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[摘要]介绍了土壤源热泵的工作原理及分类，详细阐述了其技术特点，指出土壤源热泵的问题及发展前景。
[关键词] 土壤源热泵 垂直埋管 性能系数
中图分类号： U173.3 文献标识码： A 文章编号：
1、引言
在当代，暖通空调已成为人类不可缺少的生活用品，然而，在为全人类创造良好生活条件、舒适生活环境的同时也因产生大量废热废气而使全球气候变暖，严重破坏生态环境，为了使我们的后代能在良好环境下生存，有必要对暖通空调在新能源、新技术方面进行改进与创新；热泵作为绿色空调技术 ，节能、环保，倍受世界各国的青睐，且发展势头良好。当前，我国的大部分地区，许多商用、民用甚至工业的空调都采用空气源热泵，空气源热泵以室外空气作为其低位热源， 由于室外空气温度不稳定，热泵的容量和性能系数会有很大差别；同时， 空气源热泵存在着一个致命弱点，就是建筑物所需负荷率与所要求空气温度一致（即冬季热负荷大时，室外空气温度低，夏冷负荷大时，室外空气温度高）。热力学原理中提到：降低冷凝温度或提高蒸发温度可提高热泵机组的制熱、制冷系数， 因此，空气源热泵并不是很理想的热源形式，若能寻找到一种更理想的热源形式，则不但可提高空调的效率，而且可以降低空气源热泵带来的恶劣周围环境，如 “ 冷热污染” 和噪音污染，同时还能实现一机多用（空调、采暖、生活用热水）。
2、土壤源热泵系统的概念
土壤源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。即利用土壤一年四季温度稳定的特点，在冬季把地能中的热量“取”出来，提高温度后供给室内采暖，夏季把室内热量“取”出来，释放到地能中去。机组将地下取之不竭但不易利用的低位能量开发利用，使其提升为可利用的高位能。
利用地球表面浅层地热资源作空调系统的夏季冷源和冬季热源，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。与地面空气相比，地面5m以下土壤温度全年基本稳定且略低于年平均气温，可以分别在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。从而使空调系统能效比较常规系统有很大的提高。同时土壤源热泵系统不会把热量、水蒸气及细菌等排入大气环境。通常土壤源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到4KW以上的热量或冷量，这多出来的能量就是来自于土壤，在同样的一次能源消耗量下，大大提高了能源利用效率。
3、土壤源热泵分类
土壤源热泵系统的关键技术在于室外埋管的设计、施工。在其设计初期，还需对施工现场实地勘察取样，并进行热物性测试，得到在一定深度土壤的热物性指标，由此设计埋管形式、长度、数量及面积。
1）按地下埋管形式不同可分为水平埋管形式、垂直埋管形式两种类型：
(a)水平埋管形式：在建筑周围采用水平方式埋设地埋管换热器，这种方式普遍使用于采暖。水平埋管系统有单层和双层两种形式，可采用U形、蛇形、单槽单管、单槽多管等形式。水平埋管适用于制冷/采暖量较少，而建筑周围又有较大富裕空地的场合，因为需要比较大的埋管面积。
(b)垂直埋管形式：在若干竖直钻孔中设置地下埋管换热器，通常采用U型埋管的形式。U型埋管地热换热器也就是一个钻孔中布置U型管，在加上回填材料，根据地质结构不同，回填材料可以选用浇筑混凝土、回填沙石散料或回填土壤，与周围土壤构成一个整体。一个钻孔中可以设置单组U型管，也可设置两组U型管。这种埋管系统中，管道深入地下，土壤热特性不会受地表温度影响，因此能确保冬季散热与夏季得热间土壤的热平衡。一般来说双U管1m可达到50W，埋管间距3.5-4.5m。平衡的方法可以采用分集热器，在夏季集中热量并送入地下加热土壤，或使热泵反转在夏季为土壤加热，以备冬季之用。5、6个环路地埋管接至一个分集水器回路上，易检修，且分集水器上都有回路预留，若有回路出现故障，更换回路即可
在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：占地面积小、土壤的温度和热特性变化小、需要的管材少、泵耗能低、 能效比高，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的实用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积，而且竖直埋管热泵的稳定工况和部分负荷的运行效率比满负荷情况好，而一般的空调系统设计工况是在满负荷情况下，但实际却很少在此情况下运行，效率也就很难保证是在高效区。竖直埋管劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高，从实际测试比较浇筑混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大。
2）选择管材
一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。
4、土壤源热泵技术面临的问题
1）由于我国国内土壤源热泵技术开展较晚，缺乏足够的实际工程应用，很多发面都是实验研究，人们在选择上会面对阻力。2）由于土壤特性随地区差异有所不同，土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有很大影响，因此，需对各种土壤特性及回填材料进行实验研究和模拟分析，深入探索各种土壤状况下不同埋地换热器在不同埋管方式下的传热传质机理。3）由于土壤源热泵虽然运行费用低，但初投资钻井费用比较高，施工较困难，人们在选择上可能会动摇。4）土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入，如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。
5、土壤源热泵技术展望
总的来说，地源热泵系统作为一种新技术，发展较快，但仍有许多问题还需解决，但是，其应用前景非常广阔。长江以南以及东南沿海大部分经济发达地区，人民生活水平日益提高，他们对舒适性的要求也越来越迫切，希望夏季供冷，冬季能供热，然而采暖只是北方采用，目前南方并无，为改善冬季室内热环境，主要措施是局部设置专用锅炉或直接电暖气，但前者能源利用低，对环境污染严重，后者电是高品位能源，现在采用阶梯电价，用它直接采暖很不经济，且加剧用电紧张局面。而我国地域辽阔，大部分地区夏热冬冷，被认为是世界上直接利用地热潜力最大的国家。现在随着可持续战略发展的提出，生态环境保护深入人心，人们节能意识加强，在追求舒适度的同时还希望对环境生态有所保护，土壤源热泵系统节约能源、能充分利用可再生能源、减少环境污染和资源破坏，这些优点将会使之成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术之一。
参考文献：
[1] 郁永章.热泵原理与应用[M] 北京:中国建筑工业出版社，1988。
[2] 张旭.热泵技术[M] 北京:化学工业出版社，2007。
[3] 马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M] 北京:机械工业出版社.2005。
[4] Met Z P. Development of a validated model of ground coupling[J ]. Proceedingsof the AnnualMeeting2American Section of theInternational Solar Energy Society，1980，3(1) :6。
[5]吕灿仁,马一太.运用热泵提高低温地热采暖系统能源利用率的分析[J ].天津大学学报，1982(4):21223。
[关键词] 土壤源热泵 垂直埋管 性能系数
中图分类号： U173.3 文献标识码： A 文章编号：
1、引言
在当代，暖通空调已成为人类不可缺少的生活用品，然而，在为全人类创造良好生活条件、舒适生活环境的同时也因产生大量废热废气而使全球气候变暖，严重破坏生态环境，为了使我们的后代能在良好环境下生存，有必要对暖通空调在新能源、新技术方面进行改进与创新；热泵作为绿色空调技术 ，节能、环保，倍受世界各国的青睐，且发展势头良好。当前，我国的大部分地区，许多商用、民用甚至工业的空调都采用空气源热泵，空气源热泵以室外空气作为其低位热源， 由于室外空气温度不稳定，热泵的容量和性能系数会有很大差别；同时， 空气源热泵存在着一个致命弱点，就是建筑物所需负荷率与所要求空气温度一致（即冬季热负荷大时，室外空气温度低，夏冷负荷大时，室外空气温度高）。热力学原理中提到：降低冷凝温度或提高蒸发温度可提高热泵机组的制熱、制冷系数， 因此，空气源热泵并不是很理想的热源形式，若能寻找到一种更理想的热源形式，则不但可提高空调的效率，而且可以降低空气源热泵带来的恶劣周围环境，如 “ 冷热污染” 和噪音污染，同时还能实现一机多用（空调、采暖、生活用热水）。
2、土壤源热泵系统的概念
土壤源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。即利用土壤一年四季温度稳定的特点，在冬季把地能中的热量“取”出来，提高温度后供给室内采暖，夏季把室内热量“取”出来，释放到地能中去。机组将地下取之不竭但不易利用的低位能量开发利用，使其提升为可利用的高位能。
利用地球表面浅层地热资源作空调系统的夏季冷源和冬季热源，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。与地面空气相比，地面5m以下土壤温度全年基本稳定且略低于年平均气温，可以分别在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。从而使空调系统能效比较常规系统有很大的提高。同时土壤源热泵系统不会把热量、水蒸气及细菌等排入大气环境。通常土壤源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到4KW以上的热量或冷量，这多出来的能量就是来自于土壤，在同样的一次能源消耗量下，大大提高了能源利用效率。
3、土壤源热泵分类
土壤源热泵系统的关键技术在于室外埋管的设计、施工。在其设计初期，还需对施工现场实地勘察取样，并进行热物性测试，得到在一定深度土壤的热物性指标，由此设计埋管形式、长度、数量及面积。
1）按地下埋管形式不同可分为水平埋管形式、垂直埋管形式两种类型：
(a)水平埋管形式：在建筑周围采用水平方式埋设地埋管换热器，这种方式普遍使用于采暖。水平埋管系统有单层和双层两种形式，可采用U形、蛇形、单槽单管、单槽多管等形式。水平埋管适用于制冷/采暖量较少，而建筑周围又有较大富裕空地的场合，因为需要比较大的埋管面积。
(b)垂直埋管形式：在若干竖直钻孔中设置地下埋管换热器，通常采用U型埋管的形式。U型埋管地热换热器也就是一个钻孔中布置U型管，在加上回填材料，根据地质结构不同，回填材料可以选用浇筑混凝土、回填沙石散料或回填土壤，与周围土壤构成一个整体。一个钻孔中可以设置单组U型管，也可设置两组U型管。这种埋管系统中，管道深入地下，土壤热特性不会受地表温度影响，因此能确保冬季散热与夏季得热间土壤的热平衡。一般来说双U管1m可达到50W，埋管间距3.5-4.5m。平衡的方法可以采用分集热器，在夏季集中热量并送入地下加热土壤，或使热泵反转在夏季为土壤加热，以备冬季之用。5、6个环路地埋管接至一个分集水器回路上，易检修，且分集水器上都有回路预留，若有回路出现故障，更换回路即可
在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：占地面积小、土壤的温度和热特性变化小、需要的管材少、泵耗能低、 能效比高，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的实用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积，而且竖直埋管热泵的稳定工况和部分负荷的运行效率比满负荷情况好，而一般的空调系统设计工况是在满负荷情况下，但实际却很少在此情况下运行，效率也就很难保证是在高效区。竖直埋管劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高，从实际测试比较浇筑混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大。
2）选择管材
一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。
4、土壤源热泵技术面临的问题
1）由于我国国内土壤源热泵技术开展较晚，缺乏足够的实际工程应用，很多发面都是实验研究，人们在选择上会面对阻力。2）由于土壤特性随地区差异有所不同，土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有很大影响，因此，需对各种土壤特性及回填材料进行实验研究和模拟分析，深入探索各种土壤状况下不同埋地换热器在不同埋管方式下的传热传质机理。3）由于土壤源热泵虽然运行费用低，但初投资钻井费用比较高，施工较困难，人们在选择上可能会动摇。4）土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入，如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。
5、土壤源热泵技术展望
总的来说，地源热泵系统作为一种新技术，发展较快，但仍有许多问题还需解决，但是，其应用前景非常广阔。长江以南以及东南沿海大部分经济发达地区，人民生活水平日益提高，他们对舒适性的要求也越来越迫切，希望夏季供冷，冬季能供热，然而采暖只是北方采用，目前南方并无，为改善冬季室内热环境，主要措施是局部设置专用锅炉或直接电暖气，但前者能源利用低，对环境污染严重，后者电是高品位能源，现在采用阶梯电价，用它直接采暖很不经济，且加剧用电紧张局面。而我国地域辽阔，大部分地区夏热冬冷，被认为是世界上直接利用地热潜力最大的国家。现在随着可持续战略发展的提出，生态环境保护深入人心，人们节能意识加强，在追求舒适度的同时还希望对环境生态有所保护，土壤源热泵系统节约能源、能充分利用可再生能源、减少环境污染和资源破坏，这些优点将会使之成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术之一。
参考文献：
[1] 郁永章.热泵原理与应用[M] 北京:中国建筑工业出版社，1988。
[2] 张旭.热泵技术[M] 北京:化学工业出版社，2007。
[3] 马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M] 北京:机械工业出版社.2005。
[4] Met Z P. Development of a validated model of ground coupling[J ]. Proceedingsof the AnnualMeeting2American Section of theInternational Solar Energy Society，1980，3(1) :6。
[5]吕灿仁,马一太.运用热泵提高低温地热采暖系统能源利用率的分析[J ].天津大学学报，1982(4):21223。