策， 以帮助地源热泵能够在多 处地方得到投资和利用。另一方面，即便得到投资，消费者在市场上很难看到一些能够让他 们信服和满足的地源热泵系统，对此，一套完备的管理机制和评价标准是需要建立的。 另外， 使用地源热泵的初期投资是十分大的， 这些投资除了一般的设备和材料投资以外， 还包括土地所有权和研究投资等等。 因此， 初期投资大成为了阻碍地源热泵发展和普及的一 个主要因素。比如
14、，由于高额的投资费用，不少投资者在布置地源热泵之前不对当地的土壤 环境情况进行调查研究，这会产生很多不良后果：简单地说，具有不同换热系数的土壤对地 埋管的长度具有不同的要求：如果地埋管布置过长，会造成投资浪费；布置过短，则满足不 了热量要求，还有可能造成设备损坏。 综上所述， 有关地源热泵的理论和实践还有很多需要研究， 制度上也需要很多政策的提 出和评价标准的建立，否则提出这项新的能源技术只是一纸空文罢了。 地源热泵系统可能产生的污染地源热泵系统可能产生的污染 不恰当地使用地源热泵系统会导致一些污染问题，这些也都是我们所关心的。 地源热泵所使用的能量来源来自于土壤、 地表水和地下水， 这些体系
15、均是环境的一部分， 而土壤和地表水更是一种重要的生态环境。 如果过多地利用这些体系中的能量， 譬如过多吸 收或者放出热量， 会改变环境的温度。 温度的改变会使多种生物的生活习性收到不同程度的 影响，从而可能破坏体系中的生态平衡，造成热污染。 被地源热泵利用后的尾水将会直接排放入自然水体中， 比如循环液体中的防冻液。 如果 不做好对尾水处理的措施，有可能对水体产生不必要的化学污染。 对于开式循环系统的地源热泵， 需要对自然水体进行抽取和回灌过程。 当这些水体从地 下被抽出时，会造成地层中空隙间的压力降低。而随着地下水开采的增多，地下水的水位会 不断下降，继而引发地面沉降。因此，地源热泵在对地下水
16、体的地热能量利用过程中，应该 保证抽取量和回灌量保持平衡。 地源热泵地源热泵产业产业的现状的现状 在一些发达国家地区譬如欧洲和美国，地源热泵已经具有商业应用。美国在 1989 年安 装地源热泵 14000 台，1997 年安装 45000 台，至今则已安装 400000 台，并且这种安装数目 正在以每年 10%的速度增长。1998 年美国的商业建筑中地源热泵驱动的空调约占 19%，而 在新建筑中这个比例则是 30%。在投资方面，有不少组织譬如美国能源部（DOE） ，自然乡 村店里合作社（NRECA） ，美国地源热泵协会（IGSHPA）合作建立了许多项目以对这项技术 进行开发、研究和推广工作。在欧洲地区，不少国家的地源热泵所供热占有不错的比例。在 瑞典，地源供热所供热占全民供热的 1.09%。在瑞士，这个比例是 0.96%，并且其地源热泵 每年的地热产热量在以 15%速度增长着。在德国，从 1996 年至 2002 年，地源热泵的销售量 已经占全部热泵销量的约 65%， 这个比例在这 7 年间都保持稳定， 而且销售总量正在稳步上 升。 在我国，地源热泵产业还处于起步阶段，规模
