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摘要：地源热泵(Ground Source Heat Pump)即GSHP技术，是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、岩土体或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。该系统充分利用了地温逆变性(冬暖夏凉)和常年温变小以及蓄能的特点。实现了能量的再利用和良好的环保效能。使在北方冬季应用热泵供暖系统成为现实，并可实现供热制冷系统一体化。本文阐述了地源热泵系统的特点及节能优势，结合地源热泵工程实例介绍了该项技术在应用过程中遇到的问题和解决办法以及节能应用。
关键词：地源热泵；土壤源热泵；节能
Abstract: the Ground Source Heat Pump (Ground Source Heat Pump) namely GSHP technology, is a use of underground geothermal resources (also called the can, including groundwater, geotechnical engineering or surface water, etc) can both Heat and be cooling air conditioning system of high efficiency and energy saving. The system fully used geothermal inverter sex (warm in winter and cool in summer) and year-round temperature and the characteristics of the smaller storage. Realize the reuse of energy and good environmental performance. Make in the north winter heat supply system application to become a reality, and can realize heating refrigeration system integration. This paper expounds the characteristics of ground source heat pump system and energy saving advantages, the combination of source heat pump engineering example this paper introduces the technology used in the problems of the solutions and the energy saving and application.
Key words: the ground source heat pump; Ground source heat pump; Energy saving
中圖分类号：TE08文献标识码：A 文章编号：
一、 前言
目前，暖通空调系统主要以空气和水作为冷热源。由于受环境季节性温度变化的制约(即夏季供冷时。大气环境温度高；冬季供热时。大气环境温度低)，运用空气或水作为冷热源的空调系统，不仅增加了系统运行的能耗，而且工作效率低。根据热力学原理，降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率并节约能源。因此，若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前采用的空气和水热源，不但可提高效率，达到明显的节能效果，而且可以降低或消除夏季空气源热泵装置(空调)对环境的“热污染”以及噪声。利用低能资源的地源热泵系统被称之为21世纪最有效的供热制冷高效绿色环保技术。
二、 地源热泵系统特点及节能优势
1）何为地源热泵系统
地源热泵是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源，实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源。根据热源的不同，地源热泵系统可以分为地下水源热泵系统与土壤源热泵系统两种形式。
地下水源热泵系统是通过在地下岩体中凿建生产井群，利用水泵直接抽取地下水，通过二次换热或直接送水至水源热泵机组与制冷剂进行热交换，经提取热量或释放热量后，在合适地点回灌或排放的系统，由于该系统会对当地的水文地质条件有所影响，造成当地地下水源紧缺、地质塌陷等损害，使其在运用方面受到一定的制约。
土壤源热泵系统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。
2）地源（土壤源）热泵系统的节能优势
①资源可再生利用
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，该资源不受地域、资源等限制。这是储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，也是清洁能源。与地面上环境空气相比，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。从热力学原理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。而且土壤源热泵系统不会把热量、水蒸气及细菌等排人大气环境，符合当前可持续发展的战略要求。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性；
②绿色环保
土壤源热泵系统利用地球表面浅层地热资源，可以建造在居民区内，安装在绿地、停车场下，没有燃烧，没有排烟及废弃物，清洁环保，无任何污染，土壤源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，结合其它节能措施节能会更明显。不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
③一机多用，运行费用低，占地面积小
土壤源热泵即可供暖，又可制冷，在制冷时产生的余热还可提供生活生产热水或为游泳池加热，最大限度的利用了能源。采用土壤源热泵系统可以比风冷热泵具有更高的效率和更好的可靠性，其热源温度全年较为稳定，一般为10-25℃。而且土壤源热泵系统可用于供暖、空调，还可提供生活热水，一套系统可以替换原来的锅炉、空调制冷装置或系统，一机多用；不仅适用于宾馆、商场、展馆、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的供热和空调。此外，土壤源热泵机组紧凑、节省空间，维护费用低，自动化控制程度高，可无人值守。
三、工程案例
以笔者参与设计的石家庄某展馆为例阐述土壤源热泵系统应用情况
1、项目概况
本工程位于河北省石家庄市，总建筑面积为25.95万㎡，其中地上建筑面积191367㎡，地下建筑面积68098㎡，根据使用功能划分为展览中心和会议中心。
2、负荷情况及修正
空调计算负荷：空调冷负荷38292kW，冷指标200W/㎡；空调热负荷26294kW，空调热指标137W/㎡。由于展览建筑的特殊性，展览中心按其全年实际运行工况修正其总冷、热负荷（展览中心运行时间：每年3月15日到6月30日，9月1日到12月15日两个阶段，每天8:30开展，17:00闭展）；会议中心按全年运行计算总冷热负荷。
空调修正负荷：展览中心空调冷负荷22822kW,占尖峰负荷比例72%；展览中心空调热负荷17939kW,占尖峰负荷比例88%。会议中心空调冷负荷6086kW，无修正；会议中心空调热负荷5989kW,无修正。
3、设计内容
展馆采暖,通风,空调,制冷,防排烟设计。
4、冷热源
本项目展览中心，会议中心分别设置冷、热源机房，冷、热源采用地源热泵+水蓄冷蓄热系统。
展览中心采用地源热泵加水蓄能系统，会议中心采用常规地源热泵系统。所有地源热泵系统共用地埋管道，打井总量约3000口，并设置补冷冷却塔。展览中心冷、热源配置为离心式冷水机组2台，冷水(热泵)机组4台，蓄能水箱3600m，空调夏季冷冻水供，回水温度为8°C/16°C，冬季空调热水供,回水温度为40/48°C；会议中心内采用热泵式溶液调湿空调，新风机组以及冷凝排风热回收机组承担建筑物的全部潜热负荷以及微量显热负荷，地源热泵机组提供剩余显热负荷，会议中心冷，热源配置为磁悬浮变频离心(热泵)机组2台，会议中心空调夏季的冷冻水供、回水温度为14°C/19°C，冬季空调热水的供，回水温度为40/45°C。
5、地源热泵系统原理图
通过地源热泵机组的1-8号阀门实现冬夏季功能切换。
6、冷热源部分节能设计
①展览中心采用地源热泵加水蓄冷同时水系统采用大温差设计：
夏季蓄冷采用冷却塔,冬季蓄冷采用地埋管道减少土地冷热不平衡率；
利用低谷电价冬季蓄热,夏季蓄冷,减少总装机容量,减轻对电网压力,节省运行费用；
基载离心机COP 5.8,冷水(热泵)机组制冷工况COP 5.9,制热工况COP 4.6；
水系统采用大温差设计在管径不变或缩小情况下降低水阻,减小水泵扬程,降低设备功率。
②会议中心采用磁悬浮变频离心(热泵)机组，热泵式溶液调湿空调、新风机组：
会议中心磁懸浮变频离心(热泵)机组,制冷工况COP 7.0,制热工况COP 5.1；
机组自带热泵系统，具备对空气冷却、除湿、加热、加湿、净化等功能，热泵式溶液全空气机组COP>4.5，热泵式溶液调湿新风机组COP>5.0；
机组内置溶液全热回收单元，全热回收效率>65%，不存在交叉污染；
冬季采用溶液加湿方式，避免电加热、电加湿、蒸汽加湿等能高能耗加湿方式，避免使用水喷雾加湿方式的高耗水量及产生军团菌的缺点；
准确控制房间相对湿度,无需采用再热措施,节约能源。
四、结语
与传统空调系统相比，地源热泵技术的采用将使节能建筑越来越被市场认可和接受，以其热效率高、运行费用低、管理方便、安全可靠等优点真正实现经济效益、社会效益和环境效益的有效结合，并且与其他节能手段相互结合，还能更好的起到节能的作用。地源热泵系统虽有如此优势，但目前也存在一些问题。
①埋地换热器受土壤性能影响较大，土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有较大影响；
②连续运行时热泵的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度的变化发生波动；
③土壤导热系数较小，换热量较小。已有的经验表明，其持续吸热速率一般为25W/㎡，所以当供热量一定时，换热盘管占地面积较大，埋管的敷设无论是水平开挖布置还是钻孔垂直安装，都会增加土建费用；
④缺乏完善的国家地源热泵产品制造标准和应用技术规范；
⑤国内大多数地源热泵推动者都是设备制造商，在提供地源热泵设备（机组）时不能提供整体系统的设计，造成机组节能而系统并不节能；
在能源问题日益严重的今天，探索、设计经济、节能、环保、舒适的节能空调采暖系统是我们每个暖通设计者的职责和最求目标。
参考文献：
[1] 陆耀庆，主编，《实用供热空调设计手册》中国建筑工业出版社，2008 年第二版
[2] 《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005 中国建筑工业出版社，2005 年
版
[3] 《采暖通风与空气调节设计规范》中国计划出版社GB50019-2003
[4] 高青，于鸣.效率高、环保性能好的供热制冷装置——地源热泵的开发与利用 .吉林工业大学自然科学学报
[5] 张群力，王晋.地源和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的问题分析 .JKLMN O-P,MQRST Vol.31，No.5,2003
[6] 陈昌富，吴晓寒，王陈栋.地埋管地源热泵系统及存在问题分析 .探矿工程（岩土钻掘工程）第36卷第10期
[7] 孙恒虎，崔建强，毛信理.地源热泵的节能机理.太阳能学报Vol.25，No.1,2004
作者简介：张晨（1985-），男，汉族，北京人，工程师，现工作于中国中元国际工程公司
关键词：地源热泵；土壤源热泵；节能
Abstract: the Ground Source Heat Pump (Ground Source Heat Pump) namely GSHP technology, is a use of underground geothermal resources (also called the can, including groundwater, geotechnical engineering or surface water, etc) can both Heat and be cooling air conditioning system of high efficiency and energy saving. The system fully used geothermal inverter sex (warm in winter and cool in summer) and year-round temperature and the characteristics of the smaller storage. Realize the reuse of energy and good environmental performance. Make in the north winter heat supply system application to become a reality, and can realize heating refrigeration system integration. This paper expounds the characteristics of ground source heat pump system and energy saving advantages, the combination of source heat pump engineering example this paper introduces the technology used in the problems of the solutions and the energy saving and application.
Key words: the ground source heat pump; Ground source heat pump; Energy saving
中圖分类号：TE08文献标识码：A 文章编号：
一、 前言
目前，暖通空调系统主要以空气和水作为冷热源。由于受环境季节性温度变化的制约(即夏季供冷时。大气环境温度高；冬季供热时。大气环境温度低)，运用空气或水作为冷热源的空调系统，不仅增加了系统运行的能耗，而且工作效率低。根据热力学原理，降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率并节约能源。因此，若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前采用的空气和水热源，不但可提高效率，达到明显的节能效果，而且可以降低或消除夏季空气源热泵装置(空调)对环境的“热污染”以及噪声。利用低能资源的地源热泵系统被称之为21世纪最有效的供热制冷高效绿色环保技术。
二、 地源热泵系统特点及节能优势
1）何为地源热泵系统
地源热泵是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源，实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源。根据热源的不同，地源热泵系统可以分为地下水源热泵系统与土壤源热泵系统两种形式。
地下水源热泵系统是通过在地下岩体中凿建生产井群，利用水泵直接抽取地下水，通过二次换热或直接送水至水源热泵机组与制冷剂进行热交换，经提取热量或释放热量后，在合适地点回灌或排放的系统，由于该系统会对当地的水文地质条件有所影响，造成当地地下水源紧缺、地质塌陷等损害，使其在运用方面受到一定的制约。
土壤源热泵系统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。
2）地源（土壤源）热泵系统的节能优势
①资源可再生利用
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，该资源不受地域、资源等限制。这是储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，也是清洁能源。与地面上环境空气相比，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。从热力学原理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。而且土壤源热泵系统不会把热量、水蒸气及细菌等排人大气环境，符合当前可持续发展的战略要求。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性；
②绿色环保
土壤源热泵系统利用地球表面浅层地热资源，可以建造在居民区内，安装在绿地、停车场下，没有燃烧，没有排烟及废弃物，清洁环保，无任何污染，土壤源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，结合其它节能措施节能会更明显。不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
③一机多用，运行费用低，占地面积小
土壤源热泵即可供暖，又可制冷，在制冷时产生的余热还可提供生活生产热水或为游泳池加热，最大限度的利用了能源。采用土壤源热泵系统可以比风冷热泵具有更高的效率和更好的可靠性，其热源温度全年较为稳定，一般为10-25℃。而且土壤源热泵系统可用于供暖、空调，还可提供生活热水，一套系统可以替换原来的锅炉、空调制冷装置或系统，一机多用；不仅适用于宾馆、商场、展馆、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的供热和空调。此外，土壤源热泵机组紧凑、节省空间，维护费用低，自动化控制程度高，可无人值守。
三、工程案例
以笔者参与设计的石家庄某展馆为例阐述土壤源热泵系统应用情况
1、项目概况
本工程位于河北省石家庄市，总建筑面积为25.95万㎡，其中地上建筑面积191367㎡，地下建筑面积68098㎡，根据使用功能划分为展览中心和会议中心。
2、负荷情况及修正
空调计算负荷：空调冷负荷38292kW，冷指标200W/㎡；空调热负荷26294kW，空调热指标137W/㎡。由于展览建筑的特殊性，展览中心按其全年实际运行工况修正其总冷、热负荷（展览中心运行时间：每年3月15日到6月30日，9月1日到12月15日两个阶段，每天8:30开展，17:00闭展）；会议中心按全年运行计算总冷热负荷。
空调修正负荷：展览中心空调冷负荷22822kW,占尖峰负荷比例72%；展览中心空调热负荷17939kW,占尖峰负荷比例88%。会议中心空调冷负荷6086kW，无修正；会议中心空调热负荷5989kW,无修正。
3、设计内容
展馆采暖,通风,空调,制冷,防排烟设计。
4、冷热源
本项目展览中心，会议中心分别设置冷、热源机房，冷、热源采用地源热泵+水蓄冷蓄热系统。
展览中心采用地源热泵加水蓄能系统，会议中心采用常规地源热泵系统。所有地源热泵系统共用地埋管道，打井总量约3000口，并设置补冷冷却塔。展览中心冷、热源配置为离心式冷水机组2台，冷水(热泵)机组4台，蓄能水箱3600m，空调夏季冷冻水供，回水温度为8°C/16°C，冬季空调热水供,回水温度为40/48°C；会议中心内采用热泵式溶液调湿空调，新风机组以及冷凝排风热回收机组承担建筑物的全部潜热负荷以及微量显热负荷，地源热泵机组提供剩余显热负荷，会议中心冷，热源配置为磁悬浮变频离心(热泵)机组2台，会议中心空调夏季的冷冻水供、回水温度为14°C/19°C，冬季空调热水的供，回水温度为40/45°C。
5、地源热泵系统原理图
通过地源热泵机组的1-8号阀门实现冬夏季功能切换。
6、冷热源部分节能设计
①展览中心采用地源热泵加水蓄冷同时水系统采用大温差设计：
夏季蓄冷采用冷却塔,冬季蓄冷采用地埋管道减少土地冷热不平衡率；
利用低谷电价冬季蓄热,夏季蓄冷,减少总装机容量,减轻对电网压力,节省运行费用；
基载离心机COP 5.8,冷水(热泵)机组制冷工况COP 5.9,制热工况COP 4.6；
水系统采用大温差设计在管径不变或缩小情况下降低水阻,减小水泵扬程,降低设备功率。
②会议中心采用磁悬浮变频离心(热泵)机组，热泵式溶液调湿空调、新风机组：
会议中心磁懸浮变频离心(热泵)机组,制冷工况COP 7.0,制热工况COP 5.1；
机组自带热泵系统，具备对空气冷却、除湿、加热、加湿、净化等功能，热泵式溶液全空气机组COP>4.5，热泵式溶液调湿新风机组COP>5.0；
机组内置溶液全热回收单元，全热回收效率>65%，不存在交叉污染；
冬季采用溶液加湿方式，避免电加热、电加湿、蒸汽加湿等能高能耗加湿方式，避免使用水喷雾加湿方式的高耗水量及产生军团菌的缺点；
准确控制房间相对湿度,无需采用再热措施,节约能源。
四、结语
与传统空调系统相比，地源热泵技术的采用将使节能建筑越来越被市场认可和接受，以其热效率高、运行费用低、管理方便、安全可靠等优点真正实现经济效益、社会效益和环境效益的有效结合，并且与其他节能手段相互结合，还能更好的起到节能的作用。地源热泵系统虽有如此优势，但目前也存在一些问题。
①埋地换热器受土壤性能影响较大，土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有较大影响；
②连续运行时热泵的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度的变化发生波动；
③土壤导热系数较小，换热量较小。已有的经验表明，其持续吸热速率一般为25W/㎡，所以当供热量一定时，换热盘管占地面积较大，埋管的敷设无论是水平开挖布置还是钻孔垂直安装，都会增加土建费用；
④缺乏完善的国家地源热泵产品制造标准和应用技术规范；
⑤国内大多数地源热泵推动者都是设备制造商，在提供地源热泵设备（机组）时不能提供整体系统的设计，造成机组节能而系统并不节能；
在能源问题日益严重的今天，探索、设计经济、节能、环保、舒适的节能空调采暖系统是我们每个暖通设计者的职责和最求目标。
参考文献：
[1] 陆耀庆，主编，《实用供热空调设计手册》中国建筑工业出版社，2008 年第二版
[2] 《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005 中国建筑工业出版社，2005 年
版
[3] 《采暖通风与空气调节设计规范》中国计划出版社GB50019-2003
[4] 高青，于鸣.效率高、环保性能好的供热制冷装置——地源热泵的开发与利用 .吉林工业大学自然科学学报
[5] 张群力，王晋.地源和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的问题分析 .JKLMN O-P,MQRST Vol.31，No.5,2003
[6] 陈昌富，吴晓寒，王陈栋.地埋管地源热泵系统及存在问题分析 .探矿工程（岩土钻掘工程）第36卷第10期
[7] 孙恒虎，崔建强，毛信理.地源热泵的节能机理.太阳能学报Vol.25，No.1,2004
作者简介：张晨（1985-），男，汉族，北京人，工程师，现工作于中国中元国际工程公司