1、前言
地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时，它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。地源热泵（groundsourceheatpumps, GSHP）系统包括三种不同的系统：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵，也有资料文献成为地下耦合热泵系统（ground-coupledheatpumpsystems）或者叫地下热交换器热泵系统（groundheatexchanger）；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统（groundwaterheatpumps）；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统（surface- waterheatpumps）。这样的分类在国内的暖通空调界已经达到了共识。
在中国，煤作为主要能源，煤炭在我国能源体系中占主导地位，长期以来，煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有绝对主导地位，尽管近年来，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈现出上升的迹象。2002年煤炭在我国能源生产结构、消费结构中的比例分别由2001年的68.6%和65.3%上升为70.7%和66.1%。从下表可以看出，虽然占能源消费总量得比重在逐渐降低，但煤炭在能源消费中依然是高据榜首。特别在冬季，在国内的农村和部分城市几乎全部*煤取暖。煤是各种能源中污染环境最严重的能源，只有减少城市地区煤的使用，城市大气污染问题是才可能得到解决。现在各地都在采取措施控制燃煤的数量，选用电采暖、燃油或者燃气采暖等措施，但都存在运行费用高、资源不足和排放CO2这些问题。受能源、特别是一次性能源与环保条件的限制，传统的燃油、燃煤中央空调方式将逐步受到制约。从降低运行费用、节省能源、减少排放CO2排放量来看，地源热泵技术是一个不错的选择。
能源消费总量占能源消费总量的比重%
年份 （万吨标准煤） 煤炭 石油 天然气 水电
1957 9644 92.3 4.6 0.1 3.0
1970 29291 80.9 14.7 0.9 3.5
1980 60275 72.2 20.7 3.1 4.0
1990 98703 76.2 16.6 2.1 5.1
1999 122000 67.1 23.4 2.8 6.7
2、地源热泵的发展历史
地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。这项技术最先开始于1912年，瑞士Zoelly提出了“地热源热泵” 的概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1985 年美国安装地源热泵14000台，1997年则安装了45000台，目前已安装了400000台以上的地源热泵，并且以每年10%的速度递长。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。在欧洲国家里更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。
上个世纪70年代以来，随着能源和环境问题的逐渐变得严重，在各个方面节能也被更多的考虑，以可再生的地热源为能源的地源热泵又引起了人们的重视。尤其是近年来，随着能源和环境问题的日益突出，地源热泵的研究和应用发展迅速，国内外的很多高校和研究机构相继开展了理论和实际应用方面的研究。随着研究的深入，我们的地源热泵研究工作者在全国范围内举行了各种交流探讨会。中国制冷学会第二专业委员会主办了“全国余热制冷与热泵技术学术会议”；1988年中科院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”；中国能源研究会地热专业委员会于1994年9月6日至8日在北京召开了第四次全国地热能开发利用研讨会；从90年代开始，每届全国暖通制冷学术年会上都有“热泵应用”的专题；2000年6月19～23日，中美地源热泵技术交流会在北京召开，会议介绍了地源热泵技术，国外的应用状况和在中国的推广；山东建筑工程学院地源热泵研究所与山东建筑学会热能动力专业委员会联合发起并承办“国际地源热泵新技术报告会”于2003年3月17日在山东建筑工程学院举行，加强了国内外地源热泵先进技术的交流。
3、研究现状及成果
从上个世纪80年代开始，国内对地源热泵进行了一系列的研究工作，主要集中于以下几个方面：（1）地下埋管换热器的传热模型和传热研究；（2）夏季瞬态工况数值模拟的研究；（3）热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究；（4）地源热泵空调系统制冷工质替代研究；（5）其他能源如太阳能、水电等与地热源联合应用的研究；（6）地源热泵系统的设计和施工；（7）地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究；（8）地源热泵系统与埋地换热器的技术经济性能匹配方面机组整体性能的研究；（9）土壤热物性及土壤导热系数的试验研究等等。
地源热泵地下传热模型的理论基础有三种：IngersollandPlass提出的线源理论；1983年BNL提出的修改过的线源理论；1986年V.C.Mei提出的三维瞬态远边界传热模型。同时提出了现在比较广泛应用的三种传热模型：基于能量守恒定律的V.C.Mei传热模型；IGSHPA（InternationalGround-SourceHeatPump）模型，该模型提供了计算单根竖埋管、多根竖埋管及水平埋管换热器土壤热阻的方法；NWWA（NationalWaterWellAssociation）模型，该方法可直接给出换热器内平均流体温度。
在地源热泵的三种不同的系统形式中，由于采用地下埋管换热器，使得土壤源热泵的技术难度最大，设计和施工都要很困难，所以一直也是地源热泵技术的难点和核心所在。同济大学的李凡、仇中柱和青岛建筑工程学院的于立强应用有限单元法对土壤热源地下U型垂直埋管周围土壤的非稳态温度场进行了数值模拟，其结果与实验测试值吻合良好。根据数值模拟计算程序可给出U型垂直埋管向地下放热量与埋管的埋深及埋管的热作用半径的对应关系，为U型垂直埋深、数量及间距的设计提供了参考依据。对于土壤源热泵在冬季工况下的启动特性，同济大学李元旦、张旭等结合实例表明，土壤源热泵的冬季启动时间比夏季的短，仅为4-5h。实测获得了单位钻孔长的取热率为40-60W/m，可作为设计参考数据。分析发土壤源热泵冬季制热工况的系统COP值和压缩机COP 值，指出要获得好的节能效果，必须优化系统，减少循环不和风机等的能耗。重庆大学的丁勇、刘宪英等则根据在所建设的15kW浅埋竖管换热器地源热泵试验装置上做的冬季供暖效果测试，建立了地下浅埋套管式换热器的传热模型。他们还介绍了根据浅埋竖管换热器地热源热泵冬季测试结果，在夏季试验中对试验装置及实验方法的改进，测试了夏季定水量（63天）的运行效果和变水量运行时各性能指标的变化。采用系统能量平衡结合热传导方程建立的地下竖埋套管管群换热器传热模型和过渡季大地温度场模拟，与实测值吻合较好。大地初始温度是地源热泵设计中的重要参数，实际测量很不现实，在文献[5]中，他们采用计算法来确定大地的初始温度。在不同的地质条件下，地下换热器会收到不同的影响，重庆大学的付祥钊、王勇等人通过建立地源热泵岩土换热器的简易数理模型，计算分析了竖直埋管的换热器性能，并在重庆和上海两地进行了岩土换热器试验，发现短期运行参数与实验数据一致，长期连续运行性能参数小于实际值。结果表明，岩土性能及由年平均温度决定的岩土原始温度对岩土换热器对岩土换热器性能有显著影响，在砂岩中设置的换热器比沉积土中的性能好。天津大学的李新国等人通过螺旋盘管地源热泵供暖制冷实验表明:（1）冬季从地下取热盘管的出口温度能保持在10℃左右，明显高于冬季环境空气温度，有利于制热性能。但夏季制冷地下盘管的进出口温度已超过标准空调工况，分析原因，认为是地下盘管布置过于密集和未使用适宜的回填土，致使盘管散热性能差。（2）实验测得的系统COP和压缩机COP值并不高，这与水源热泵机组设计是否匹配、优化、水泵、风机的选择是否匹配等有关，也是下一步改进的地方。（3）对小型地源热泵，垂直螺旋盘管占地面积小，换热性能较优。天津大学的赵军，袁伟峰等依据能量平衡，建立了地下浅埋套管式换热器传热模型，求解并分析了影响传热的主要因素，提出了强化换热的措施，给出了相应的函数关系图。
HCFC禁用期限的临近，也推对了对地源热泵替代工质的研究。天津大学和天津地热研究培训中心采用CSD方程进行循环工质的理论计算和选择，针对以40～45℃地热尾水为低温能源的热泵系统，在该系统中采用了循环性能较好的质量分数比为1：1的非共沸二元混合工质，以达到实际运行和环保要求。R744作为一种天然工质，是热泵系统中最有潜力的替代工质之一，中原工学院对此进行了研究，在文献[13]中介绍了近10年来美国、欧洲和日本等发达国家和地区对R744热泵系统进行的大量研究和取得的一些突破性研究成果，介绍了R744热泵样机及其压缩机、换热器、膨胀阀等各重要部件的研究状况。中南大学运用基于AHP的综合性能评价指标体系，认为HFCs及其混合物具有与R22相近的热力性质，是目前地源热泵系统的理想替代工质，其中 R134a、R410A和R407C是近期合适的R22的替代工质。
为了更好的利用能源，节约能源，保护环境，也有专家学者进行了其他能源和地源热泵的联合应用方面的研究。山东建筑工程学院和西安建筑科技大学对太阳能辅助供暖的地源热泵的经济型进行了分析。他们指出，在冬季，我国北方地方土壤温度较低，并且以热负荷为主，如果采用地源热泵供暖，则机组和换热器的初投资比较高，连续运行的效率也较低，夏季运行时机组容量过大，造成浪费。可以利用太阳能集热器作为辅助能源，白天时，依*地源热泵供暖，夜间利用太阳能集热器储存的热量，由地热和太阳能共同供暖，这样的方案比单纯用地源热泵供暖更经济节能。另外，浙江江能建设有限公司的研究人员在文献 [16]里面分析了地源热泵系统在水电站中应用的优势，对于利用地下水进行了分析，不过，笔者认为，在水电站附近，适当的采取地表水热泵系统，因为地表水丰富，所以会更加节能，降低费用，在地源热泵的三种系统形式里面，国内研究较多的是土壤源热泵和地下水热泵系统，关于地表水热泵系统研究的比较少，主要是合适的地表水资源太少了，或者是因为地理位置的原因限制了地表水热泵的发展。不过，假如条件允许的话，比如在水电站附近，或者附近有丰富的地表水资源，不妨考虑运用地表水热泵系统。
地源热泵系统的设计主要集中在系统地下部分的设计，包括冷热负荷的确定，地下换热器的选型、布置，室内空气气流的组织形式，热泵的容量等，不过要重视对地源热泵空调系统设计的基础资料的准确性和真实性进行鉴别，特别是水文地质、地表情况、试验井（坑）、水质这些资料，以免造成系统失败或者和预期效果大相径庭。对于地下水热泵系统、土壤源热泵系统、地表水热泵系统，都有不同的设计步骤和施工方法。