摘要：在介绍国内外土壤源热泵技术发展和研究现状的基础上，分析了土壤源热泵的核心技术，并指出了土壤源热泵技术在项目应用上的优缺点。
关键词：土壤源热泵；地埋管；清洁能源
引言
随着人们生活水平的逐步提高，大家对室内环境的要求也越来越高，这就加大了建筑供暖空调的需求。土壤源热泵，作为一种节能、环保的空调系统也越来越多的受到大家的研究和推广。土壤源热泵系统应用的数量和规模近几年来呈现快速增长的趋势。
1 土壤源热泵技术的发展与研究现状
1.1国外土壤源热泵技术的发展与研究现状
在1912年，瑞士人H.Zoelly提出了以浅层土壤作为低温热源的热泵技术，并将其申请了专利[1]。1973年在欧美等国开始的“能源危机”重新促使人们对土壤源热泵研究的兴趣和需求，特别是瑞典等北欧国家。进入20世纪90年代，土壤源热泵的应用和发展进入了一个全新的发展阶段。土壤源热泵已在各国得到较广泛的应用。目前，以欧美为主要代表的土壤源热泵系统市场的主要研究工作，已经转向了土壤源热泵系统与整个空调系统的结合运行的研究和商业化、市场化问题。
1.2国内土壤源热泵技术的发展与研究现状
土壤源热泵在我国起步较晚，但发展迅速。在1989年，当时的山东青岛建筑工程学院在国内建立了第一台土壤源热泵系统的试验台，开始主要从事水平埋管的研究工作，后又完成了竖直埋管换热的研究工作[2]。21世纪以来，我国在相关部门的支持和各界人士的极力推广下，土壤源热泵技术的普及和推广得到大幅提高。
2 土壤源热泵系统的原理
2.1热泵原理
热泵就是通过消耗一定的高位能，把不能直接使用的低位热能（来自空气、水、土壤的热能以及废热等）经过提升后转化成有用热能，从而可节约一部分高位能（煤、石油、天然气的能量及电能等）的装置。通常讲就是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统或是用作供热的制冷机称为热泵。
从热力学或工作原理上讲，热泵就是制冷机，热泵循环就是制冷循环。对于能同时实现制热与制冷功能的装置，即该装置运行时，冷凝器放出的热量用来制热，而蒸发器的吸热用来制冷，这种装置既可称作热泵，也可称作制冷机。
2.2土壤源热泵系统的原理
土壤源热泵是热泵系统的一种，他是利用地下土壤作为热泵低位热源的热泵系统。土壤源热泵系统又称地耦合式热泵系统或地埋管式热泵系统，是利用埋置于地下的换热器与土壤进行换热，把大地作为机组的低温热源（供热季）和热汇（制冷季），为建筑物供热制冷的系统。土壤源热泵系统主要包括三个部分：地下换热器、热泵机组、末端空调设备。冬季供热时，从土壤提取热量对建筑供热，致使建筑内温度升高，地埋管换热器周围的土壤温度降低；夏季制冷时，将建筑物中的余热释放到土壤里，致使建筑物内温度降低，地埋管换热器周围的土壤温度升高。土壤源热泵系统原理图见图1：
图1 土壤源热泵系统原理图
2.3土壤源热泵系统的核心
土壤源热泵系统是否能可靠运行取决于埋管区域的土壤温度是否能长期稳定在合适的范围内，该温度的提高或降低都会使得土壤源热泵机组的性能降低，影响供冷、供热效果和节能性。土壤源系统运行的关键因素之一在于解决土壤冬夏季吸热和放热的平衡性。热量的取用如果不平衡，必然造成土壤的蓄热性变差，因为土壤与埋地换热器进行热交换后，土壤内部进行的是不稳定传热[3]。
土壤源热泵系统地下埋管换热器的布置形式可以分为：水平埋管和竖直埋管。水平埋管换热器布置在水平管沟内，需占用较大土地面积。竖直埋管换热器埋在竖直钻孔内，有U形管形式、套管式和螺旋式等几种形式，目前国内主要采用的是U形管式换热器，一个钻孔内可放置一根或两根U形管。埋地换热器的形式与敷设方式的研究与创新，可以不断促使土壤源热泵更高效的应用于空调系统。
3土壤源热泵系统的特点
3.1节能环保
土壤源热泵技术利用地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换，而地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，且不受地域、资源等限制，是清洁的可再生能源[4]。从热力学上讲，土壤是一种比大气环境更好的热泵系统的冷热源。地源热泵冬季从土壤中取热，土壤温度降低，相当于为夏季储存冷量；夏季向土壤排热，土壤温度上升，相当于为冬季存储热量。因此，属于可再生清洁能源，可持续利用。
3.2环境效益显著
采用土壤源热泵，冬季不需要锅炉，不需要对室外大气排放污染物；夏季没有冷却塔，减少室外噪音的同时，节约了空调设备初投资费用，同时间接减少城市热岛效应。
3.3技术性能提高
采用土壤源热泵，由于土壤的温度比室外空气温度更接近室内温度，若设计合理，土壤源热泵可以比空气源热泵具有更高的效率和更好的可靠性。土壤源热泵系统的性能系数为3-6，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通集中式中央空调的50%~60%[5]。土壤源热泵系统具有一定的优越性，但是这些都是建立在土壤源热泵系统应用的合理规划以及合理设计和运行管理的基础之上。
同时，土壤源热泵系统也存在一些问题。例如，埋地换热器的换热能力受地下土壤的热物性参数影响较大，在土壤导热系数较小的地区应用大型土壤源热泵系统时就需要较大的地下空间。土壤源热泵系统的钻孔费用同样也影响了其经济性。
4土壤源热泵应用实例
西安“都市之门”项目A座办公楼和千人会堂空调冷热源系统采用了土壤源热泵复合式系统。该工程空调冷热源系统采用了土壤热泵复合式系统，夏季冷负荷由土壤源热泵机组和蒸汽溴化锂吸收式制冷机联合承担，冬季热负荷由土壤源热泵机组和蒸汽热网联合承担。根据冬季热负荷的60%确定土壤源热泵机组，并确定地下换热器的数量，为保证地下换热器的热平衡，确定热泵机组承担的夏季冷负荷。
该工程空调选用两台螺杆式土壤源热泵机组，经对比，该系统采用土壤源热泵复合式系统比采用蒸汽溴化锂+城市热网系统，可节省标煤耗量394吨/年，可减少二氧化碳排放量1025吨/年，可减少二氧化硫排放量9吨/年，可减少氮化物排放量2吨/年，较有效的减少了城市污染[6]。
5结语
土壤源热泵作为一种清洁的可再生能源利用技术，尽管在设计和使用中还存在着一些问题，但是随着我国对土壤源热泵系统的深入研究和实践推广，土壤源热泵技术与应用创新技术的不断结合发展，可使地源热泵系统相关设备与材料的性能更优、更高效，不断促使地源热泵系统的可持续发展，有利于改善城市大气污染问题。
参考文献：
[1] 杨卫波，董华，苏有亮.土壤源热泵的研究与开发[J].能源技术，2003，24（6）：241-224.
[2] 李佳伟等.土壤源热泵的理论与实践研究[M].1995年暖通空调年会资料集[C]，1995：408-410.
[3] 王勇.地源热泵的套管式地下换热器研究[J].重庆大学学报，1997，19（5）：13-13.
[4] 李中领，金宁，孙鹏等.地源热泵应用于户式中央空调的发展前景[J].建筑热能通风空调，2004，（2）：51-53.
[5] 朱岩，杨历，李中领.土壤源热泵的节能与技术经济性分析[J].煤气与热力，2005，（3）：73-76.
[6] 孙璐.土壤源热泵系统在大型公建项目上的应用与探讨[J].工程建设与设计，2010，（10）：78-83.
论文作者:马乐
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/15
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