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地源热泵的工作原理及技术经济性分析

一、什么是地源热泵
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包含地下水、土壤或者
地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的
高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热
泵供暖的热源与夏季空调的冷源， 即在冬季， 把地能中的热量“取”出来， 提高
温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。热泵机
组的能量流淌是利用其所消耗的能量（如电能）将吸取的全部热能（即电能 +汲
取的热能） 一起排输至高温热源。 而其所耗能量的作用是使制冷剂氟里昂压缩至
高温高压状态，从而达到汲取低温热源中热能的作用。请参见能流图所示。

通常地源热泵消耗 1kW 的能量， 用户能够得到 5kW 以上的热量或者 4kW 以上
冷量，因此我们将其称之节能型空调系统。
与锅炉 （电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将 90% 以上的电能或者 70 ～
90% 的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节约三分之
二以上的电能， 比燃料锅炉节约二分之一以上的能量； 由于地源热泵的热源温度
全年较为稳固，通常为 10 ～25℃，其制冷、制热系数可达 ～ ，与传统的
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空气源热泵相比，要高出 40%左右，其运行费用为普通中央空调的 50～60% 。因
此，近十几年来，特别是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及
法国、瑞士、瑞典等国家取得了较快的进展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，
能够估计，该项技术将会成为 21 世纪最有效的供热与供冷空调技术。
二、地源热泵国内外进展近况
地源热泵的历史能够追朔到1912年瑞士的一个专利，欧洲第一台热泵机组
是在 1938年间制造的。它以河水低温热源，向市政厅供热，输出的热水温度可
达 60oC。在冬季使用热泵作为采暖需要，在夏季也能用来制冷。1973年能源危
机的推动，使热泵的进展形成了一个高潮。目前，欧洲的热泵理论与技术均已高
度发达，这种“一举两得”同时环保的设备在法、德、日、美等发达国家业已广
泛使用。如美国，截止 1985 年全国共有 14,000 台地源热泵，而 1997 年就安装
了 45 ，000 台，到目前为止已安装了 400 ，000 台，而且每年以 10% 的速度稳步
增长。 1998 年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的 19% ，其中有新
建筑中占 30% 。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电
力研究所及众多地源热泵厂家构成的美国地源热泵协会， 该协会在近年中将投入
一亿美元从事开发、 研究与推广工作。 美国计划到 2001 年达到每年安装 40 万台
地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放 1 百万吨，相当于减少 50 万辆汽车
的污染物排放或者种植树 1 百万英亩， 年节约能源费用达 亿美元， 此后， 每
年节约能源费用再增加 亿美元。
与美国的地源热泵进展是完全不一致的，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、
德国等国家要紧利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管（埋深<400 米深）的地源
热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据 1999 年的统计，为家用的供
热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为 96% ，奥地利为 38% ，丹麦为 27% 。
我国的地源热泵事业近几年已开始起步， 而且进展势头看好。 天津大学、清
华大学分别与有关企业结成产学研联合体开发出中国品牌的地源热泵系统， 已建
成数个示范工程， 越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵， 并对其应用产生了浓
厚的兴趣，能够估计中国的地源热泵市场前景广阔。之因此对中国的地源热泵市
场进展前景持乐观态度，一方面是要节约常规能源、 充分利用可再生能源的国内
外大趋势；另一方面，我国具有较好的热泵科研与应用的基础，早在 50 年代，
天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究， 1965 年研制成
功国内第一台水冷式热泵空调机。重庆建筑大学、 天津商学院等单位对地下埋盘
管的地源热泵也进行了多年的研究。 在中国科学院广州能源研究所等单位还多次
召开全国性的有关热泵技术进展与应用的专题研讨会。
三、地源热泵特点

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源 （通常小于 400 米深）作为冷热源，
进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源能够称之为地能（Earth
Energy），是指地表土壤、地下水或者河流、湖泊中汲取太阳能、地热能而蕴藏
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的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了 47%的太阳能量，
比人类每年利用能量的 500 倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、
无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的
可再生能源一种形式。

地能或者地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳固，冬季比环境空气温度
高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源与空调冷源，这种温度特性使得
地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能与节约运行费用40%左
右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳固，也保证了
系统的高效性与经济性。
国环保署 EPA 估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说能够节约用户
30 ～40% 的供热制冷空调的运行费用。

地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，假如结合其它节能措施节能减排会更明显。尽管
也使用制冷剂，但比常规空调装置减少 25% 的充灌量；属自含式系统，即该装置
能在工厂车间内事先整装密封好， 因此，制冷剂泄漏机率大为减少。 该装置的运
行没有任何污染，能够建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，
不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
，应用范围广
地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统能够替
换原先的锅炉加空调的两套装置或者系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校
等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。
此外，机组使用寿命长，均在 15 年以上；机组紧凑、节约空间；保护费用
低；自动操纵程度高，可无人值守。
当然，象任何事物一样， 地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不一
致地区、 不一致用户及国家能源政策、燃料价格的影响；一次性投资及运行费用
会随着用户的不一致而是完全不一致的；使用地下水的利用方式， 会受到当地地
下水资源的制约， 实际上地源热泵并不需要开采地下水， 所使用的地下水可全部
回灌，不可能对水质产生污染。
四、工作原理与分类
热泵工作原理
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作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低
温。但人们能够制造机器，如同把水从低处提升到高处而使用水泵那样，使用热
泵能够把热量从低温抽吸到高温。因此热泵实质上是一种热量提升装置，它本身
消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整
个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或者更低，这也是热泵的节能特
点。

热泵与制冷的原理与系统设备构成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵（制
冷）系统要紧由压缩机、蒸发器、冷凝器与节流阀构成：
压缩机起着压缩与输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵
（制冷）系统的心脏；
蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，
以汲取被冷却物体的热量，达到制冷的目的；
冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中汲取的热量连同压缩机消耗功所转化
的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；
膨胀阀或者节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环
工质流量。
根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工
质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
热泵分类
热泵是需要冷凝器的热量， 蒸发器则从环境中取热， 如今从环境取热的对象
称之热源； 相反制冷是需要蒸发器的冷量， 冷凝器则向环境排热， 如今向环境排
热的对象称之冷源。
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蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不一致，要紧分为空气换热与
水换热两种形式。这样热泵或者制冷机根据与环境换热介质的不一致，可分为水
—水式，水—空气式，空气—水式，与空气—空气式共四类。
利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，
而且其安装与使用都很方便，应用较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国
典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气
源热泵不仅运行条件恶劣，稳固性差，而且由于存在结霜问题，效率低下。
利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量
大，传热性能好，通常水源热泵的制冷供热效率或者能力高于空气源热泵，但由
于受水源的限制，水源热泵的应用远不及空气源热泵。
地源热泵工作原理及分类
地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、 土壤
或者地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量
“取”出来，供给室内采暖，如今地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释
放到地下水、土壤或者地表水中，如今地能为“冷源”。


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地源热泵供暖空调系统要紧分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组与
室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机要紧有两种形式：水—水式或者水—空
气式。三个系统之间靠水或者空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之
间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质能够是水或者空气。
地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温
度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空
气源热泵，通常可高于 40% ，因此可节能与节约费用 40% 左右。 （2）冬季运行不
需要除霜，减少了结霜与除霜的缺失。（ 3）地源有较好的蓄能作用。