乔丽（西安建筑科技大学 710055）
摘要：土壤源热泵在暖通空调领域并不是一项新技术。本文从土壤源热泵的工作原理入手，介绍了土壤源热泵是高效、节能、环保的技术，也指出了土壤源热泵的一些不足，并对其发展做了展望。
The Efficient and Economic and Environmental Geoexchange Heat Pump Systems
Qiao li
Abstract The technologies of geoexchange heat pumps are not new today. This article starts with the working principle of geoexchange heat pump systems, refers to that the systems are efficient and economic and environmental, and discusses some shortcomings of the systems, then predicts the future of the technologies.
Keywords geoexchange heat pump air-cooled heat pump heat source heat sink
1引言
随着我国人民生活水平的提高，人们对室内热舒适度的要求也越来越高。室内环境不再是“冷在三久，热在三伏”，而是全年维持在一个舒适的水平上。热泵由于集供热与制冷于一机的良好性能，深受人们的喜爱，成为暖通空调领域一颗炙手可热的新星，异军突起，发展十分迅速。
目前，我国市场上销售的热泵大多是空气源热泵。但空气源热泵在许多方面仍不尽人意。如在制热季节需除霜，要启动制冷功能，这样便增加了能耗，减少了制热量；又如，在最热季与最冷季往往是需要热泵出力最大的时候，但其制热量与制冷量却是最不利时的时候，所以一般需设辅助设备。由此人们的研究工作开始转向了地源热泵(ground-source heat pumps )。
二十世纪九十年代后期，地源热泵空调技术在我国的研究和应用有了发展。地源泵有多种型式，本文着重介绍土壤热交换式地热热泵。以下简称土壤源热泵(Geoexchange heat pumps)。
2工作原理
节能煤气灶土壤源热泵与空气源热泵的工作原理相同，即夏季从室内取出余热释放到室外，冬季从室外取热释放到室内。图1示出土壤源热泵系统。夏季，即制冷工况时，热泵工质在室内侧换热器的蒸发将室内余热取出，在室外侧换热器（大地盘管）中进行热量交换，将余热放至室外，室内空气得到了冷却；冬季，即在制热工况时，四通换向阀转换方向，热泵工质在室外侧换热器（大地盘管）内蒸发而从室外吸取热量，在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。土壤源热泵以大地为热源和热汇（heat source and heat sink），利用埋在地表浅层的换热器作为中间换热设备，冬季从大地取热，夏季向其放热。
3胎盘提取液土壤源热泵的特点
土壤源热泵具有许多优点，它对节能和减少环境污染等方面都有积极的意义。
首先土壤源热泵具有较高的经济性，节能效果明显。将土壤源热泵和空气源热泵进行对比便可说明土壤源热泵是高效的。空气源热泵利用室外空气作为热源和热汇，而室外空气随
季节变化十分明显，图2示出我国几个典型城市室外空气温度全年变化曲线图。由图中可以看出，各地室外空气全年温度变化较大。这便使得空气源热泵的制冷、制热量随季节变化而波动幅度很大。在冬季最冷月，室外空气温度也达到全年最低，空气源热泵的工质从室外吸取热量也变得越发困难；夏季则相反，最热月空气源热泵工质向室外空气放热则越发困难[3]。这常常使空气源热泵的制冷量、制热量达不到用户要求。
图1土壤源热泵系统图
注：1、内侧换热器 2、压缩机 3、四通换向阀 4、室外侧换热器（大地盘管） 5、节流阀 6、贮液器 7、截止阀 8、风机
土壤源热泵用全年温度相对稳定的地表浅层土壤做热源和热汇，解决了这种窘境。我国幅原辽阔，各地地表浅层土壤温度有所不同。据资料介绍，5m以下的土壤平均温度基本上不随季节变化而改变，且约等于该地区的年空气平均温度。因而，需制热的冬季，地表浅层土壤的温度比室外空气温度高；需制冷的夏季，其温度则比室外空气温度低。这样，热泵
工质与土壤的温差在冬、夏两季都保持在较高的水平上，可提高制冷系数或制热系数，也使得土壤源热泵在夏季可获得较低的冷凝温度，在冬季可获得较高的蒸发温度，全年在较高的COP下运行。
前已提及，在制热季节，室外温度在-12.8～5.8℃，湿度在67%时，空气源热泵的室外空气侧换热器容易结霜。结霜越积越多，严重影响换热器传热性能，并会导致热泵工质不能完全蒸发，使热泵无法工作。这种情况的通常做法是启动制冷功能除霜。土壤源热泵在制热季节一般工作在15～20℃的地温下，因此不会结霜也无需除霜，这也提高了COP值，节约了能源。
能源和环保是人类生存和发展的两大主题，是全球关注的问题。而建筑节能是世界建筑发展的大趋势。建筑能源以供热采暖和空调能耗为主，因此建筑节能的重点应放在采暖和降温能耗上。地球是一个庞大的蓄热体，约可吸收47%的太阳能，蕴含着取之不尽，用之不竭的能量。土壤源热泵即是利用了这一点，从大地中取热，向大地放热。
严格的来说，土壤源热泵仅仅节约了高品位能源，利用了低品位能源，并不能节省能源的总用量。图3为土壤源热泵供热量转移示意图。对供热工况来分析，热泵提供热能E，其中
与土壤换热量为E1，驱动能源耗量为E2，则E＝E1＋E2，即向室内供热量为E时，实际提供的高品位的用于驱动的能量（如电能）只有E2，而E1这部分是向大地索取的，因此节省了E1这部分高品位的能源。
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图2几个城市室外空气温度全年变化曲线
静压实验图3土壤源热泵供热热量转移示意图
土壤源热泵具有良好的环保特性。我国城市化的发展，迫切需要减少城市燃煤采暖造成的污染。而同时，人们又对制热制冷提出更多的要求。土壤源热泵恰好提供了这一矛盾的解决方法。土壤源热泵的热源和热汇是大地，属可再生能源，无任何燃烧设备，无排烟，没有废弃物，虽然其驱动能源仍是直接或间接使用化石燃料，但与燃烧化石燃料的锅炉供热方式相比，大大减小了对环境的污染。据资料介绍[3]，热泵供暖的能耗约为锅炉供暖能耗的0.78，车型识别系统CO2和SO2的排放量分别为锅炉供暖的0.78和0.65。
此外利用土壤源热泵供暖具有良好的舒适性。普通的空气源热泵常有吹冷风的感觉。因其处理后的空气温度虽高于室内空气温度，却低于人们皮肤的温度。土壤源热泵便不会产生这种现像。其处理后的空气温度高于人们皮肤的温度，因此有良好的舒适性[4]。
当然，同空气源热泵相比，土壤源热泵也存在一些不足。比如土壤源热泵的占地面积较大。据国外的一些报导，大于20JRT（JRT――日本冷吨，1JRT约合3.861kW）小于30JRT，对于水平热交换器，一个典型的停车场的地表面积不够[1]。
对于这一点，也可以合理的利用，使其扬长避短。例如，在土壤热交换器的上方可建造停车场，或者可以作为运动场，或者进行园艺绿化等等。
而且土壤源热泵初投资较大。土壤源热泵初投资不但包括传统空调系统的地面上的管路及设备的费用，还要包括地面下的换热器的费用，而且还包括初期的勘测、钻孔、及地下管路敷设等费用。北方地区还要考虑防冻，水管要进行保温，也增加了初投资。据统计，当土壤热交换器的投资较低时，投资回收期在0.5到3年之间，大多低于2年；当土壤热交换器的投资较高时，多数情况下投资回收期在2到3.5年之间[1]。
土壤源热泵技术在我国仍不完善。土壤源热泵技术在我国发展较晚，虽然有许多国外经验可以借鉴，但仍停留在研究阶段，不能与实际应用相结合。
4结语
从国外一些应用的实例可以知道，土壤源热泵是高效、节能、环保的新型空气调节设备，其利用的是清洁可再生的地表浅层土壤中蓄含的能量。但该技术在我国研究的时间还短，技术仍不成熟。
随着科技的发展，对新型换热材料的不断研究，土壤源热泵换热器换热性能也会随之大大改进。假以时日，土壤源热泵在我国大范围推广及应用必然是势不可挡之势，前景十分看好。
参考文献：
[1]徐伟等译。地源热泵工程技术指南。中国建筑工业出版社，2001。
[2] 蒋能照。空调用热泵技术及应用。机械工业出版社，1997。
[3]李树林。建筑环境与设备工程专业用制冷技术。机械工业出版社，2003。
显示器自动开关机[4]Geoexchange systems—outstanding home comfort through advanced technology.
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