【摘要】对地热的现状及利用技术的发展作了分析研究。特别指出用热泵技术可对广泛存在的低温地热加以利用，是一种新兴的低运行成本节能环保型低品位热能利用技术。介绍这项技术的特点，分析其关键技术和发展前景。

【关键词】浅层地热 热泵 换热器 节能

一、前言

地热能是地球内部贮存的热能，它包括地球深层由地球本身放射性元素衰变产生的热能及地球浅层由接收太阳能而产生的热能。主要用于发电、供暖等生产生活目的，其技术已基本成熟，欧美国家有很多用于发电我国浅层热能则多用来直接供热，且不受地理环境的影响，特别适合于建筑物的供暖与制冷，因而受到了暖通空调及节能行业越来越多的关注。

实际上，温度受天气变化影响较大的部分主要集中在地表面至地下10m之间的区域内，从10m深度再往下，大地温度就稳定在当地全年的平均气温上了。我国大部分地区这个温度都在15℃左右，如果把这样的温度搬运到地面上来稍做处理，就可成为很好的空调系统，这就是目前浅层地热能利用的主要方式。

浅层地热能利用通常需借助于热泵，它是一项新兴绿色节能技术。在冬天它以大地为低温位热源，从大地中提取热量，经过地面上热泵的转换，提高温位向房屋供暖；在夏天则以大地为高温位热源，将房屋内的热量输送到大地土壤中。由于地下温度十分稳定且很接近房屋居住所需的温度，因此，相对于以大气环境为热源的热泵和燃煤、燃油的供暖供冷系统，以大地为提取热量或排放热量的热源的热泵效率大大提高，同时还减少了燃烧产物的排放和制冷剂的用量，对环保十分有利。

二、浅层地热能利用系统及其特点

浅层地热能属于低品位热能，直接使用达不到一般要求的温度，通常需设置一套热泵，组成地热能热泵利用系统，将地下热能的温度进行一定的提高或降低。

（一）地热能热泵

地热能热泵的工作原理与通常的热泵相同，都是由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置组成。通过消耗一部分高品质能源即电能，吸收低温物体的热能排放给高温物体，实现供热和制冷的目的。只不过，通常的热泵以大气环境为其吸热或放热的热源，大气温度的剧烈变化导致常规的热泵效率低下，不仅消耗大量高质能源，而且恶化了周围的环境温度，使得夏天更热，冬天更冷。与常规热泵不同，浅层地热能热泵以近地表层土壤为其吸收热量或排放热量的热源。在冬天，地热能热泵从土壤中吸取热量，供给热泵的蒸发器，经压缩机提高温度后，传到热泵的冷凝器，向房屋供热；在夏天，地热能热泵通过其蒸发器从房屋内吸收热量，经压缩机、冷凝器而排放到土壤中。

（二）地热换热器

地热换热器的性能与当地土壤的性能密切相关，它设计得合理与否直接影响地热利用效率和投资成本，是地热泵成功应用的前提，也是当前浅层地热利用技术推广的难点。

地下管道埋设方式有水平式和垂直式两种形式。水平埋管式通常浅层埋设，工程量大而开挖技术要求不高，初投资低于竖直埋管式；缺点是占地面积大，温度稳定性也较差，现在已很少采用。竖直埋管式工程量小，占地面积少，恒温效果好，维护费用少，适合于用地紧张的城市；缺点是技术要求较高，初投资较大。

竖直埋管式地热换热器目前应用较多，发展较快。它是在地面下竖直钻孔，在孔内埋入换热管，换热管的形式又有两种：L型管式和套管式，目前以U型管应用较多。地下钻孔的孔径一般为100～150mm，孔间距和深度取决于土壤的热性质和气象条件并随地理位置而变。孔深一般为100～300m，孔间距为4～10m，钻孔总长度由建筑面积的大小而定，一般是每平米建筑面积钻孔长度1m左右。每一竖直钻孔内可放入一组或两组U型塑料管，管径25～35mm，塑料管下端用U型接头接好，形成一个U型封闭管路。然后将钻孔与管道之间的空间填埋夯实，填埋材料可以采用当地土壤，也可以选用与当地土壤性质接近的混凝土。各钻孔内，管道之间的连接方式有串联和并联两种形式。

串联系统的优点是：单一流程和管径；管道的线性长度有较高的热性能；系统的空气和废渣易于排除。缺点是：需要较大的流体体积和较多的抗冻剂；管道费用和安装费用较高；长度压降特性限制了系统的能力。

并联系统的优点是：管径较小因而管道费用较少；抗冻剂用量较少；安装费用较低。缺点是：一定要保证系统的空气和废渣的排除；在保证等长度环路下，每个并联线路之间流量要保持平衡。

（三）经济性及环保性

地热能热泵的能源利用效率比通常的热泵提高45%～70%，通常每消耗1kW的功率可得到4kW的热量或冷量。地热能热泵的投资回收期依赖于热泵系统的大小、运行时间的长短和当地的能源价格，因设置地热能热泵而多投资的费用的回收期通常为5年左右，总的投资回收期为10～14年。

由于以大地土壤中的低品位热能为低温热源，所以，在为住宅供暖制冷时，仅需驱动热泵运行的电力供应，而不需要别的热能，不需要锅炉来燃烧燃料供应热能。同时，由于土壤温度基本恒定，因此热泵的运行效率较通常热泵的效率高，而且无论是C02的排放还是制冷剂的使用都比常规的热泵为少，对环境的破坏和污染就相应减少。

（四）面临的问题

浅层地热能利用涉及土壤学、传热传质学、建筑材料学、钻井技术、热泵技术等多个学科，影响因素众多。其中的关键技术是地下换热器的优化设计、土壤热性能研究、回填材料的研发和热泵系统的合理配置，我国政府需要加大对这一问题研究的支持力度，在开发与商业化过程中，提供减免税收、低息贷款等优惠政策。

三、结束语

当前我国的能源利用效率仍明显低于世界平均水平，随着我国国民经济的继续快速发展，能源的供需矛盾将会日益尖锐。现在，我国已超过日本成为继美国之后的世界第二大石油进口国，而我国的GDP总量只及日本的1/6，这说明很多能量都由低效使用而浪费掉了。