恒有源科技發(fā)展集團（微信號：HYYESSTD）專注于淺層地能作為建筑物供熱的替代能源的科研、開發(fā)和推廣。致力于原創(chuàng)技術的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)為建筑物無燃燒供熱，大力發(fā)展地能熱冷一體化新興產(chǎn)業(yè)。
引言
能源、信息和材料是現(xiàn)代文明的三大支柱。能源問題的現(xiàn)狀一方面化石能源可采儲量的日益減少，環(huán)境與氣候問題日益突出，另一方面能源生產(chǎn)與消費持續(xù)增長，這使得調整能源結構及節(jié)能愈來愈迫切。我國已取代美國成為全球最大的能源消費國，為了保持我國的經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展及應對氣候變化與環(huán)境問題，必須積極開發(fā)新能源和大力發(fā)展可再生能源。
地熱資源是一種重要寶貴的資源，淺層地熱能是指地表以下200米范圍內(nèi)的地熱能，是一種重要的新型可再生能源，它來源于地球內(nèi)部的熱量和太陽輻射。淺層地熱能廣泛存在于巖石、土壤、水源等許多介質中。當前淺層地熱能的主要利用采用地源熱泵技術。地源熱泵是利用卡諾循環(huán)原理，利用電能等高品位能源把淺層地能這種低品位能源提取出來供用戶使用的技術。它包括以地下或地表水源為熱源的水源熱泵和以地表巖石、土壤介質為熱源的土壤源熱泵。
在國內(nèi)外許多學者和單位對地源熱泵進行了一系列卓有成效的研究與實驗。1912年瑞士工程師Roelly最早提出了水源熱泵的概念，1948年美國俄勒岡州波特蘭市建成第一套完整的水源熱泵系統(tǒng)，美國布魯克海文國家實驗室對土壤源熱泵做了一系列深入研究。在國內(nèi)天津大學呂燦仁教授最早開展了空調熱泵的研究并于1965年研制成功我國第一臺水冷式熱泵空調機組。山東建筑大學、上海交通大學、中國科學院廣州能源研究所等單位進行了深入研究。最近二三十年以來國內(nèi)外地源熱泵呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，目前世界地源熱泵的應用集中在北美、歐洲和中國。
地源熱泵結構及系統(tǒng)組成
地源熱泵系統(tǒng)主要由地源熱泵、熱泵機組、用戶、自動控制裝置等幾部分組成，見圖-1。熱（冷）源側即水源熱泵部分包括抽水井、回灌井、含水層等，如果水源熱泵不能滿足用戶所需能量時需要增加鍋爐、電熱器、電廠余熱等冷熱源輔助設備。熱泵機組由傳統(tǒng)的制冷四大組件即：壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥組成。用戶末端裝置包括風機盤管、熱水器等耗能設備。自動控制裝置通過傳感器獲取有關水源熱泵、熱泵機組、用戶側、氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)，通過控制整個系統(tǒng)滿足用戶對能量的需要。室外氣象模型是熱泵機組輸出能量和用戶得失能量多少的依據(jù)。
地源熱泵包括水源熱泵、土壤源熱泵和單井循環(huán)換熱地能采集井，見圖-2、圖-3。水源熱泵是以水或添加防凍劑的水溶液為低溫熱源的熱泵。水源熱泵的地下水溫度在10-25℃，冬季高于室外溫度而夏季低于室外溫度。土壤源熱泵是傳熱介質通過豎直或水平地埋管換熱器與巖土體進行熱交換器的地熱能交換系統(tǒng)，又稱地埋管換熱系統(tǒng)。
單井循環(huán)換熱地能采集井是以循環(huán)水為介質采集淺層地下的溫度低于25℃的地能，循環(huán)水由抽水區(qū)的潛水泵抽出，進入熱泵機組放熱或吸熱后，返回進入地能采集井的上部加壓回水區(qū)內(nèi)，水流在有(或無)蓄能顆粒的環(huán)形空間向下流至抽水區(qū)，透過絕熱井壁下部花管由潛水泵抽走。它實現(xiàn)了同層回灌，無污染，換熱效率高，是具有我國自主知識產(chǎn)權的一種新型先進的地源換熱系統(tǒng)。
地源熱泵的熱源側實際可以看作是一個儲能設備。地源熱泵機組在冬季制熱狀態(tài)下制冷劑正向流動，由壓縮機排除高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進入冷凝器，釋放的熱量由用戶側末端裝置吸收后進入蒸發(fā)器，再從地源熱泵側吸收熱量后進入壓縮機，從而完成一個循環(huán)過程。通過地源熱泵側的循環(huán)回路吸收的熱量，由地下含水層或土壤中的熱量經(jīng)過管路循環(huán)傳給熱泵機組，冷凝器與室內(nèi)末端裝置通過管路直接相連，蒸發(fā)器則與地源側相連。夏季地源熱泵機組中的制冷劑逆向流動，熱源側與用戶側接駁的設備與冬季相反。水源熱泵和土壤源熱泵的冬季供熱狀態(tài)和夏季制冷狀態(tài)，地源熱泵機組都在制冷模式下運行。系統(tǒng)制冷或制熱模式的轉換是通過一個四通換向閥切換制冷劑在蒸發(fā)器與冷凝器之間的運行方向實現(xiàn)的。熱泵機組利用逆卡諾循環(huán)的原理在冬季和夏季都處于制冷模式，這也是地源熱泵系統(tǒng)運行不同于常規(guī)熱泵之處。水源熱泵中較高溫度的地下水作為載冷劑，而地埋管出水溫度較低常采用乙二醇溶液作為載冷劑。
地源熱泵系統(tǒng)與空氣源熱泵及傳統(tǒng)的水冷式冷水機組間有明顯差異，主要包括熱泵機組冬季/夏季運行模式、水泵設計流量、冷凍水與冷卻水的溫度，制冷性能COP值、空調設備能效比EER值、初投資、運行費用等，這也是地源熱泵機組研制中的重要性能指標。（作者：中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院孫海洲，武強，曾一凡，曹彬）
選自_《中國地能》
