一、概述
地表浅层地热资源是指地表土壤、地下水、河流、湖泊吸收太阳能而蕴藏的低位热能，是一种清洁、可再生的能源。和地球表面空气温度呈季节性变化相比，土壤或地下水全年的温度变化不大，一定深度后基本恒定，其在冬季高于地球表面空气温度，可以作为热源、在夏季低于地球表面空气温度，可以作为冷源应用于制冷空调技术中。
地源热泵技术是以地球表面浅层地热资源作为冷热源，利用热泵工作原理，通过少量的高位电能输入、实现低位热能向高位热能转移的一种技术。通常为热泵系统输入1kW电能，用户可以得到3kW以上的热量或冷量。这个比例由热泵循环的性能系数确定，性能系数越高，得到的热量和冷量越多。一般情况是：热泵循环的蒸发温度越高，其性能系数越高；热泵循环的冷凝温度越低，其性能系数越高；供热循环的性能系数比供冷循环的高；从水中取热比从空气中取热性能系数高。
在我国传统的舒适性室内环境控制技术中，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方则以水冷机组解决夏季空调供冷问题。二十世纪八十年代以后，经济的高速发展和人们生活水平的提高，对供热和空调的需求快速增长，对室内外环境质量的要求也不断提高，供热、制冷的方式越来越多样化。从可持续发展的角度看，采暖、空调用能必须提高能源利用效率，努力寻找可以再生的能源。地源热泵就是一种节能环保型的空调冷热源。
二、地源热泵空调技术原理及分类
地源热泵空调系统可工作在制冷工况和供热工况，它的原理与普通的热泵系统基本一样，如果说普通热泵系统是把地球表面空气或建筑内部水环作为取热放热的对象，而它则是把土壤、地下水或地表水作为取热放热的对象。地源热泵空调系统基本组成见图1所示。
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1一冷凝器 2一节流机构 3一蒸发器 4一压缩机 5一房间换热器
6一循环水泵 7一换向闽 8一回水井（地下换热器） 9一出水井（地下换热器）
图1 地源热泵空调系统基本组成
地源热泵的分类方法很多，根据地源热泵利用地下热能的传热方式的不同，地源热泵可分为大地直接换热式热泵系统、大地耦合式热泵系统（埋管式土壤源热泵系统）、地下水循环式热泵系统和地表水源热泵系统。
（1）大地直接换热式地源热泵系统
大地直接换热式地源热泵系统的主要特点是：热泵机组的室外机组直接埋设于地下土壤中，制冷剂直接与土壤进行热交换。此种形式热损失最小，热泵效率高，还可以节约10%左右介质循环泵用电，节能效果好。但存在室外盘管安装维护困难、土壤腐蚀等问题，仅在小型系统中少量采用。
（2）大地耦合式地源热泵系统
大地耦合式热泵系统，又称埋管式土壤源热泵系统，其以水、盐水、或水乙二醇溶液作为介质（冷热量载体），在埋于土壤内部的换热管道与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的热量交换。这种形式多了一次换热过程，传热损失增加，热泵效率比前者降低。但地下换热器形式可以灵活处理，规模不限，安装维护要求不高。这种形式应用较为普遍。这种形式的埋管有水平埋管和垂直埋管两种。
（3）地下水源热泵系统
这种系统由抽水井将地下水抽出，通过板式换热器或直接将水送到热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井回灌入地下。由于地下水的温度相对稳定，水的换热性能优于土壤的性能，因此，地下水作冷热源的热泵系统性能比前二种性能优良。但是，由于地下水状况的复杂性、回灌技术、对地下水资源的污染等问题，使地下水源热泵系统的应用受到一定的限制。
（4）地表水源热泵系统
地表水源热泵系统是利用江河湖泊的水作为机组冷热源。按地表水与机组的换热方式不同，又可分为多种形式。由于地下水的温度一般都好于地表水，该方式热泵循环的效率低于地下水源热泵系统。但是，地表水一般来说取用排放较为方便。
三、地源热泵空调技术的特点
(1)使用清洁可再生能源，环保效果好。地源热泵利用的是地表中清洁可再生的太阳能，制热时不需锅炉，无燃料燃烧时产生的污染物；制冷时不需冷却塔，避免了冷却塔运行时的噪声、功耗和水的损耗。
(2)高效、节能，运行费用低。地下土壤或水体的温度全年基本稳定，冬季比地表环境空气温度高，夏季比它低。由于这一特点，地源热泵机组的性能系数比普通热泵机组提高。设计安装良好的地源热泵，平均来说可以比常规空调节约40-50％的运行费用。
(3)一机多用，供热、制冷，还可提供生活热水。一套设备可以替代原来的锅炉和冷水机组二套设备。
(4)运行稳定可靠。由于土壤或水体的温度较为稳定，无论冬夏，机组都在较为稳定的工况下运行，并有利于延长其使用寿命。与空气源热泵相比，地源热泵性能不受空气温度变化的影响，冬季不存在除霜问题。维护费用低。
(5)小机组布置灵活多样，可与室内装修结合安装在室内，节省机房面积。操作控制方便灵活。可实现分区控制，各自独立进行制冷或制热，满足不同区域供热或供冷的需要。便于分户计量收费。
(6)对设计与安装技术水平要求高。虽然地源热泵机组本身具有较高的能效比和性能系数，但如果设计和安装不合理，将不能充分体现其优越性，收不到应有的节能效果。室外部分的设计、室内部分的配套都十分重要。
(7) 受地下资源条件的限制，不同地区土壤、地下水资源利用的成本差异相当大。
(8) 初投资较大，而且需要占用一定的地下面积。
由此可见，地源热泵空调系统具有节能环保等突出优点。但由于受客观条件的限制，并不是任何地区，任何工程项目都可以采用。
四、广州市应用地源热泵空调系统可行性分析
广州市年平均气温21.8℃，极端最低气温0℃，极端最高气温38.7℃。地下4米深处,土壤温度最高25℃左右,最低17℃左右；地下7米深处,土壤温度最高23℃左右,最低21℃左右；地下10米深处,全年土壤温度基本稳定在22℃左右，温度变化不超过±0.5℃。见表1
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广州市若采用埋管式地源热泵空调系统,当埋管4-10米深时,取热后到达热泵机组的介质温度,夏季约29-30℃, 冬季约14-15℃。和地面水温夏季约32℃、冬季约10℃相比,分别低2-3℃，或高4-5℃，见表2。使热泵循环的夏季冷凝温度降低和冬季蒸发温度升高，热泵循环性能系数的提高是显然的。这也是地源热泵节能的实质。但进一步分析可知，热泵循环冬季蒸发温度提高4-5℃，大于夏季冷凝温度降低的量2-3℃。而且，在空调制冷循环的范围内，蒸发温度每提高1℃，其COP增加的值大于冷凝温度降低1℃时COP增加的值。换句话说，地源热泵的节能效果在冬季制热时才是最有效的。在冬季不需供暖的广东地区，这部分节能效益无法实现。这也是热泵技术在长江流域夏热冬冷的过渡地区解决冬季高效供暖、兼顾夏季空调降温而被广泛应用的根本原因。
大地直接换热式地源热泵系统夏季冷凝温度降低和冬季蒸发温度升高的幅度比埋管高,制冷系数比空气源热泵高。结合其特点,可以在小型空调系统例如单体别墅中开展研究,有针对性地解决一些技术难题.
直接开采地下水作热源的地源热泵系统，是国内较早，也是实际工程应用较多的一种形式。因为地下水问题的复杂性，其始终难以成为技术发展的主流。从研究到实践，目前都被埋管式所替代。直接开采地下水作热源的地源热泵系统在广东地区应用必须根据具体情况慎重考虑。
广州市地表水丰富，采用地表水源热泵系统具有天然的优势。虽说地表水温比埋管式地源热泵介质温度略高，夏季冷凝温度略高，但COP下降并不显著，和埋管相比，地表水取用和排放方便，而且成本低廉，对仅需制冷的广东地区比埋管式地源热泵有优势。同时水源热泵比空气源热泵性能要好，对减轻城市热岛效应有益。因此，地表水源热泵系统在广东地区有较好的潜力。但是，由于地表水水质较差，水处理费用较高。和使用冷却塔相比，总费用更高，还有管理、安全等方面的不利因素。因此，地表水源热泵一般用于无法使用冷却塔，而且地表水使用十分方便的地方。
从以上分析可以看出，地源热泵空调技术在广东地区应用确有许多不利因素，但作为一项高效节能环保的技术，我们应结合广东地区的自然气候条件、人们生活习惯和社会经济发展水平，从制冷技术、空调技术、太阳能利用、室内舒适环境等多方面综合考虑，组合多种技术手段、以创造健康、舒适的室内环境为最终目的，开展适合于广东特点的组合式热泵技术的研究及配套空调技术研究，提高热泵技术的节能效果，节省空调能耗。
五、结论
（1）广东地区夏热冬暖，空调时间长，大部分建筑没有采暖需求。广州市年平均气温21.8℃，土壤温度较高。单一地源热泵空调技术不适合广东地区使用。
（2）广东地区地表水资源丰富，采用地表水源热泵系统具有天然的优势。但地表水水处理费用较高，在不方便设置冷却塔的地方才有工程应用的意义。地表水源热泵系统比较适合于小型的、要求独立控制分户计量收费、同时有供热供冷需求的场合。如可以在别墅建筑、小型住宅小区等，开展应用技术研究。
（3）广东地区应积极开展地源热泵空调组合技术研究。结合制冷技术、空调技术、太阳能技术等，开发适合广东地区气候特点和生活习惯、节能省电、有市场需求的满足室内舒适条件的空调新技术、新方法和新设备。
地表浅层地热资源是指地表土壤、地下水、河流、湖泊吸收太阳能而蕴藏的低位热能，是一种清洁、可再生的能源。和地球表面空气温度呈季节性变化相比，土壤或地下水全年的温度变化不大，一定深度后基本恒定，其在冬季高于地球表面空气温度，可以作为热源、在夏季低于地球表面空气温度，可以作为冷源应用于制冷空调技术中。
地源热泵技术是以地球表面浅层地热资源作为冷热源，利用热泵工作原理，通过少量的高位电能输入、实现低位热能向高位热能转移的一种技术。通常为热泵系统输入1kW电能，用户可以得到3kW以上的热量或冷量。这个比例由热泵循环的性能系数确定，性能系数越高，得到的热量和冷量越多。一般情况是：热泵循环的蒸发温度越高，其性能系数越高；热泵循环的冷凝温度越低，其性能系数越高；供热循环的性能系数比供冷循环的高；从水中取热比从空气中取热性能系数高。
在我国传统的舒适性室内环境控制技术中，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方则以水冷机组解决夏季空调供冷问题。二十世纪八十年代以后，经济的高速发展和人们生活水平的提高，对供热和空调的需求快速增长，对室内外环境质量的要求也不断提高，供热、制冷的方式越来越多样化。从可持续发展的角度看，采暖、空调用能必须提高能源利用效率，努力寻找可以再生的能源。地源热泵就是一种节能环保型的空调冷热源。
二、地源热泵空调技术原理及分类
地源热泵空调系统可工作在制冷工况和供热工况，它的原理与普通的热泵系统基本一样，如果说普通热泵系统是把地球表面空气或建筑内部水环作为取热放热的对象，而它则是把土壤、地下水或地表水作为取热放热的对象。地源热泵空调系统基本组成见图1所示。
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1一冷凝器 2一节流机构 3一蒸发器 4一压缩机 5一房间换热器
6一循环水泵 7一换向闽 8一回水井（地下换热器） 9一出水井（地下换热器）
图1 地源热泵空调系统基本组成
地源热泵的分类方法很多，根据地源热泵利用地下热能的传热方式的不同，地源热泵可分为大地直接换热式热泵系统、大地耦合式热泵系统（埋管式土壤源热泵系统）、地下水循环式热泵系统和地表水源热泵系统。
（1）大地直接换热式地源热泵系统
大地直接换热式地源热泵系统的主要特点是：热泵机组的室外机组直接埋设于地下土壤中，制冷剂直接与土壤进行热交换。此种形式热损失最小，热泵效率高，还可以节约10%左右介质循环泵用电，节能效果好。但存在室外盘管安装维护困难、土壤腐蚀等问题，仅在小型系统中少量采用。
（2）大地耦合式地源热泵系统
大地耦合式热泵系统，又称埋管式土壤源热泵系统，其以水、盐水、或水乙二醇溶液作为介质（冷热量载体），在埋于土壤内部的换热管道与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的热量交换。这种形式多了一次换热过程，传热损失增加，热泵效率比前者降低。但地下换热器形式可以灵活处理，规模不限，安装维护要求不高。这种形式应用较为普遍。这种形式的埋管有水平埋管和垂直埋管两种。
（3）地下水源热泵系统
这种系统由抽水井将地下水抽出，通过板式换热器或直接将水送到热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井回灌入地下。由于地下水的温度相对稳定，水的换热性能优于土壤的性能，因此，地下水作冷热源的热泵系统性能比前二种性能优良。但是，由于地下水状况的复杂性、回灌技术、对地下水资源的污染等问题，使地下水源热泵系统的应用受到一定的限制。
（4）地表水源热泵系统
地表水源热泵系统是利用江河湖泊的水作为机组冷热源。按地表水与机组的换热方式不同，又可分为多种形式。由于地下水的温度一般都好于地表水，该方式热泵循环的效率低于地下水源热泵系统。但是，地表水一般来说取用排放较为方便。
三、地源热泵空调技术的特点
(1)使用清洁可再生能源，环保效果好。地源热泵利用的是地表中清洁可再生的太阳能，制热时不需锅炉，无燃料燃烧时产生的污染物；制冷时不需冷却塔，避免了冷却塔运行时的噪声、功耗和水的损耗。
(2)高效、节能，运行费用低。地下土壤或水体的温度全年基本稳定，冬季比地表环境空气温度高，夏季比它低。由于这一特点，地源热泵机组的性能系数比普通热泵机组提高。设计安装良好的地源热泵，平均来说可以比常规空调节约40-50％的运行费用。
(3)一机多用，供热、制冷，还可提供生活热水。一套设备可以替代原来的锅炉和冷水机组二套设备。
(4)运行稳定可靠。由于土壤或水体的温度较为稳定，无论冬夏，机组都在较为稳定的工况下运行，并有利于延长其使用寿命。与空气源热泵相比，地源热泵性能不受空气温度变化的影响，冬季不存在除霜问题。维护费用低。
(5)小机组布置灵活多样，可与室内装修结合安装在室内，节省机房面积。操作控制方便灵活。可实现分区控制，各自独立进行制冷或制热，满足不同区域供热或供冷的需要。便于分户计量收费。
(6)对设计与安装技术水平要求高。虽然地源热泵机组本身具有较高的能效比和性能系数，但如果设计和安装不合理，将不能充分体现其优越性，收不到应有的节能效果。室外部分的设计、室内部分的配套都十分重要。
(7) 受地下资源条件的限制，不同地区土壤、地下水资源利用的成本差异相当大。
(8) 初投资较大，而且需要占用一定的地下面积。
由此可见，地源热泵空调系统具有节能环保等突出优点。但由于受客观条件的限制，并不是任何地区，任何工程项目都可以采用。
四、广州市应用地源热泵空调系统可行性分析
广州市年平均气温21.8℃，极端最低气温0℃，极端最高气温38.7℃。地下4米深处,土壤温度最高25℃左右,最低17℃左右；地下7米深处,土壤温度最高23℃左右,最低21℃左右；地下10米深处,全年土壤温度基本稳定在22℃左右，温度变化不超过±0.5℃。见表1
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广州市若采用埋管式地源热泵空调系统,当埋管4-10米深时,取热后到达热泵机组的介质温度,夏季约29-30℃, 冬季约14-15℃。和地面水温夏季约32℃、冬季约10℃相比,分别低2-3℃，或高4-5℃，见表2。使热泵循环的夏季冷凝温度降低和冬季蒸发温度升高，热泵循环性能系数的提高是显然的。这也是地源热泵节能的实质。但进一步分析可知，热泵循环冬季蒸发温度提高4-5℃，大于夏季冷凝温度降低的量2-3℃。而且，在空调制冷循环的范围内，蒸发温度每提高1℃，其COP增加的值大于冷凝温度降低1℃时COP增加的值。换句话说，地源热泵的节能效果在冬季制热时才是最有效的。在冬季不需供暖的广东地区，这部分节能效益无法实现。这也是热泵技术在长江流域夏热冬冷的过渡地区解决冬季高效供暖、兼顾夏季空调降温而被广泛应用的根本原因。
大地直接换热式地源热泵系统夏季冷凝温度降低和冬季蒸发温度升高的幅度比埋管高,制冷系数比空气源热泵高。结合其特点,可以在小型空调系统例如单体别墅中开展研究,有针对性地解决一些技术难题.
直接开采地下水作热源的地源热泵系统，是国内较早，也是实际工程应用较多的一种形式。因为地下水问题的复杂性，其始终难以成为技术发展的主流。从研究到实践，目前都被埋管式所替代。直接开采地下水作热源的地源热泵系统在广东地区应用必须根据具体情况慎重考虑。
广州市地表水丰富，采用地表水源热泵系统具有天然的优势。虽说地表水温比埋管式地源热泵介质温度略高，夏季冷凝温度略高，但COP下降并不显著，和埋管相比，地表水取用和排放方便，而且成本低廉，对仅需制冷的广东地区比埋管式地源热泵有优势。同时水源热泵比空气源热泵性能要好，对减轻城市热岛效应有益。因此，地表水源热泵系统在广东地区有较好的潜力。但是，由于地表水水质较差，水处理费用较高。和使用冷却塔相比，总费用更高，还有管理、安全等方面的不利因素。因此，地表水源热泵一般用于无法使用冷却塔，而且地表水使用十分方便的地方。
从以上分析可以看出，地源热泵空调技术在广东地区应用确有许多不利因素，但作为一项高效节能环保的技术，我们应结合广东地区的自然气候条件、人们生活习惯和社会经济发展水平，从制冷技术、空调技术、太阳能利用、室内舒适环境等多方面综合考虑，组合多种技术手段、以创造健康、舒适的室内环境为最终目的，开展适合于广东特点的组合式热泵技术的研究及配套空调技术研究，提高热泵技术的节能效果，节省空调能耗。
五、结论
（1）广东地区夏热冬暖，空调时间长，大部分建筑没有采暖需求。广州市年平均气温21.8℃，土壤温度较高。单一地源热泵空调技术不适合广东地区使用。
（2）广东地区地表水资源丰富，采用地表水源热泵系统具有天然的优势。但地表水水处理费用较高，在不方便设置冷却塔的地方才有工程应用的意义。地表水源热泵系统比较适合于小型的、要求独立控制分户计量收费、同时有供热供冷需求的场合。如可以在别墅建筑、小型住宅小区等，开展应用技术研究。
（3）广东地区应积极开展地源热泵空调组合技术研究。结合制冷技术、空调技术、太阳能技术等，开发适合广东地区气候特点和生活习惯、节能省电、有市场需求的满足室内舒适条件的空调新技术、新方法和新设备。
