1、地源熱泵的工作原理及技術經濟性分析一、什么是地源熱泵地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。熱泵機組的能量流動是利用其所消耗的能量（如電能）將吸取的全部熱能（即電能+吸收的熱能）一起排輸至高溫熱源。而其所耗能量的作用是使制冷劑氟里昂壓縮至高溫高壓狀態，從而達到吸收低溫熱源中熱能的作用。請參見能流圖所示

2、。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上冷量，所以我們將其稱為節能型空調系統。與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或7090%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為1025，其制冷、制熱系數可達3.54.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的5060% 。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，地源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及法國、瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的地源熱泵市場也日

3、趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。二、地源熱泵國內外發展近況 地源熱泵的歷史可以追朔到1912年瑞士的一個專利，歐洲第一臺熱泵機組是在1938年間制造的。它以河水低溫熱源，向市政廳供熱，輸出的熱水溫度可達60oC。在冬季采用熱泵作為采暖需要，在夏季也能用來制冷。1973年能源危機的推動，使熱泵的發展形成了一個高潮。目前，歐洲的熱泵理論與技術均已高度發達，這種“一舉兩得”并且環保的設備在法、德、日、美等發達國家業已廣泛使用。如美國，截止1985年全國共有14,000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺，到目前為止已安裝了400，000臺，而且每年以1

4、0%的速度穩步增長。1998年美國商業建筑中地源熱泵系統已占空調總保有量的19%，其中有新建筑中占30%。美國地源熱泵工業已經成立了由美國能源部、環保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協會，該協會在近年中將投入一億美元從事開發、研究和推廣工作。美國計劃到2001年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標，屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸，相當于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝，年節約能源費用達4.2億美元，此后，每年節約能源費用再增加1.7億美元。 與美國的地源熱泵發展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源，地下土壤埋盤管（埋深<

5、;400米深）的地源熱泵，用于室內地板輻射供暖及提供生活熱水。據1999年的統計，為家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。 我國的地源熱泵事業近幾年已開始起步，而且發展勢頭看好。天津大學、清華大學分別與有關企業結成產學研聯合體開發出中國品牌的地源熱泵系統，已建成數個示范工程，越來越多的中國用戶開始熟悉地源熱泵，并對其應用產生了濃厚的興趣，可以預計中國的地源熱泵市場前景廣闊。之所以對中國的地源熱泵市場發展前景持樂觀態度，一方面是要節約常規能源、充分利用可再生能源的國內外大趨勢；另一方面，我國具有較好的熱泵科研與應用的基礎，早在50年代，天津大學熱能研究所

6、呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調機。重慶建筑大學、天津商學院等單位對地下埋盤管的地源熱泵也進行了多年的研究。在中國科學院廣州能源研究所等單位還多次召開全國性的有關熱泵技術發展與應用的專題研討會。三、地源熱泵特點 1.屬可再生能源利用技術 地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500

7、倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。2.屬經濟有效的節能技術 地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節約用戶3040%的供熱制冷空調的運行費用。3.環境效益顯著 地源熱泵的污染

8、物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結合其它節能措施節能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。4.一機多用，應用范圍廣 地源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統；可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調。此外，機組使用壽

9、命長，均在15年以上；機組緊湊、節省空間；維護費用低；自動控制程度高，可無人值守。當然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應用會受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會受到當地地下水資源的制約，實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質產生污染。四、工作原理與分類 熱泵工作原理 作為自然界的現象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創造機器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升

10、裝置，它本身消耗一部分能量，把環境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節能特點。 熱泵與制冷的原理和系統設備組成及功能是一樣的，對蒸汽壓縮式熱泵（制冷）系統主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器和膨脹閥(節流閥)組成：壓縮機起著壓縮和輸送循環工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統的心臟； 蒸發器是輸出冷量的設備，它的作用是使經節流閥流入的制冷劑液體蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的； 冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的； 膨脹閥或

11、節流閥對循環工質起到節流降壓作用，并調節進入蒸發器的循環工質流量。 根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環工質不斷地從低溫環境中吸熱，并向高溫環境放熱，周而往復地進行循環。熱泵分類 熱泵是需要冷凝器的熱量，蒸發器則從環境中取熱，此時從環境取熱的對象稱為熱源；相反制冷是需要蒸發器的冷量，冷凝器則向環境排熱，此時向環境排熱的對象稱為冷源。蒸發器冷凝器根據循環工質與環境換熱介質的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。這樣熱泵或制冷機根據與環境換熱介質的不同，可分為水水式，水空氣式，空氣水式，和空氣空氣式共四類。利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵。空氣源熱泵有著悠久的

12、歷史，而且其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。但由于地區空氣溫度的差別，在我國典型應用范圍是長江以南地區。在華北地區，冬季平均氣溫低于零攝氏度，空氣源熱泵不僅運行條件惡劣，穩定性差，而且因為存在結霜問題，效率低下。 利用水作冷熱源的熱泵，稱之為水源熱泵。水是一種優良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般水源熱泵的制冷供熱效率或能力高于空氣源熱泵，但由于受水源的限制，水源熱泵的應用遠不及空氣源熱泵。 地源熱泵工作原理及分類 地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時地能為“熱源”；夏

13、季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。地源熱泵供暖空調系統主要分三部分：室外地能換熱系統、水源熱泵機組和室內采暖空調末端系統。其中水源熱泵機主要有兩種形式：水水式或水空氣式。三個系統之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建筑物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優點：（1）全年溫度波動小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節能和節省費用40%左右。（2）冬季運行不需要除霜，減少了結霜和除霜的損失。（3）地源有較好的蓄能作用

14、。 地源分類 地源按照室外換熱方式不同可分為三類：1.土壤埋盤管系統，2.地下水系統，3.地表水系統。根據循環水是否為密閉系統，地源又可分為閉環和開環系統。 閉環系統如埋盤管方式 （垂直埋管或 水平埋管），地表水安置換熱器方式。 開環系統如抽取地下水或地表水方式。此外，還有一種“直接膨脹式”，它不象上述系統那樣采用中間介質水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的一個換熱器（蒸發器）埋入地下進行換熱。五、地源熱泵應用方式 地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統、分散系統和混合系統。家用系統 用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統進行冷熱供應，多用于

15、小型住宅，別墅等戶式空調。集中系統 熱泵布置在機房內，冷熱量集中通過風道或水路分配系統送到各房間。 分散系統 用中央水泵，采用水環路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調節空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。 混合系統將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的系統，混合系統與分散系統非常類似，只是冷熱源系統增加了冷卻塔或鍋爐。 南方地區，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地

16、源的容量和尺寸，節省投資。分散系統或混合系統實質上是一種水環路熱泵空調系統形式。水環路熱泵空調系統 水環路熱泵（Water-Loop Heat Pump，簡稱WLHP）空調系統，它由許多臺水源熱泵空調機（WSHP）組成。這些機組由一個閉式的循環水管路連在一起，該水管路既作空調工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯合方式。夏季運行：全部或大多數機組為供冷，熱量水環路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。春季/秋季運行：對有內區與周邊區的建筑物，會出現內區需要供冷而周邊區需要供熱，內區的熱量就可被周邊區所利用，即內區空調的排熱與周邊區熱泵供熱所需熱量接近平衡時，

17、室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建筑物內部轉移，運行費用最少，節能效果明顯。冬季運行：全部或大多數機組為供熱，供熱源（地源或加熱源）把熱量補充到水環路。水環路熱泵空調系統除具有顯著節能特點外，還具有以下特點：1 節省占地：不設大的冷凍機房，沒有冷卻塔系統。2 能源費用單獨計量：由各部門、住戶或單位獨立承擔，能源費用計量簡單且公平，符合當前的能源費用獨立計量方法。3 調節靈活：每臺熱泵空調機在任何時間可以選擇供冷或供熱。4 靈活應用：能靈活充份地滿足建筑物各個區的需要，并隨時可以更改用途。六、技術經濟性地源熱泵既能供暖又能空調，既環保又節能，但地源熱泵是否具有經濟競爭性仍然是一

18、個非常關鍵的問題。由于涉及的因素很多，不同地區，不同能源結構及價格等都將直接影響地源熱泵的經濟性，這里僅通過對地源熱泵與傳統的供暖空調方式進行比較，探討其經濟性。地源熱泵供暖經濟性可以和傳統燃煤、燃油和天然氣鍋爐進行比較，地源熱泵空調經濟性可以和單冷空調進行比較，及其供暖空調綜合經濟性的比較。評價的主要指標有：初投資、成本，及現金流量表相關經濟參數的評價。經濟參數 1 初投資：指供暖空調系統各部分投資之和，包括有：土建費、設備購置費、安裝費及其它費用（包括設計費、監理費和不可預見費）。2 年總成本：指系統各部分的運行費，如水費、電費、燃料費；排污費；管理人員工資、管理費；設備折舊費和設備維修、

19、大修費等。3 年經營成本：指年總成本中扣除設備折舊費。4 單位面積經營成本：用年經營成本除以供暖或空調面積來計算。5 單位熱（冷）量經營成本：用年經營成本除以供暖累積熱負荷或空調累積冷負荷來計算。6 現金流量表：采用現金流量表方法計算投資項目的有關經濟性指標，如財務內部收益率，財務凈現值（NPV）及投資回收期（Pt）。 對一投資項目，如財務內部收益率大于基準收益率，財務凈現值NPV>0，表明項目盈利能力滿足了行業最低要求，項目在財務上是可以接受的；如NPV<0，則表示未能達到預定的收益，表示可以不考慮此項目。 投資回收期評價方法：如項目的全部投資回收期小于行業基準投資回收期，表明項

20、目投資能按時收回，投資回收期越小，表明經濟性越優。計算條件 1 選取天津地區住宅樓為計算對象，供暖熱指標取50w/m2，空調冷指標取80w/m2。2 地源熱泵冬季供暖制熱系數4.00，夏季空調制冷系數4.50，單冷空調制冷系數取3.20。指標燃料(*)熱值(Kcal/*)效率單價(元/*)煤 (kg)50000.700.25油 (kg)103000.852.65天然氣 (m3)85000.901.803 經濟參數有：地下水資源費（0.04元/噸），電價（0.5元/度），各種燃料的熱值及價格（見右表），軟化水費，排污費，工人工資，利率，設備使用年限等。4 供暖空調收費標準，國內北方地區有供暖收費

21、標準，如天津地區為18.5元/m2，但空調沒有收費標準。將來供暖空調要改為“計量收費”，以熱（冷）量為收費單位，如南方某地出臺以0.28元/kw.h冷量為收費標準。 分析比較 1 初投資比較，初投資中包括了從冷熱源到管網到室內終端的所有投資項。見圖1，熱泵的初投資高于鍋爐，但從總初投資看，由于地源熱泵可供暖供冷，一機兩用，一次投資全年使用，節省了冬季供暖的投資，因此地源熱泵的初投資要低于鍋爐加空調系統的總投資。2 供暖成本比較，見圖2，煤鍋爐供暖成本最低，其次是地源熱泵、天然氣鍋爐，油鍋爐最高。以地源熱泵為基準比較各方案供暖成本，煤鍋爐比地源熱泵低30%左右，而天然氣鍋爐要高40%左右，油鍋爐

22、要高70%左右。3 空調成本比較，地源熱泵的空調運行成本要低于單冷空調，低約30%左右。4 從凈現值看，收費標準0.28元/kw.h時（圖3），各供暖空調方案的凈現值均小于0，只有煤鍋爐當供暖面積大于一定值時凈現值才大于0，說明按0.28元/kw.h的收費標準，只有燃煤鍋爐具有一定經濟效益。如果加大收費標準，如定為0.4元/kw.h，重新計算各方案的凈現值（圖4）、收益率（圖5）和投資回收期（圖6），可以得到燃煤鍋爐和地源熱泵供暖的凈現值均大于0，內部收益率大于基準收益率8%，以及投資回收期小于10年，此時燃煤鍋爐和地源熱泵供暖經濟上是可行的。相比之下，由于單冷空調經濟性明顯低于地源熱泵空調，

23、所以燃煤鍋爐供暖加單冷空調方案的經濟性要低于地源熱泵供暖空調，說明了地源熱泵一機兩用，既供暖又空調的經濟優勢。對地源熱泵方案與燃煤、燃油和燃氣鍋爐加單冷空調各方案的綜合經濟性（凈現值均，收益率，投資回收期）進行比較，地源熱泵為最優方案，其次依次是燃煤、天然氣和油鍋爐加單冷空調系統。 八、常見問題討論 1.為什么地源熱泵在美國、歐洲以及中國，尤其是近些年來為越來越多的用戶所認識，市場日趨活躍呢？ 一方面是由于全世界范圍內比以往更加關注能源、環境與可持續發展的問題，對于中國由于以燃煤為主的能源結構已經造成了極為嚴重的大氣污染，因此，要實現經濟的可持續發展，必須盡可能多地利用清潔的可再生能源，必須加

24、大節能的力度，而既能在冬季供暖、又能在夏季制冷空調的地源熱泵系統是很好的一個選擇；另一方面是地源熱泵系統經過多年的研究，在技術上已經非常成熟，而且經過多年的示范與實踐，確認了地源熱泵系統的很多優點：節約能源、舒適、安全、性能穩定、清潔、使用靈活等。 2.水環路熱泵（WLHP）系統與地源熱泵（GSHP）系統有什么異同？適用于什么場合？ 兩者都可通過水源熱泵如水空氣熱泵或水水熱泵系統為建筑物提供熱量或冷量，區別是WLHP系統通常是指利用冷卻水塔和鍋爐保持全年冬夏兩季節的供水溫度穩定的系統，而GSHP系統則通常是指通過利用地下水、地下換熱系統、地表水或者地下換熱系統與冷卻塔、鍋爐相結合等形式維持供水

25、溫度穩定的系統；此外，WLHP一般為分散式系統，而GSHP既可為分散式系統也可為集中式系統。 對于WLHP系統適用于什么場合，有研究認為，單純的供冷或單純的供熱選用水環路熱泵是不合理的；對同時具有制冷和制熱需要的空調建筑，當其內部余熱量較小或較大時，使用WLHP系統節能效果不明顯，只有當機組排出的熱量與部分水源熱泵機組吸收的熱量相近時，才具有明顯的節能優勢。對于某一特定建筑，設計者需根據建筑物的冷熱負荷曲線、使用特點、功能，所處環境等諸多因素綜合評價使用WLHP系統是否節能、合適。一般地說，以下幾種情況可考慮使用WLHP：有低品位穩定可靠的廢熱可以利用；建筑物內同時有制冷和供熱的需要；制冷量不大，且又要求獨立計量電費，使用時間不一，個別房間或區域經常需在夜間或節假日獨立使用的建筑。 地源熱泵系統的適用場合，對于