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地源热泵研究现状与发展趋势

西南交通大学建环系

袁艳平 教授 电 话： 138 808 71068 电子邮箱 : ypyuan@swjtu.cn

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地源热泵简介

地源热泵的研究现状

地源热泵相关政策法规

地源热泵系统的设计

未来地源热泵的发展趋势 前期研究内容与成果

主 要 内 容

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地源热泵的基本原理

地源热泵的起源

地源热泵系统的分类

地源热泵系统的优、缺点

地源热泵系统在国内外的发展

地源热泵简介

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地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括

地下水、土壤或地表水等）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和

夏季空调的冷源。

地源热泵的基本原理

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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，释放到地下去。

地源热泵的基本原理

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地源热泵诞生于 20 世纪 80 年代中期。这是指地源热泵作为真正兴起的一门新技术，并开始获得了应用与发展的时期。

地源热泵的概念 ( 或称新设想 ) 最早出现在 1912 年瑞士佐伊利 ( H. zoelIy ) 的一份专利文献中。

土壤耦合热泵技术的提出始于英、美两国。 20 世纪 40 年代末 50 年代初，美、英开始采用地下盘管做热源的家庭用热泵，并开始研究土壤耦合热泵。

地源热泵的起源

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地埋管式地源热泵系统

地表水地源热泵热泵系统

地下水地源热泵热泵系统

地源热泵的分类

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属可再生能源利用技术

属经济有效的节能技术

环境效益显著

一机多用，应用范围广

地源热泵的优点

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属可再生能源利用技术　　 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。

地源热泵的优点

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属经济有效的节能技术　　地能或地表浅层温度四季相对稳定，冬季比环境空气温度

高，夏季比环境空气温度低，地源热泵比传统空调系统运行效

率要高 40% 。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。

　　据美国环保署 EPA 估计，设计安装良好的地源热泵，平均来

说可以节约用户 30 ～ 40 ％的供热制冷空调的运行费用。

地源热泵的优点

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环境效益显著　 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，如果结合

其它节能措施节能减排会更明显。制冷剂比常规空调装置减少

25 ％的充灌量；制冷剂泄漏机率大为减少。运行没有污染。

地源热泵的优点

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一机多用，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

套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；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、节省空

间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。

地源热泵的优点

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长期连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的

影响而发生波动。

土壤的热导率小使埋管换热器持续吸热率仅为 20 ～ 40W ／m，

一般吸热率为 25W ／m 左右。因此，当换热量较大时，埋管换热器的

占地面积较大。

地源热泵的缺点

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地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。计

算表明，传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤中

的 1 ／ 3 ，在胶状土中仅为它的 1 ／ 10 。

初投资较高。仅地下埋管换热器的投资约占系统投资的 20 ％～

30 ％。

地源热泵的缺点

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地表水源热泵在国外的发展

20 世纪 30 年代，地表水源热泵系统问世，是地源热泵

中最早使用的热泵系统形式之一。欧洲第一台较大的热泵装置是

1938 ～ 1939 年间，在瑞士苏黎世市政大厅投人运行的。它以河

水作为热源，供热能力 175KW .

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地表水源热泵在国外的发展

 20 世纪 80 年代，美国、日本、罗马尼亚、丹麦、德国地表水源热泵也得到了迅速发展，单机容量甚至达到 30MW ，总装容量达到 160 MW 。

之后，大型地表水源在欧洲各国开始兴建。芬兰有 6 台 MW级装置；荷兰有 1 套 1.5MW 装置；罗马尼亚有 7.5MW 的吸收式热泵 15套， 2.9MW 的 10套， 8.7MW 的 1 台，用于区域供热，连同其他约 400套中型压缩式热泵一起，每年节约30000t煤当量。

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地下水源热泵在国外的发展 20 世纪 90 年代以后，环保要求的进一步提高，美国地下水源热泵系统的应用一直呈上升趋势。美国能源信息部 (Energy

Information Administration ， USA) 的调查表明：美国地下水源热泵 (ARI 一 325) 的生产量 1994 年、 1995 年、 1996

年、 1997 年分别为 5924台、 8615台、 7603台、 9724台，除 1996 年外，基本呈直线上升趋势。在过去的 10 年内，地源热泵的年增长率为 12% 。

1997 年欧洲发展基金会重新提出热泵发展计划 .2000 年，欧洲用于供热、热水供应的热泵总数约为 46.7万台，其中水源热

泵约占 11.75% 。

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地源热泵在国外的发展

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地源热泵在国外的发展

至 2002 年瑞士热泵在新住宅的占有率超过 1/3 。

日本建筑物的热泵占有率达到 20%

据国际能源热泵组织（ IEA HeatPump Centre ）和欧洲热泵协 会（ EHPA ）统计的资料表明， 目前 欧洲有 450 万台热泵用于住宅， 150 万台用于第三产业， 2.5~3 万台热泵用于工业 .EHPA 的目标是到 2010 年在洲至少有 1500 万台热泵用于住宅，这相当于每年节省 100TWh 的能源和减少4000 万吨的 CO2 的排放 .

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水源热泵在中国的发展

上海 世博会的世博轴 , 利用黄浦江水作为冷热源 + 地源热泵的系统；

青岛东部开发区和高科技工业园区采用了大型海水热源热泵供热 ;

辽宁大连星海假日酒店采用海水源热泵集中制冷和采暖 , 在国内尚属首例 , 是目前我国最大的海水源热泵工程 ;

2008 年奥帆赛配套项目奥帆媒体中心也采用海水源热泵技术 ;

青岛市正在进行规划 , 准备在沿海一带实行海水供热供冷 , 取代锅炉 ;

在山东 , 湖南等地 , 也有湖水源热泵应用

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上海闵行经济技术开发区办公楼是中国第一项真正的采用

地源热泵系统工程。该建筑的空调面积为 4305 m2的 6层建筑 1987 年开始筹建， 1989 年 10月投人使用。

1996 年至今，在北京、山东、河南、辽宁、河北、江苏、浙江、湖北、上海、西藏等地都有地源热泵工程建成 .

地源热泵在中国的发展

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地源热泵在中国的发展

1997 年，中国科技部与美国能源部签署了中美能源效率及

可再生能源合作议定书。中美两国确定在我国北京 ( 代表北部寒

冷地带 ) 、宁波 ( 代表中部夏热冬冷地带 ) 、广州 ( 代表南部亚热带 )

合作建立三个地源热泵的示范工程。

2001 年建设部公布的 212 个可再生能源建筑应用示范项目中共有 144 个与地源热泵有关的项目 .

目前全国地源热泵系统的应用面积估计超过 2000 万㎡，且每年在以超过 15% 的速度递增 .

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地源热泵在中国的发展

2000~2003 年四年间，专利总数 287项，年平均为 71.75

项．是 1989 ～ 1999 年专利平均数的 4. 9 倍。 2000 ～ 2003 年间发明

专利共 119项，年平均 29.75项，是 1989—1999 年发明专利平均数

的 4.25 倍。

2000 ～ 2003 年中热泵文献数量剧增，如 2003 年文献数是

1999 年文献数的 5 倍。全国高校有 105名研究生以热泵技术为题

目，是 90 年代年平均数的 7 倍多。

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地下埋管换热器的传热模型和传热研究 .

土壤热物性及土壤热导率的试验研究 瞬态工况数值模拟及动态性能研究 .

热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究 .

其他能源如太阳能、水能等与地热源联合应用的研究 .

地源热泵系统的经济性能、节能减排效果的研究 .

地下水源热泵回灌技术与实践 同井回灌地下水源热泵地下水运移数值模拟与实验研究 土壤蓄冷与土壤源热泵集成系统的应用基础研究 复合地源热泵系统

地源热泵的研究现状

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中国科技部和美国能源部于 1997 年 11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中专门设有有关地源热泵的发展战略。

《建设部建筑节能“十五”计划纲要》中明确指出：“十五”期间建筑节能工作的重点之一是：大力推进太阳能、河水、湖水、海水与地下能源及其他可再生能源在建筑中利用的工作。

建没部《民用建筑节能管理规定》指出：国家鼓励发展的八项建筑节能技术中第五项直接提到利用地热技术。

地源热泵相关政策法规

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地源热泵相关政策法规 2005 年全国人大通过了《可再生能源法》，建设部将地源热

泵供暖空调技术列入新的建筑业十项新技术。

发布国家标准《地源热泵系统工程技术规范》

国家的财政补贴示范工程

各省市出台地方规定

成都市被列为全国可再生能源示范城市！十二五期间可再生能源利用达到 500 万㎡ .

“三步走”战略，即从项目示范，到城市示范，再到全面推广

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土壤源热泵的设计 地埋管换热系统的最大释热量及吸热量

地埋管最大释热量∑ [空调分区冷负荷×(1+1/EER)]

+∑ 输送过程中得热量+∑ 水泵释放热量

=

地埋管最大吸热量∑ [空调分区热负荷×(1-1/COP)]

+∑ 输送过程中失热量-∑ 水泵释放热量

=

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土壤源热泵的设计 制冷埋管长度及供热埋管长度确定

最大吸热量和最大释热量相差不大时，应分别

计算供热与供冷工况下地埋管换热器的长度，取其大者； 当两者相差较大时，宜通过技术经济比较，

采用辅助散热 (增加冷却塔 ) 或辅助供热的方式来解决。

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土壤源热泵的设计 制冷埋管长度及供热埋管长度确定IGSHAP模型— 开尔文线源理论

北美确定地埋管尺寸标准方法

max

1000 [ 1 ] 1c f pe b s c sp cc

Q R R R R F R F EERL

t t EER

min

1000 [ 1 ] 1h f pe b s c sp hh

Q R R R R F R F COPL

t t COP

1 2/c c cF T T

1 2/h h hF T T

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土壤源热泵的设计 埋管布置形式

双 U管的单位换热价值高于单 U，宜优先双U管。

成都地区地下水丰富宜采用叉排形式

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高温多功能地源热泵

复合式地源热泵

地源热泵的发展趋势

带辅助散热装置的复合地源热泵系统

太阳能复合地源热泵系统

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高温多功能地源热泵

高温多功能地源热泵冬季供热采暖、夏季制冷降温，同时可提供生

活热水，可替代传统燃烧式锅炉供暖、供热水无需辅助电加热，热水

温度可达到 70-85 度，一机多用，高温高效。

地源热泵的发展趋势

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太阳能复合地源热泵系统

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带辅助散热装置的复合地源热泵系统

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我国地源热泵行业未来的市场预测

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我国地源热泵行业未来的市场预测

从以上数据预测角度所得到的年平均增长率，分别为 16.8% 和

18% 。到 2013 年地源热泵系统的销售额分别达到 102亿元和99亿元，机组的销售额分别为 42.6 和 39.1亿元，保持16.8%-18% 的平均年增长速度。

2013 年地源热泵机组市场份额仅占当时中国空调市场总销售额的 3.3% 。与地源热泵已普及国家超过 10% 的市场份额相比仍然很低，这说明地源热泵行业以后的发展空间还很大。

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前期研究内容与成果

主要研究内容 建立适用不同地质水文条件的地下埋管换热器的计算模型，包括

3D数值计算模型和适于工程设计计算的简化模型；

研究土壤地质条件、埋管方式、地下水状况、回填材料热特性、管内循环流量、进口水温等因素对地下埋管换热特性的影响；

研究不同建筑负荷特征下地埋管换热器特性及其对地下换热系统中长期运行特性的影响；

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前期研究内容与成果

主要研究内容 建立耦合地源热泵机组与地埋管换热器的地源热泵仿

真计算模型

构建地源热泵系统数值模拟与仿真计算平台 污水源热泵结垢机理及相关数值计算

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钻孔外土壤

非稳态数值计算模型

钻孔内

稳态解析计算基于能量平衡的

准三维模型

地埋管换热

钻孔壁温换热量

地埋管换热器传热模拟

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钻孔内传热模型

11 12 1 1 12 2 1

21 12 1 1 12 2 1

( )( ( )) ( ( ) ( ))

( )( ( )) ( ( ) ( ))

fp b f f f

fp b f f f

dT zmc q q K T T z K T z T z

dzdT z

mc q q K T T z K T z T zdz

对于沿深度方向上任意横截面的微元段 dz ，由能量平衡：

1(0)f finT T 1 2( ) ( )f fT H T H

地埋管换热器传热模拟

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钻孔外传热控制方程

1 1 1( ) ( )

T T k Tc k St r r r r r

非渗流层

2 2

2 2 2

1 1 1( ) ( )x t t

T T T T T TU S

t r r r r r r

渗流层

( )f

tf

k

c

1p p pt f sc c c 1t f sk k k

1t f sS S S

地埋管换热器传热模拟

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采用 fortran编制模拟计算程序

地埋管换热器传热模拟

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典型建筑负荷特征及运行模式

白天使用率高，休息时间使用率很低甚至为零，一般情况下，夜晚和放假日使用率为零。

办公建筑

商场

居住建筑

宾馆

上午 10:00 到夜晚 22:00 处于使用期， 22:00 以后到第二天的上午 10:00 使用率为零 。白天使用率低，夜晚使用率高。

每日内设备停机时间很短，季节负荷时间内基本无恢复期 。

不同运行模式下地埋管换热器性能分析

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不同运行模式下地埋管换热器性能分析

办公楼每天运行 14小时停机 10小时； 商场每天运行 12小时停机 12小时； 居住建筑每天运行 10小时停机 14小时； 宾馆连续运行

典型建筑负荷特征及运行模式

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不同运行模式换热量

连续运行模式 14+10运行模式

不同运行模式下地埋管换热器性能分析

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不同运行模式换热量

不同运行模式下地埋管换热器性能分析

12+12运行模式 10+14运行模式

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不同运行模式土壤温度

不同运行模式下地埋管换热器性能分析

连续运行模式 14+10运行模式

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不同运行模式土壤温度

不同运行模式下地埋管换热器性能分析

12+12运行模式 10+14运行模式

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不同运行模式下地埋管换热器性能分析

换热量恢复比、换热量恢复速率

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温度恢复比、温度恢复速率

不同运行模式下地埋管换热器性能分析

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水 /水热泵机组的数学模型

认为热泵机组的性能仅和地埋管换热器的出水温度有关，且函数关系为多项式关系：

2 nQ a bx cx dx 2' ' ' ' nW a b x c x d x 地源热泵机组制冷量（建筑瞬时冷负荷）与地埋管换热器释放到土壤中的热量存在以下关系：

Q(1+1/COP) ＝ cpf×mf(Tfin,grund - Tfout,grund)

同理冬季工况下

Q(1-1/COP) ＝ cpf×mf(Tfin,grund - Tfout,grund)

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地源热泵系统仿真模拟 夏季运行结果分析

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地源热泵系统仿真模拟 夏季运行结果分析

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地源热泵系统的数值模拟与仿真计算平台构建

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地源热泵系统的数值模拟与仿真计算平台构建

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源热泵系统的数值模拟与仿真计算平台构建

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前期研究内容与成果

主持的项目 四川省青年科技基金：基于修正圆柱源模型的地源热泵地埋管换

热器传热特性研究

中国博士后面上资助项目：地源热泵间歇运行时土壤温度场的恢复特性

北京市重点实验室开放课题 ：地源热泵间歇运行时土壤温度场的恢复特性对系统负荷累积的衰减作用

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前期研究内容与成果

主持的项目 四川省青年科技基金：基于修正圆柱源模型的地源热泵地埋管

换热器传热特性研究

中国博士后面上资助项目：地源热泵间歇运行时土壤温度场的恢复特性

北京市重点实验室开放课题 ：地源热泵间歇运行时土壤温度场的恢复特性对系统负荷累积的衰减作用

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前期研究内容与成果

主持的项目 西南交通大学科学研究基金项目：地源热泵动态性能研究

城市水资源与水环境国家重点实验室开放研究基金面上项目：非牛顿流污水混合结垢机理及其对污水源热泵系统性能的影响

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前期研究内容与成果 发表论文 袁艳平，等 .地源热泵地埋管换热器传热研究 : (1) 综述，暖通空调

袁艳平，等 .地源热泵地埋管换热器传热研究 : (2) 传热过程的完全数学描述，暖通空调

袁艳平，等 .地源热泵埋管换热器传热研究 : (3)变热流边界条件下单 U埋管换热器的非稳态传热特性，暖通空调

袁艳平，等 .地源热泵地埋管换热器传热研究 : (4) 系统耦合运行特性，暖通空调

袁艳平，等 .间歇运行模式对单 U地埋管换热器换热特性的影响，西南交通大学学报 (EI )

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前期研究内容与成果 发表论文 袁艳平，等 .中国地区土壤源热泵系统研究进展评述，四川建筑科

学研究

Yuan Yanping. A two-region model combing numerical

simulation and analytical solution for U tube ground heat

exchanger IEEE-NATE （ EI 20103513201497 ）

Yuan Yanping. Numerical investigation on thermal

performance of vertical U buried pipe heat exchanger

with intermittent operation IEEE-NATE （ EI

20103513201541 ）

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体会与建议 地源热泵系统有其局限性，并不是所有气候条件及地区都适合采用。切忌盲目运用与推广。

成都地区属于典型的冬夏负荷不平衡地区，在设计上除了补充辅助散热装置外，在运行时应根据建筑实际负荷特性采取合理的间歇运行模式，以减少地埋管周围热量累积。

地下水对地埋管换热性能及土壤温度场分布有较大影响 .

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Thanks!

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地埋管式地源热泵系统

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地表水地源热泵系统

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地下水地源热泵系统

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地埋管换热器传热模型

Kelvin 的线热源理论 Ingersoll 恒定热流圆柱源分析解 变热流圆柱源分析模型 刁乃仁等的解析模型

解析解

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地埋管换热器传热模型

将 U 形管等效为圆管，建立流体、钻孔壁、钻 孔、钻孔外土壤数学模型求解； T － K.Lei 二维双坐标有限差分传热模型； Rottmyaer 二维非圆管瞬态传热模型； Yavuzturk 左右支管不同恒热流二维传热模型 全三维数值模拟

数值解

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土壤热物性及土壤热导率测试

土壤类型辨别法 稳态平板测试法 探针法 现场测试法

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现场测试法

传热模型及算法

线源模型

柱源模型

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部件仿真模拟

将机组特性归结为某几个待定特性参数的函数，通过某工况运行参数归纳拟合，建立仿真模型。

机组运行性能

源水侧水温、流量蒸发器传热负荷

负载侧水温、流量

制冷剂

冷凝器传热负荷

压缩机功耗

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复合土壤源热泵的设计

地埋管长度辅助装置容量

辅助装置开启时间

经济性可靠性

运行管理维护

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复合土壤源热泵的设计—校正设计方法

用峰值负荷确定供热埋管长度 Lh 及供冷埋管长度 Lc 根据 Lh ， Lc 确定地埋管长度与补充装置容量 -

Qcooler

Qcooler=Qsystem(Lc-Lh)/Lc

环路系统夏季排热量

王景刚，孙培杰，王惠想，等 . 辅助冷却复合地源热泵系统可行性分析， 河北建筑科技学院学报， 2005 ， 22 （ 3 ）： 8-10 ， 32.

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复合土壤源热泵的设计—校正设计方法

确定补充装置系统运行时间 -EFLHcooler

当地埋管不能满足需求时，启动辅助冷却装置。当地埋管内流体温度上升至设定值（ 27-32℃）启动辅助冷却系统。

EFLHcooler=EFLHC×(1-Qcooler/

2Qsystem)

制冷模式下系统满负荷运行时间

须根据实际运行总负荷、运行时间、

机组性能过程调整

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复合土壤源热泵的设计—校正设计方法 确定辅助冷却系统实际运行时间 -Hcooler

为平衡地埋管冬夏取（放）热量所需的全年运行时间

fc c c fh h hcooler

C Q EFLH C Q EFLHH

c m t

Cfc、 Cfh-热泵供冷、供热修正系数； Qc、 Qh-地埋管的放热量与吸热量； EFLHh、 EFLHc-制冷、供热模式下满负荷运行小时数。

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复合土壤源热泵 不同气候地区、不同建筑类型混合土壤源热泵适应性与运行方式不同

系统庞大复杂，注意各部件相互耦合与匹配性

设计运行

经济性

不同控制策略 最佳运行效果最小初投资