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[摘 要]在科学技术飞速发展的影响下，地源热泵技术的整体水平也得到了良好的提升，其借助于地下土壤和地下水的温度持续维持稳定的性质，运用少量的电能做功，将地下土壤或者是地下水热能转变为社会活动需要的能量，这也是将低品位能源转变为高品位能量的一种有效方式。文章通过对地源热泵的形式及原理进行分析，分别对垂直式、水平式、地下水式三种地源热泵进行了论述，指出了地下冷热平衡研究、热积累问题、设计中涉及问题、工程管材方面的因素、井水回灌问题等方面的问题并给出建议，从而更好地认识地源热泵技术，为我国地源热泵技术应用提供参考与借鉴。
[关键词]地源热泵;技术;应用;问题
[中图分类号]X741;TU83 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–02
Research and Application Status of Ground Source Heat Pump Technology
Zhong Zhuo-bin，Wang Gang
[Abstract]Under the influence of the rapid development of science and technology， the overall level of ground source heat pump technology has also been well improved. With the help of the nature that the temperature of underground soil and groundwater continues to maintain a stable state， it uses a small amount of electric energy to do work to transform the heat energy of underground soil or groundwater into the energy required by social activities， This is also an effective way to transform low-grade energy into high-grade energy. Based on the analysis of the form and principle of ground source heat pump， this paper discusses three types of ground source heat pump： vertical， horizontal and underground， finds out the problems of underground heat and cold balance research， heat accumulation， problems involved in design， factors of engineering pipe， well water recharge and so on， and gives suggestions， so as to better understand the technology of ground source heat pump， It can provide reference for the application of ground source heat pump technology in China.
[Keywords]ground source heat pump; technology; application; problem
近年来，我国社会经济的发展取得了不错的成绩，但同时大量的能源资源被开发和利用，从而也导致资源紧缺的问题越发凸现出来。为了保证整个社会能够持续稳定发展，需要开发可再生的清洁型能源。在这种形势下人们加大了新型能源的研发力度，在这个过程中发现在地表中储存着的大量热能可以被开发利用。这种类型的能源被称之为环境热能，其最为突出的特征就是储存量巨大，但是温度相对较低。地源热泵最为重要的作用就是为建筑工程和生产工艺提供冷量和热量，是一种可再生能源利用技术，最为突出的特征就是能够取代以往常规能源，利用少量的热能和可再生能源来实现节能减排的目的。
1 地源热泵的形式及原理
地源热泵系统主要涉及到三种不同的实践运用模式，即：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵;以利用地下水为冷热源的地下水源热泵系统;以利用地表水为冷热源的地表水源热泵系统。
地下水源热泵系统的热源通常是从水井或者是荒废的矿井中获取地下水，通过换热的地下水能够被直接输送到地表水系统之中，但是对于那些规模相对较大的实践项目，往往需要利用回灌井来将地下水回灌到初始的地下水层之中，在社会快速发展的推动下，我国水源热泵系统整体性能得到了显著的提升，但是这类地下水热泵系统具有一定的局限性，所以无法得到大范围的实践运用。①将这种系统加以实践运用需要所处位置拥有充足的地下水资源，所以在运用地下水热泵系统之前，务必要安排专业人员对地下水地质结构情况进行全面的勘察，从而获取地下水位、地下水温等各项数据信息。地下水热泵系统所具有的经济性和地下水位的深度存在密切的关联。如果地下水水位相对较低，不但会导致系统运行成本的增加，并且系统运行过程中需要的能源量也会增加，从而会对系统运行的效率造成一定的损害。②尽管就理论方面来说抽取的地下水还会被运送到地下水层之中，但是当前国内地下水回灌技术整体水平相对较低，在大部分地质环境下回灌的速度会低于抽水的速度，从地下土层中抽出来的水通过换热器往往无法再次被回灌到水层之中，这样就会导致资源浪费的情况。因此，尽管可以将抽取出来的地下水全部进行回灌，如何确保地下水层不会受到外界不良因素的影響还需要加以深入的研究。水资源紧缺的问题十分的严重，所以应当对保护水源给予更多的关注。 地表水热源泵系统中的其中一个热源是池塘、湖泊或者是河溪中的地表水。在与江河湖海等各类水体相临近的位置，运用这些自然水体当作是热泵的低温热源是最为适用的。但是这种地表水热泵系统往往会受到环境因素的影响，因为地表水温度与环境气候存在密切的关联，与空气源热泵存在极为类似的情况，如果环境温度相对较低，热泵的供热量就会越小，并且热泵的性能参数也会逐渐的降低。从某种层面上来说地表水体能够担负着热负荷的影响，深度和温度都与外界多方面因素存在关联性，所以应当结合各方面实际情况来加以准确计算。
2 地源热泵应用现状
地源热泵技术最初是在欧洲被人们研发出来的，在北美洲得以大范围使用。总体来说，北美通常是运用地源热泵来进行冷热连供。欧洲国家因为气候和地理环境的影响，所以通常都是利用地源热泵来进行冬季采暖，并且利用热泵站来实现供热或制冷。在欧洲，地源热泵系统末端会与水系统连接，在美国末端通常设计为空气系统。我国与美国的气候条件基本一样，所以我国可以参考美国地源热泵的发展情况，来对地源热泵的发展加以规划。
地理位置情况，冷热源的差别，需要对地源热泵系统进行专门的设计、安装和调试。地源热泵的适用范围在逐渐扩展，其未来发展前景可观。地源热泵换热方式可划分为以下类型。
2.1 垂直式
土壤源地源热泵系统的一种主要形式是垂直埋管式地源热泵，将换热器放置在土层中，这样就可以完成与土壤的换热操作。通常地下埋管管道选择的是高密度聚氯乙烯管，将诸多管道安设在纵向管孔之内，并且设置U型管或者是同心套管，整个管道的长度需要结合土壤的热特性来确定。所有垂直管道管孔都用黏土、砂浆来进行灌浆，垂直埋管式地源热泵运行和维护成本相对较低，占地面积相对较小，适合在土地资源紧缺的地区使用，并且收集土壤热量效率相对较高，不会出现污染的问题。
2.2 水平式
水平埋管式地源热泵系统一般都是被设置在较浅层的土壤之中，属于土壤源地源热泵系统的一种，分为单管和多管两种形式。将室内外热埋管以水平方式深度设在地下，埋管的深度需要合理把控。与其他地源热泵对比来说，水平埋管式地源热泵换热效率较高，节能效果更加明显，系统运行成本较低，并且不会对环境造成任何污染，但占地面积较大。
2.3 地下水式
地下水源热泵系统以地下水为热源，地下水和建筑的内循环水一般是用板式换热器进行分隔，包括取水井以及回灌井。在气温相对较低的冬季，換热装置与地下水进行换热，获得的热量来为建筑供热，供热之后水温会下降，通过循环管道输送到地下与地下水完成换热，按照这种方式来进行循环工作。在气温相对较高的夏季，热泵机组会形成冷凝热，地下水借助循环管道将冷凝热传递出去，最终实现调节室内温度的作用。地下水源热泵系统不容易损坏，系统运行和维护工作对于人力和物力的需求量相对较少，室外施工成本较低，并且不占地，换热效率较高，不会对环境造成严重的污染。但是地下水源热泵在运行过程中如果不能得到良好的管理，那么必然会导致水位的变化，容易诱发地表下沉的情况。
3 工程应用中的一些问题
3.1 地下冷热平衡的研究
专业人士研究发现，地源热泵的实践运用要想达到既定的效果目标，最为重要的就是确保地下空间的热平衡，借助地下土壤所拥有的强大的蓄热和蓄冷的性能，冬季地源热泵系统将热量从地下土层中输送到用能单位，夏季将地下的冷量传递到用能单位，从而就可以创设出一个完整的冷热循环系统。全面对冷热平衡加以掌控是确保系统运行稳定的重要基础。
3.2 热积累问题
地源热泵系统的地下换热装置与土壤或者地下水进行热量交换，获得热量或者是冷量传递给用能单位，满足人们的用能需求。但是因为设备的运转也会形成一定的热量，而对于地源热泵系统夏季所需要的冷量都会超出冬季室内所需要的热量，特别是夏天冷负荷需求量较大的建筑，因此地下换热装置的匹配选择很重要。
3.3 设计中涉及的问题
设计前，不仅需要大量的水文地质资料，而且需要具有勘察资质的专业队伍进行勘察。勘察内容包括：地下水类型（含水层岩性）、分布、埋深及厚度、其富水性和渗透性、水流方向、速度和水力坡度、水温及其分布、水质、水位动态变化等。同时，还需要进行水文地质试验，例如抽水、回灌试验，测量出水水温，取分层水样并化验分析，水流方向试验等。这些数据在很大程度上对其广泛的应用有一定的制约。如瑞典的地源热泵应用在2005年已经成为世界第二，就是因为他们有现场岩土热物性参数测定和地温监测系统，有数学家帮助其建立的地温场模型，每一个地源热泵系统在建设前就进行了精确的计算和预测模拟。国际地源热泵协会总部所在地——美国俄克拉何马大学都是学习瑞典的经验。另外，在设计中还需要考虑设计优化问题。例如垂直埋管式地源热泵的设计，不仅应该考虑管材、管径、深度、井数、间距等问题，还应在设计中考虑埋管中由于结垢等其他因素造成的传热衰减。
3.4 工程管材方面的因素
由于地源热泵系统都需要在地下进行埋管，基本不可能进行维修或更换，所以工程材料的性能、质量及使用年限就显得尤为重要。如地埋管要求采用化学稳定性好，耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，同时要求弯曲或热熔后的形状，可以保证使用50年以上。就目前的技术水平主要使用的是PE或者PB管材。地下水源热泵系统中至关重要的是管井问题。管井主要由井室、井壁管、过滤器（筛管）、沉淀管等部分组成，成井后无法维修。而腐蚀和生锈是地下水源热泵遇到的普遍性问题。地下水水质是引起腐蚀的根本原因。
3.5 井水回灌问题
地源热泵抽取地下水进行换热，如果不能按照规定设计来完成土层地下水的回灌，那么必然会对整个地区的水资源造成严重的破坏，甚至会导致地层结构出现下陷的情况。为了切实控制投资费用，回灌井数量需相对较少，井与井之间的距离较近，这样就可以保证井与井之间不会出现互相影响的情况。回灌能力会对回灌情况造成严重影响，在实施回灌井设计工作时，对于渗透参数与井水回灌之间的关联性缺少基本的考虑，特别是在渗透性较差的地区的含水层，往往会导致回灌系统堵塞问题。
4 结语
总的来说，在社会快速发展的背景下，人们对于能耗的问题越发重视，所以尽可能地控制建筑的能耗是当前人们迫切需要解决的问题。围绕地源热泵系统运行情况以及实践运用的情况展开全面深入的分析研究是具有较强的现实意义的，针对其中存在的问题利用有效的方法加以解决，从而可以为地源热泵系统的稳定发展打下坚实的基础。
参考文献
[1] 潘欣，尚少文.关于地源热泵技术的研究与应用现状[J].建筑与预算，2018（11）：26-29.
[3] 武曈，刘钰莹，董喆，等.地源热泵的研究与应用现状[J].制冷技术，2014，34（4）：71-75.
[4] 王亮亮，解国珍，褚伟鹏.地源热泵技术的理性应用[J].制冷与空调（四川），2013，27（1）：61-64.
[5] 李高建，胡玉叶，朱秀斌.地源热泵技术的研究与应用现状[J].制冷与空调（四川），2007（4）：105-108.
[6] 李高建，胡玉叶.地源热泵技术的研究与应用现状[J].节能技术，2007（2）：176-178.
[关键词]地源热泵;技术;应用;问题
[中图分类号]X741;TU83 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–02
Research and Application Status of Ground Source Heat Pump Technology
Zhong Zhuo-bin，Wang Gang
[Abstract]Under the influence of the rapid development of science and technology， the overall level of ground source heat pump technology has also been well improved. With the help of the nature that the temperature of underground soil and groundwater continues to maintain a stable state， it uses a small amount of electric energy to do work to transform the heat energy of underground soil or groundwater into the energy required by social activities， This is also an effective way to transform low-grade energy into high-grade energy. Based on the analysis of the form and principle of ground source heat pump， this paper discusses three types of ground source heat pump： vertical， horizontal and underground， finds out the problems of underground heat and cold balance research， heat accumulation， problems involved in design， factors of engineering pipe， well water recharge and so on， and gives suggestions， so as to better understand the technology of ground source heat pump， It can provide reference for the application of ground source heat pump technology in China.
[Keywords]ground source heat pump; technology; application; problem
近年来，我国社会经济的发展取得了不错的成绩，但同时大量的能源资源被开发和利用，从而也导致资源紧缺的问题越发凸现出来。为了保证整个社会能够持续稳定发展，需要开发可再生的清洁型能源。在这种形势下人们加大了新型能源的研发力度，在这个过程中发现在地表中储存着的大量热能可以被开发利用。这种类型的能源被称之为环境热能，其最为突出的特征就是储存量巨大，但是温度相对较低。地源热泵最为重要的作用就是为建筑工程和生产工艺提供冷量和热量，是一种可再生能源利用技术，最为突出的特征就是能够取代以往常规能源，利用少量的热能和可再生能源来实现节能减排的目的。
1 地源热泵的形式及原理
地源热泵系统主要涉及到三种不同的实践运用模式，即：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵;以利用地下水为冷热源的地下水源热泵系统;以利用地表水为冷热源的地表水源热泵系统。
地下水源热泵系统的热源通常是从水井或者是荒废的矿井中获取地下水，通过换热的地下水能够被直接输送到地表水系统之中，但是对于那些规模相对较大的实践项目，往往需要利用回灌井来将地下水回灌到初始的地下水层之中，在社会快速发展的推动下，我国水源热泵系统整体性能得到了显著的提升，但是这类地下水热泵系统具有一定的局限性，所以无法得到大范围的实践运用。①将这种系统加以实践运用需要所处位置拥有充足的地下水资源，所以在运用地下水热泵系统之前，务必要安排专业人员对地下水地质结构情况进行全面的勘察，从而获取地下水位、地下水温等各项数据信息。地下水热泵系统所具有的经济性和地下水位的深度存在密切的关联。如果地下水水位相对较低，不但会导致系统运行成本的增加，并且系统运行过程中需要的能源量也会增加，从而会对系统运行的效率造成一定的损害。②尽管就理论方面来说抽取的地下水还会被运送到地下水层之中，但是当前国内地下水回灌技术整体水平相对较低，在大部分地质环境下回灌的速度会低于抽水的速度，从地下土层中抽出来的水通过换热器往往无法再次被回灌到水层之中，这样就会导致资源浪费的情况。因此，尽管可以将抽取出来的地下水全部进行回灌，如何确保地下水层不会受到外界不良因素的影響还需要加以深入的研究。水资源紧缺的问题十分的严重，所以应当对保护水源给予更多的关注。 地表水热源泵系统中的其中一个热源是池塘、湖泊或者是河溪中的地表水。在与江河湖海等各类水体相临近的位置，运用这些自然水体当作是热泵的低温热源是最为适用的。但是这种地表水热泵系统往往会受到环境因素的影响，因为地表水温度与环境气候存在密切的关联，与空气源热泵存在极为类似的情况，如果环境温度相对较低，热泵的供热量就会越小，并且热泵的性能参数也会逐渐的降低。从某种层面上来说地表水体能够担负着热负荷的影响，深度和温度都与外界多方面因素存在关联性，所以应当结合各方面实际情况来加以准确计算。
2 地源热泵应用现状
地源热泵技术最初是在欧洲被人们研发出来的，在北美洲得以大范围使用。总体来说，北美通常是运用地源热泵来进行冷热连供。欧洲国家因为气候和地理环境的影响，所以通常都是利用地源热泵来进行冬季采暖，并且利用热泵站来实现供热或制冷。在欧洲，地源热泵系统末端会与水系统连接，在美国末端通常设计为空气系统。我国与美国的气候条件基本一样，所以我国可以参考美国地源热泵的发展情况，来对地源热泵的发展加以规划。
地理位置情况，冷热源的差别，需要对地源热泵系统进行专门的设计、安装和调试。地源热泵的适用范围在逐渐扩展，其未来发展前景可观。地源热泵换热方式可划分为以下类型。
2.1 垂直式
土壤源地源热泵系统的一种主要形式是垂直埋管式地源热泵，将换热器放置在土层中，这样就可以完成与土壤的换热操作。通常地下埋管管道选择的是高密度聚氯乙烯管，将诸多管道安设在纵向管孔之内，并且设置U型管或者是同心套管，整个管道的长度需要结合土壤的热特性来确定。所有垂直管道管孔都用黏土、砂浆来进行灌浆，垂直埋管式地源热泵运行和维护成本相对较低，占地面积相对较小，适合在土地资源紧缺的地区使用，并且收集土壤热量效率相对较高，不会出现污染的问题。
2.2 水平式
水平埋管式地源热泵系统一般都是被设置在较浅层的土壤之中，属于土壤源地源热泵系统的一种，分为单管和多管两种形式。将室内外热埋管以水平方式深度设在地下，埋管的深度需要合理把控。与其他地源热泵对比来说，水平埋管式地源热泵换热效率较高，节能效果更加明显，系统运行成本较低，并且不会对环境造成任何污染，但占地面积较大。
2.3 地下水式
地下水源热泵系统以地下水为热源，地下水和建筑的内循环水一般是用板式换热器进行分隔，包括取水井以及回灌井。在气温相对较低的冬季，換热装置与地下水进行换热，获得的热量来为建筑供热，供热之后水温会下降，通过循环管道输送到地下与地下水完成换热，按照这种方式来进行循环工作。在气温相对较高的夏季，热泵机组会形成冷凝热，地下水借助循环管道将冷凝热传递出去，最终实现调节室内温度的作用。地下水源热泵系统不容易损坏，系统运行和维护工作对于人力和物力的需求量相对较少，室外施工成本较低，并且不占地，换热效率较高，不会对环境造成严重的污染。但是地下水源热泵在运行过程中如果不能得到良好的管理，那么必然会导致水位的变化，容易诱发地表下沉的情况。
3 工程应用中的一些问题
3.1 地下冷热平衡的研究
专业人士研究发现，地源热泵的实践运用要想达到既定的效果目标，最为重要的就是确保地下空间的热平衡，借助地下土壤所拥有的强大的蓄热和蓄冷的性能，冬季地源热泵系统将热量从地下土层中输送到用能单位，夏季将地下的冷量传递到用能单位，从而就可以创设出一个完整的冷热循环系统。全面对冷热平衡加以掌控是确保系统运行稳定的重要基础。
3.2 热积累问题
地源热泵系统的地下换热装置与土壤或者地下水进行热量交换，获得热量或者是冷量传递给用能单位，满足人们的用能需求。但是因为设备的运转也会形成一定的热量，而对于地源热泵系统夏季所需要的冷量都会超出冬季室内所需要的热量，特别是夏天冷负荷需求量较大的建筑，因此地下换热装置的匹配选择很重要。
3.3 设计中涉及的问题
设计前，不仅需要大量的水文地质资料，而且需要具有勘察资质的专业队伍进行勘察。勘察内容包括：地下水类型（含水层岩性）、分布、埋深及厚度、其富水性和渗透性、水流方向、速度和水力坡度、水温及其分布、水质、水位动态变化等。同时，还需要进行水文地质试验，例如抽水、回灌试验，测量出水水温，取分层水样并化验分析，水流方向试验等。这些数据在很大程度上对其广泛的应用有一定的制约。如瑞典的地源热泵应用在2005年已经成为世界第二，就是因为他们有现场岩土热物性参数测定和地温监测系统，有数学家帮助其建立的地温场模型，每一个地源热泵系统在建设前就进行了精确的计算和预测模拟。国际地源热泵协会总部所在地——美国俄克拉何马大学都是学习瑞典的经验。另外，在设计中还需要考虑设计优化问题。例如垂直埋管式地源热泵的设计，不仅应该考虑管材、管径、深度、井数、间距等问题，还应在设计中考虑埋管中由于结垢等其他因素造成的传热衰减。
3.4 工程管材方面的因素
由于地源热泵系统都需要在地下进行埋管，基本不可能进行维修或更换，所以工程材料的性能、质量及使用年限就显得尤为重要。如地埋管要求采用化学稳定性好，耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，同时要求弯曲或热熔后的形状，可以保证使用50年以上。就目前的技术水平主要使用的是PE或者PB管材。地下水源热泵系统中至关重要的是管井问题。管井主要由井室、井壁管、过滤器（筛管）、沉淀管等部分组成，成井后无法维修。而腐蚀和生锈是地下水源热泵遇到的普遍性问题。地下水水质是引起腐蚀的根本原因。
3.5 井水回灌问题
地源热泵抽取地下水进行换热，如果不能按照规定设计来完成土层地下水的回灌，那么必然会对整个地区的水资源造成严重的破坏，甚至会导致地层结构出现下陷的情况。为了切实控制投资费用，回灌井数量需相对较少，井与井之间的距离较近，这样就可以保证井与井之间不会出现互相影响的情况。回灌能力会对回灌情况造成严重影响，在实施回灌井设计工作时，对于渗透参数与井水回灌之间的关联性缺少基本的考虑，特别是在渗透性较差的地区的含水层，往往会导致回灌系统堵塞问题。
4 结语
总的来说，在社会快速发展的背景下，人们对于能耗的问题越发重视，所以尽可能地控制建筑的能耗是当前人们迫切需要解决的问题。围绕地源热泵系统运行情况以及实践运用的情况展开全面深入的分析研究是具有较强的现实意义的，针对其中存在的问题利用有效的方法加以解决，从而可以为地源热泵系统的稳定发展打下坚实的基础。
参考文献
[1] 潘欣，尚少文.关于地源热泵技术的研究与应用现状[J].建筑与预算，2018（11）：26-29.
[3] 武曈，刘钰莹，董喆，等.地源热泵的研究与应用现状[J].制冷技术，2014，34（4）：71-75.
[4] 王亮亮，解国珍，褚伟鹏.地源热泵技术的理性应用[J].制冷与空调（四川），2013，27（1）：61-64.
[5] 李高建，胡玉叶，朱秀斌.地源热泵技术的研究与应用现状[J].制冷与空调（四川），2007（4）：105-108.
[6] 李高建，胡玉叶.地源热泵技术的研究与应用现状[J].节能技术，2007（2）：176-178.