地源热泵供暖如何运行

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高为电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

水源热泵机组工作的大致原理是，夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取热量。

其具体工作原理如下：在制冷模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向地下水中放出热量，形成高温高压液体，并使冷却水温度升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收建筑制冷用水中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷冻水。

在制热模式时，高温高压的制冷气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向建筑供暖用水中放出热量而冷却成高压液体，并使供热水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收地下水中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使低温热源水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在冷凝器中获得热水。

水源热泵与常规空调技术相比，有以下优点：

高效节能

水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12～22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体温度为18～35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.5～6.0kW.h的热量或5.0～6.2kW.h的冷量。与空气源热泵相比，其投资费用比空气源热泵少60%，运行费用仅为普通中央空调的40～60%。

可再生能源

水源热泵是利用了地球地下水所储藏的太阳能资源作为热源，利用地球水体自然散热后的低温水作为冷源，进行能量转换的供暖空调系统。是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。

节水省地

以地下水为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染；省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间。

环保效益显著

水源热泵机组供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染。所以，水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。

应用范围广

水源热泵系统可供暖和制冷，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工作量比传统空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。

水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。

维护方便

水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性；采用全电脑控制，自动程度高。由于系统简单、机组部件少，运行稳定，因此维护费用低，使用寿命长。

蔡建新

（天津京津塘地热科技开发有限公司）

1 地源热泵原理及其特点

1.1 地源热泵原理

地源热泵的原理与普通热泵原理相同，只是为热泵提供的热源是利用自然界中的水、土壤等能汇集地下热能，太阳能等的自然介质中存储的热源（图1）。

图1 热泵原理图

如果建筑附近有可利用的湖、海或水池，并且水温合适（10～20℃）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管道进湖、海或水池，利用温度较低的地表来散热；冬季吸收海、湖或池内水的热量，用作热泵的低温热源，经热泵汇集后升温传递给室内采暖。利用地表水的地源热泵系统，最适宜的区域是我国的黄河以南到长江、珠江流域的夏热冬冷地区。

地下水系统一般采用开放的循环系统。地下井水经热泵吸热后（冬季放热）向地下深井中放热（冬季吸热）。地下水系统适用于地下水丰富的地区。地下水的温度常年稳定，基本不受外界气温影响，可以让热泵机组高效运行。

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选择。将管道埋于地下浅层土壤中，循环水经水管与地下土壤进行热交换，夏季土壤作为热汇吸收热量，冬季作为热源为热泵机组提供热量。水平埋管通常用于浅层埋设，开控技术要求不高，但换热能力相对较小，占地面积大；垂直U型埋管换热能力强，可占相对较小土地面积。北方地区因冬季采暖需热量大，通常需采用垂直埋管方式。

1.2 地源热泵特点

1.2.1 地源热泵是清洁的可再生能源利用技术

地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器，同时地球深部的热能也会通过地表向大气层散失。人类每年消耗的全部能量，只是地表吸收和散发的太阳能和地热能的极小的一部分。地表能量被利用后，可由太阳能和地球深部传导上来的热量很快平衡，不会对自然界的能量系统造成不良影响。因此浅层地表能量是一个取之不尽的可再生清洁能源库。

1.2.2 是高效节能的技术

热泵本身的制热效率就比较高。因为热泵产生的热主要不是因燃烧或电加热而直接产生的热量，而是从低温热源中转移过来的热量。我们可以通过一次能源利用率来说明热泵的高效率。

能源利用系数E为装置的制热量与消耗的初级能量的比值。

假设热泵消耗的能量是电，火力发电的效率为0.35，输配电的效率是0.95则热泵E值为：

E＝0.35∗0.95∗COP（COP为热泵的制热性系数）

表1 热泵供热时与传统的供热方式E值相当的COP值

现在高效热泵的COP都能达到3.5～4以上，因此，E＝0.35×0.95×4＝1.33。由此可以看出，热泵在利用一次能源（燃煤）的总体效率上，比效率最高的热电联产的效率还要高。

此外地源热泵的土壤换热器、地下水、地表水作为热源或热汇，冬季在制热运行时，地下水温比环境温度高，使水源热泵的蒸发温度，比其他类型比如风冷热泵的蒸发温度大大提高，且没有化霜操作，所以能效比提高很多，至少在40%以上；夏季制冷时由于地下水，地表水温度比环境气温低，冷凝压力降低，压缩机输入功率减小，使制冷性能比风冷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，节能20%以上。风冷热泵效率低与地源热泵相比差距大。最节能的风冷空调能耗比也只有2.8。而地源热泵夏季空调时的最低能耗比也在4以上。

1.2.3 环境保护

地源热泵抽取地表水或地下水，并保证100%地下水回灌，甚至不抽取地下水（土壤换热器），对环境不产生破坏作用。热泵以电为驱动力，运行时不直接产生对环境的有害污染，而大规模火力发电则已有成熟的技术降低或治理污染物排放，（如果是水电或核电污染更低）。因此地源热泵系统具有相当好的环境保护效果。

1.2.4 一机多用运行稳定可靠

地源热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水，对于同时需求供暖、供冷的建筑，地源热泵一套系统就可同时解决，节省了建筑的配套建设费用和配套设施占用面积。

另外地表水，地下水和浅层地温的变化范围远小于环境气温的变化范围，使地源热泵全年运行稳定，再配合热泵系统自动化程度高，保证了地源热泵采暖、空调系统比传统的采暖、空调系统具有更高的安全性。

1.2.5 应用市场广泛，适用性强

（1）我国绝大多数地域属于夏热冬冷的地区，对建筑采暖用热和空调用冷均可统一于地源热泵系统，尤其对于办公或商务建筑，基本都要求集中空调空调系统。采用地源热泵既解决了采暖又解决了空调，一举两得。

（2）建筑能耗所占能源消耗比例越来越大，发达国家比例达到40%～45%，我国已达到35%。而建筑能耗可以利用温度较低的低品质能量，因此将地源热泵系统在建筑采暖空调领域利用最具经济性、合理性。

2 工程应用案例

几年来，天津京津塘地热科技开发有限公司设计、施工了不少地源热泵空调项目。下面简单给大家介绍一下。

2.1 天津开发区海滨大道发展有限公司办公楼（2002年）

原始设计参数：建筑面积：2400m2；设计热负荷：189kW；设计冷负荷：236kW。

土壤换热器：设计孔深；100m；设计孔数：40。热泵机组：西亚特LWP900 1台；制冷：254kW；制热：339kW。

海滨大道有限公司机房

表2

2.2 中国华能集团小汤山培训中心（2005年）

中国华能集团小汤山培训中心原建筑面积10000m2；原采暖系统为地热井；原空调系统为冷却塔中央空调。新增加建筑面积：20000m2。原有地热井一眼，地热井的具体参数如下：地热井温度：65 ℃；最大水量为：80m3/h；原排水温度：40 ℃；最大热量：2326kW；北京地热水资源费：3元/m3。

因为如果地热井故障，会导致建筑停止供暖8～24小时。所以鉴于采暖安全性和经济性考虑，决定增加地源热泵作为新建筑的中央空调系统，和地热井的热源互为备用。并且可以考虑利用地热井采暖的成本如果太高，可以改为部分利用或全部利用地源热泵。

设计孔深；150m；设计孔数：200；热泵机组：克莱门特热泵2台PSRHH3002；制冷：1092kW，制热：1280kW。

2.3 塘沽凯华商业广场（2005年）

建筑面积4000m2，设计热负荷：240kW，设计冷负荷：320kW。土壤换热器：设计孔深为100m，设计孔数26个，桩埋管数量：3670m。热泵机组：西亚特LWP1200 1台，制冷343kW，制热452kW。

3 设计和工程中存在的问题

（1）关于地下水源开采—回灌和土壤换热器的比较：近几年来地源热泵的发展主要形式是地下水源开采—回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降，地面沉降问题一直很严重，像天津、上海，多年来面临严重的地面沉降问题，天津有专门的地面沉降办公室，在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已经搞了很多年，积累了很多经验教训，也知道这种地层回灌难度有多大。天津水务部门一直没有开放对利用地下水源用作热泵低温热源或热汇的控制。

在天津地区地下咸水层浅，开凿竖井埋管时会连通咸淡水层，为防止水层连通，要采取必要的措施。并且天津市水利部门加强了对此工作的管理，实施行政许可管理。

采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。

（2）冬季避免采用防冻液介质。很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。但我认为在我国华北及以南区域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。

（3）系统的管材质量必须保证合格，只能采用PE或PB管材。土壤换热器系统设计要保证水系统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。

（4）关于竖直埋管埋设单U型或双U型管的问题，但从工程实践中看，我认为单U型管方式优于双U型管方式。该问题讨论比较复杂，要从土壤换热器的总体能量容量考虑。土壤换热器的总体能量容量还涉及到换热器的布局形状等问题。希望有机会再专门讨论该问题。

参考资料

［1］殷平.地源热泵在中国.现代空调.2001

［2］汪集旸，马伟斌，龚宇烈编.可再生能源丛书《地热利用技术》.北京：化学工业出版社

［3］付祥钊主编.夏热冬冷地区建筑节能技术.北京：中国建筑工业出版社

［4］徐伟等译.地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社

张新世

（中原石油勘探局勘察设计研究院）

论文摘要：本文介绍了地源热泵的概念及工作原理，随后详细地论述了地源热泵的特点，和地源热泵在我国发展的限制条件，并介绍了地源热泵在国内使用情况及发展前景，最后鲜明地指出地源热泵技术是目前对人类最友好最有效的供热供冷技术。

1 地源热泵的概念和工作原理

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（包括地下水、土壤和地表水）即可供热又可供冷的高效节能空调系统。利用逆卡诺循环，通过输入少量高品位的电能，实现低品位热能向高品位热能转移。热泵一般有蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀四部分组成。

地源热泵的工作原理是：在夏季，热泵机组将建筑物中的热量取出，转移释放到地层中；在冬季，则从地层中提取热量，向建筑物供热。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

2 地源热泵的特点

我们知道在地球表面以下一定深度的地温全年相对恒定，地源热泵利用浅层地热作为冷热源，这样就排除了环境因素的影响，与其它供热供冷系统相比，具有以下显著特点。

2.1 利用的是可再生能源

地源热泵在夏季吸收建筑物散发的热量并在浅层地下保存起来，一部分热量在冬季供建筑物的采暖，另一部分热量则直接散发到空气中。就全年来说，建筑物利用浅层地热的热量或冷量大体是相等的。所以说，地源热泵利用的是可再生能源。

2.2 高效节能

由于地源热泵的热源温度全年一般为10～22℃，冬季供热时，水体温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季制冷时，水体温度比环境温度低，冷却效果提高，机组效率也提高。水源热泵的制冷制热系数可达4.0以上，与传统的空气源热泵相比，高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%～60%，与电热锅炉和电热膜供热相比，节约70%左右的电能。

2.3 环保效益显著

水源热泵运行时，需要的仅仅是水源水的热量或冷量，水质不发生任何变化，也不产生任何污染，不耗水、排烟，不产生灰尘，仅仅消耗少量的电能。

从耗电方面来说，节能就是环保。使用水源热泵导致的污染物排放，比空气源热泵减少40%，比电锅炉减少70%。虽然地源热泵也使用制冷剂，但比常规空调减少25%的冲灌量。地源热泵在工厂内整装密封完好，不会像分体空调那样安装时易产生泄漏。

2.4 一机多用

一套地源热泵就可以实现供热、供冷和生活热水供应。即用一套设备可以代替原来的锅炉加空调两套系统，所以一次性投资仅是传统供热制冷的50%～70%。特别是在夏季供冷时，可以利用热泵产生的费热，免费为用户提供生活热水。所以，地源热泵特别适用同时有供热供冷和生活热水供应的建筑。

2.5 节省土地资源

水源热泵除主机和循环水泵外，没有其它安装设备。与锅炉房相比，省去了水处理间、风机间、烟囱、煤场和渣土场，节约了土地资源。

2.6 运行稳定可靠、使用寿命长

由于地源热泵的水体温度稳定，与空气源热泵相比，免除了结霜和除霜的影响。热泵的运转部件少，基本上不需要维修，运行稳定可靠，使用寿命可达20年左右。

2.7 自动化程度高

地源热泵一般是全电脑控制，可根据外部负荷的变化，调整压缩机的工作数量，并设有压缩机超温保护、断水保护等多种保护措施，可实现无人值守。

3 地源热泵供热系统的组成

地源热泵工程一般有地源水系统，热泵机房和末端风机盘管散热系统三部分组成。根据地源换热系统的形式又分为开式环路系统和闭式环路系统。

开式环路系统是将水从水井（包括湖泊和河流）中抽出，送入热交换机组进行热交换，提取热量或冷量后的水再回灌到水井中。开式环路系统用水一般只进行简单的水处理，会引起换热器表面结垢。开式系统是目前地源热泵应用的主要形式。

闭式环路系统又分为立埋式环路系统和平埋式环路系统。它是通过埋在地下的聚乙烯管环路与土壤进行热交换。通常适合安装在别墅等场地较大的建筑物。

4 地源热泵的限制条件

地源热泵被专家们称之为目前可用的对人类最友好最有效的供热供冷形式，近几年在研究和应用上得到了迅速发展，但由于受到以下客观条件的限制，这项技术的应用尚不普遍。

4.1 宣传认识不足

地源热泵技术虽然受到热暖专家的推崇，但是要获得在工程中的普遍应用，需要各阶层领导特别是工程主管领导的认可。由于这项技术是近几年随着我国能源战略的调整才发展起来的，甚至部分热暖技术人员，也存在认识不足的现象。所以，要获得社会的认同还需要加大宣传力度。

4.2 政策力度不够

我国《节约能源法》中，对热电联产和集中供热技术鼓励和发展，而对综合能源利用率是其2倍的地源热泵技术，至今还没有鼓励发展的明确条文。

4.3 水源条件的限制

对于开式环路地源热泵系统是否有充足的水源，以及当地的地质土壤条件是否能保证尾水的回灌顺利实现是地源热泵应用的前提条件。一般来说，用于小区供暖时，建筑容积率要≤1。对于闭式系统，受当地地质条件是否适合埋管和是否有足够的场地埋管等环境条件的限制。

4.4 埋管系统换热计算理论不成熟

对于地源热泵机组和末端风机盘管散热系统目前技术已相当成熟。对开式系统，当地水利部门对水源情况也相当了解；而对埋管系统，目前土壤埋管换热计算理论还不成熟，设计落后于工程应用，这就使工程质量难以保证，并使该项技术的广泛应用受到限制。

4.5 受当地水利部门政策的限制

我国南方水源充足，而北方大部分地区水源缺乏，为保护有限的水资源，每个地方政府都制定了当地的水资源使用法规。虽然地源热泵系统并不消耗水也不污染地下水，但需要大量的水作热载体。有些地方部门对取水和回灌水进行双重收费，使地源热泵的节能效果不能够充分体现，这就限制了该项技术在这些地区的发展。

5 地源热泵的应用

5.1 国外应用情况

地源热泵在日、韩、美和中、北欧应用较为普遍。据1999年的统计，在住宅供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士96%，奥地利38%，丹麦27%。美国1998年地源热泵系统在新建筑中占30%，且以10%的速度稳步增长。其中最著名的地源热泵工程有肯塔基州刘易斯威尔的滨水区办公大楼，服务面积15.8×104m2，每月节省运行费用25000 美元。随着该项技术的应用发展，其组织的研究也迅速发展。据有关资料介绍，日本国研究出的高温水地源热泵，出水温度达到80～150℃，且其制热系数COP高达8.0。

5.2 国内应用情况

天津大学热能研究所的吕灿仁教授在1954年就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组。目前多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。

国内较早生产水源热泵的厂家有清华同方人工环境设备公司和山东海洋富尔达，产品都已系列化。目前热泵机组出水温度已达65℃，制冷系数COP可达6.7。目前国内较典型的用户有沈阳东北电力住宅小区，服务面积8×104m2；北京友谊医院服务面积7.1×104m2，全年节约采暖和供冷运行费用约9元/m2。

中原油田钻井三公司办公楼水源热泵示范工程是我局第一个地源热泵系统。选用钻井综合工程处与清华大学联合研制生产的ZYRB240 型热泵机组2台，服务面积6000m2。该项工程的成功实施必将为地源热泵在中原油田的推广应用起到有力的推动作用。

6 地源热泵的发展前景

6.1 符合政府有关部门的要求

地源热泵高效节能，环保效益好，符合我国的能源政策和环境保护政策，热泵技术的综合能源利用率约为120%～180%。所以国家把热、电、冷联产技术作为鼓励发展的通用节能技术促进了地源热泵技术的发展。

6.2 符合业主的利益

由于地源热泵即可供热，又可供冷。一套系统可以代替原来的两套系统，投资少。且地源热泵占地少，运行成本低，管理方便，这些都符合业主的根本利益。

6.3 符合用户的利益

地源热泵供热费用燃煤集中锅炉房供热费用的一半，夏季供冷费用约为冷水机组的60%，这就减少了用户供热供冷费用的支出，符合用户的切身利益。

6.4 适用地区范围广

冷水机组只能用于夏季供冷，风冷机组只适用于长江流域的供热供冷，而地源热泵除即无可利用地下水又不能埋管的极少数地区外，适用于其它绝大多数地区。

6.5 应用范围不断扩展

地源热泵不仅在建筑采暖和供冷方面得到迅速发展，目前在化工、食品、造纸、农业、冶金、木材干燥、制药等行业中也得到了｀广泛应用。据预测2000年这些行业应用地源热泵1200多台，且发展势头强劲。

综上所述，地源热泵技术以其独有的优点，近几年在国内得到迅速发展。随着我国能源结构政策的调整，我国以燃煤锅炉采暖和空气源热泵供冷的传统形式会被更加高效的地源热泵所取代。随着地源热泵技术的研究和发展，它比将成为21世纪最普遍最有效的供热供冷技术。

参考文献

［1］刘兴中.水源热泵系统介绍.2001

［2］吴展豪.地源热泵空调系统.2001

注：本文引至全国油区城镇地热开发利用经验交流会论文集，冶金工业出版社，2003

地源热泵地温中央空调是利用地下水水温常年恒定的特点，进行能量转换的制冷制热的空调系统。是环保、节能、“零”污染、“零”排放的一种空调设备。其特点如下：

1、一机三用：可用来制冷、采暖、提供生活热水

2、绿色环保

3、高效节能

4、安全可靠

5、体积小、占地少

6、控制方便

地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源（如电能等）实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。通常地源热泵消耗1kwh的能量，用户可以得到4kwh以上的热量或冷量。

地源热泵是以岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源，由水地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热中央空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。

"地源热泵"的概念，最早在1912 年由瑞士的专家提出，而这项技术的提出始于英、美两国。北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。

地源热泵技术属可再生能源利用技术。由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。