浅析土壤源热泵的性能及其发展应用

［摘要］本文主要介绍了土壤源热泵系统的发展现状，其构成、分类及特点，同时分析了土壤源热泵性能的影响因素及其具体应用。

0、引言

地源热泵由于其高效、节能、环保的特点，近年来日益受到人们的重视，尤其是在资源日益短缺、能源价格日益上涨的今天，节能环保成了当前的主要话题。系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷，夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用；同样，冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样，通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换。该技术可以充分发挥浅层地表的储能储热作用，达到环保、节能双重功效，而被誉为“21世纪最有效的空调技术”。

1、土壤源热泵发展现状

1912年Zoelly首次提出了利用土壤作为热泵系统的热源设想，随后申请了专利。国内最早的土壤源热泵开始于1989年。当时，青岛建筑工程学院同瑞典皇家工学院合作建立了国内第一个土壤源热泵实验室。目前，国内对于地源热泵系统的研究重点均放在地埋管换热器的试验研究上，实验的重点是单位管长放热量的确定、系统COP的确定等。实验的形式主要有：水平埋管热泵系统供冷供热试验、竖直套管式地埋管换热器试验、竖直U型管热泵系统冬夏季运行试验研究等。重庆建筑大学、天津商学院、湖南大学等单位对土壤源热泵也进行了多年的研究。天津大学、清华大学分别与有关企业建成数个示范工程。土壤源热泵系统越来越多的被房地产商所关注和采用。这些单位分别根据各自的地质条件给出了相关的实验结果，同时对地埋管换热器传热模型、地埋管换热器设计计算模拟及影响地埋管换热器传热的各种因素进行了初步研究，取得了一些阶段性成果。

2、浅析土壤源热泵

2.1工作特点

土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。高效热泵机组的能效比一般能达到4.0kw/h以上,与传统的冷水机组加锅炉的配置相比，全年能耗可节省40%左右,初投资偏高，机房面积较小，节省常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低，不产生任何有害物质，对环境无污染，实现了环保的功效（如图1所示）。

2.2土壤源热泵的应用条件

通过对近几年的工程实例和参考文献的总结，得出4个条件：（1）同时具有夏冬空调负荷，并且年冷热负荷较接近时对土壤源热泵系统的运行更有利；（2）当地下土壤温度在13-19℃时，土壤换热器的效果最为显著，而我国大部分的夏热冬冷地区最为合适；（3）当地100m之内不存在坚硬地层，且存在保水性好的砂土层对土壤源热泵实施起来更有利；（4）具备合适的土壤换热器布置面积，但要注意的是，不能一味追求土壤换热器面积，而减少换热器之间的间距，这样不仅不会增加效率，反之还会降低换热器的使用寿命。

2.3土壤源热泵的影响因素

2.3.1土壤温度

土壤的温度是影响热泵的主要因素之一。热泵的效率主要取决于建筑物室内与室外的温度差，该温度差减少则热泵效率就提高。大地温度最主要的特点就是它的延迟性和蓄热性。在我国，15mm以下到15m土壤就进入常温层，土壤温度相当于该地区全年的平均气温，多数情况下比气温高1℃-2℃。从15m到20m以下，土壤的增温率是3℃/m。当深度达到100m以后，随深度增加土壤温度开始下降，土壤温度不会受到室外气温和季节性的变化，根据土壤温度可以知道，土壤源热泵在制热工况下很有利，其制热性能系数大约是2.2-3.2。

2.3.2土壤特性

土壤的类型、热特性、热传导性、密度和湿度等也