摘要：隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空調已經成為普遍的要求。作為中國傳統供熱的燃煤鍋爐不僅能源利用率低、運行費用高，而且還會給大氣造成嚴重的污染，因此一些城市已經在逐漸淘汰燃煤鍋爐，地源熱泵技術正是在這種形勢下應運而生、逐步推廣的一種在技術上和經濟上都具有較大優勢的解決供熱和空調的替代方式。本文重點概述了地源熱泵的概念、技術原理、發展現狀，描述了它的優勢與不足之處，進而通過分析我國能源消費結構展現它在節能方面發揮的巨大作用。

　　關鍵詞：地源熱泵,節能

　　地源熱泵實際上是一項非常古老的技術，四十年代便有應用，只是近五年來相關技術發展，使其迅速商業化。地源熱泵的名稱最早出現在1912年瑞士的一份專利文獻中，20世紀50年代歐洲出現了利用地源熱泵的第一次高潮。在此期間，Ingersoll和Plass根據Kelvin線源概念提出了地下埋管換熱器的線熱源理論，但當時由于能源價格低，系統造價高，沒有得到廣泛應用。70年代，石油危機把人們的注意力集中到節能、高效益使用能源，使地源熱泵的發展進入了高潮階段。這個時期歐洲建立了不少水平埋管換熱器的地源熱泵，但主要用于冬季供暖。80年代初開始，美國、加拿大開展了冷暖聯供地源熱泵方面的研究工作，不少文獻報道了地源熱泵不同形式地下埋管換熱器的傳熱過程及模型，并有部分工程的運行總結和性能比較。地源熱泵技術的發展與廣泛的實際應用讓我們看到它未來的發展潛力是無限的，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術，因此對于它的研究十分重要。

　　一、地源熱泵的工作原理

　　地源熱泵是逆卡諾原理的應用，從外部供給熱泵較小的耗功W，從低溫環境中吸收大量的低溫熱能，從而使熱泵可以輸出溫度更高的熱能，并送到高溫環境中。地源熱泵是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能(地下水、土壤或地表水)進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時地能為“熱源”;夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。

　　根據熱力學第二定律，熱可以自發地由高溫物體傳向低溫物體，而由低溫物體傳向高溫物體則必須做功。熱泵系統實現了把能量由低溫物體向高溫物體的傳遞，它是以花費一部分高質能(電能)為代價，從自然環境中獲取能量，并連同所花費的高質能一起向用戶供熱。熱泵的供熱量大于所消耗的功量，是綜合利用能源的一種很有價值的措施。

　　二、 地源熱泵技術路線

　　地源熱泵技術路線有以下兩種：土--氣型地源熱泵技術和水--水型地源熱泵技術

　　土--氣型地源熱泵技術以美國的技術為代表，水--水地源熱泵技術以北歐的技術為代表。二者的差別是：前者從淺層土壤或地下水中取熱或向其排熱，通過分散布置于各個房間的地源熱泵機組直接轉換成熱風或冷風為房間供暖或制冷。后者是從地下水中取熱或向其排熱，經過熱泵機組轉換成熱水或冷水，然后再經過布置在各個房間的風機盤管轉換成熱風或冷風給房間供暖或制冷。由于美國的土--氣型地源熱泵技術，可以不用地下水，采用埋設垂直管、水平管或向地表水拋設管路等多種方式，直接從淺層土壤取效或向其排熱，不受地下水開采的限制，推廣的范圍更大、更靈活。

　　三、地源熱泵特點

　　1.屬可再生能源利用技術

　　2.屬經濟有效的節能技術

　　3.環境效益顯著

　　4.一機多用，應用范圍廣

　　當然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應用會受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響;一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同;采用地下水的利用方式，會受到當地地下水資源的制約，實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質產生污染。

　　地源熱泵也存在一定的缺點：其受大地溫度和土壤熱物性影響較大，土壤的導熱系數較小，換熱量就小;連續運行時，熱泵的冷凝溫度和蒸發溫度易受影響發生波動，這也是最需解決的問題。

　　四、地源熱泵為什么能節能

　　空調的作用和目的就是將熱能進行空間轉移。

　　(一)實現熱能轉移的條件

　　熱能轉移是靠熱能交換來實現的，要實現熱能交換必須存在三個條件：

　　1.存在能裝載熱能的載體(如水、氟利氨、室內空氣、室外空氣、地下土壤等)。

　　2.進行熱交換的載體必須存在溫度差

　　3.進行熱交換的載體必須存在直接接觸面

　　一般來講：室內空氣與室外空氣因沒有溫度差不會發生熱交換，同樣室內空氣與地下土壤因沒有直接接觸面也不會發生熱交換;而空調機的作用就是利用電能將第三種載體的熱能進行增加或降低，從而造成第三種載體溫度增加或降低，產生第三種載體與室內空氣、室外空氣(或地下土壤)存在一定的溫度差，同時第三種載體既與室內空氣直接接觸，又與室外空氣(或地下土壤)直接接觸;總而言之，利用空調機組將不能進行熱交換的載體變成可進行熱交換的載體，從而達到熱能轉移的目的;當然為達到這一目的必須消耗一定的電能。

　　(二)影響熱量轉移效率的因素

　　影響熱能轉移的因素有以下幾種：

　　1.熱能載體間的溫度差：溫度差越大，熱能交換越快，交換量越大，效率越高。

　　2.熱能載體的流量：流量越大，熱能交換越快，交換量越大，效率越高。

　　3.熱交換的直接接觸面積：面積越大，熱能交換越快，交換量越大，效率越高。

　　以上幾種因素相互影響，相互制約，當然，熱交換的效率越高，表明損失的熱能越少，空調機組的綜合性能系數越高，相應的消耗的電能就越少

　　(三)空調機組熱交換效率的分析

　　空調機組的電能消耗包括三部分：與室內空氣進行熱交換而消耗的電能(室內機)、空調機組內部進行的熱交換而消耗的電能(主機)，與室外空氣(地下土壤)進行熱交換而消耗的電能，其中與室外空氣進行熱交換而消耗的電能占空調耗電的50%以上，

　　無論采用哪種類型的空調機組，其中室內熱交換部分的耗電和主機熱交換部分的耗電是差不多的，交換效率相同，但是與室外空氣(地下土壤)熱交換的效率因環境工況不同而大不一樣，效率和耗電差異很大;因此在這里我們主要分析機組與室外空氣(或地下土壤)進行熱交換的效率

　　1、普通空調(空氣源熱泵)熱交換效率分析

　　夏季時，室外側載體(與室外空氣進行熱交換的載體)經主機熱交換后的溫度一般都達到40℃，而環境空氣溫度一般在32∽37℃;溫度差在8∽3℃左右;冬季時，室外側載體經主機熱交換后的溫度一般只達到6℃，而環境空氣溫度一般在7∽10℃;溫度差在1∽4℃左右。這么低的溫差造成自然的熱交換效果肯定差。我們常說的最熱時或最冷時的空調效果很差就這個原因造成的。

　　2、地源熱泵效率分析

　　因地下土壤的環境溫度一年四季比較恒定，均處在14∽18℃左右;而且不受氣候變化影響。夏季時，室外側載體經主機熱交換后的溫度一般都達到40℃，與土壤環境溫度的溫度差在26∽22℃左右;冬季時，室外側載體經主機熱交換后的溫度一般只達到6℃，與土壤環境溫度的溫度差在8∽12℃左右。這么高的溫差造成自然的熱交換效果肯定好。

　　通過上述效率的分析，普通空調(空氣源熱泵)換熱效率低，而直接接觸面積受到設備空間限制，只有靠增加風的流量來滿足機組需要的熱能轉移要求，從而增加風扇的電功率。增大了耗電能量，降低空調的綜合能效系數;但是地源熱泵換熱效率高，接觸面積不受限制，只要當接觸面積達到一定值時，就不需要增加任何用電設備來提高載體的流量就能滿足機組的熱量轉移要求，基本上不需要消耗電能，當然這也是地源熱泵初次投資高的原因

　　四、普通空調(空氣源熱泵)與地源熱泵的綜合性能系數

　　一般的，空調都有一個耗電指標：綜合性能系數EER值;普通空調(空氣源熱泵)EER值一般在2.5-3.5之間，意思就是空調消耗1KW的電能，能得到2.5-3.5KW的制冷(熱)量。而地源熱泵的EER值一般在5以上，最高能達到7，也就是說，消耗1KW的電能，能得到5∽7KW的制冷(熱)量。

　　通過對EER值的比較，我們不難看出，地源熱泵空調比普通空調(空氣源熱泵)省電50%左右，這就是地源熱泵節能省電的原因。

　　五、地源熱泵應用方式

　　地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統、分散系統和混合系統。

　　1.家用系統

　　用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統進行冷熱供應，多用于小型住宅，別墅等戶式空調。

　　2.集中系統

　　熱泵布置在機房內，冷熱量集中通過風道或水路分配系統送到各房間。

　　3.分散系統

　　用中央水泵，采用水環路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調節空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。

　　4.混合系統

　　將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的系統，混合系統與分散系統非常類似，只是冷熱源系統增加了冷卻塔或鍋爐。

　　南方地區，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節省投資。

　　(三)地源熱泵節能意義

　　面對嚴峻的能源形勢，國家總的能源政策還是節能和新能源開發、再生能源利用并重，因此，地源熱泵技術的推廣應用在我國具有極大的現實意義。地源熱泵比風冷熱泵節能40%，比電采暖節能70%，比燃氣爐效率提高48%，所需制冷劑比—般熱泵空調減少50%。從降低運行費用、節省能源、減少排放CO：排放量來看地源熱泵技術是一個不錯的選擇。地源熱泵是一一種先進的技術，它高效、節能、環保，有利于可持續發展。地源熱泵的能量來源于自然能源，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的綠色空調”。被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統，該系統無論嚴寒地區還是熱帶地區均可應用，可廣闊應用在辦公樓、賓館、學校、宿舍、醫院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。

　　結論

　　進入21世紀以來，已經成為世界經濟發展的潮流。發展知識經濟要求人們加強經濟運行過程中以智力資源對物質資源的替代，實現經濟活動向知識化轉變;發展循環經濟要求以環境友好的方式利用自然資源、經濟資源、環境容量，實現經濟活動向生態化轉變。與此同時中國的經濟社會卻面臨著資源尤其是能源短缺的制約。地源熱泵技術的研究與推廣正是順應了發展知識經濟和循環經濟的潮流，為我國能源短缺問題提供了一種很好的解決方式。國家與企業應當重視地源熱泵技術的研發與實際推廣應用，為我國更好的發展與生活創造條件。

　　參考文獻

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　　[2]王德榮.地源熱泵技術及其節能效益分析[J].大眾用電.2005年第6期

　　本文選自《施工技術》。  《施工技術》創刊于1958年，是由中華人民共和國住房和城鄉建設部主管，亞太建設科技信息研究院、中國建筑設計研究院、中國建筑工程總公司、中國土木工程學會主辦，國際刊號ISSN:1002-8498,國內刊號CN:11-2831/TU.國內建設系統的國家級、核心科技期刊。