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浅层地能（热）的开发与利用

浅层地能（热）广泛存在于地下浅层（数百米以内）恒温带中的土壤和地下水里。它是低品位（<25℃）的可再生能源。有别于传统深层(<5km）地热能。它基本不受地域和气候的影响。其温度相对恒定，储量巨大，是不应被忽视的新能源。在建筑供暖（冷）用新能源中是最为现实、最有前途的能源。本文重要介绍开发利用这种能源的价值，国内外的发展状况及开发利用中应注意的一些问题。
（一）何谓浅层地能（热）
——在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下，存在在地壳下近表层数百米内的恒温带中的土壤、砂岩和地下水里的低温地热能。
浅层地能（热）不是传统概念的深层地热，是地热可再生能源家族中的新成员，它不属于地心热的范畴，是太阳能的另一种表现形式，广泛的存在于大地表层中。它既可恢复又可再生是取之不尽用之不竭的低温能源。以往，这种低温能源，因品位不高（通常温度﹤25℃），往往被人们所忽视。随着制冷技术及设备的进步和完善，成熟的热泵技术使浅层地能（热）的采集、提升和利用成为现实。
随着社会的进步、物质生活水平的提高，人们对居住环境和质量的要求也随之提高。人们对居住环境的供暖、制冷和生活热水的需求也更加迫切。我国建筑用能占全社会能源需求的比例，已由原来的1/6增长为1/4，其中，建筑物冬季供暖、夏季制冷、生活热水的能耗需求，占有相当大的比例。以往，这种能源主要来自于矿物质燃料（煤、油、气）的燃烧。1000多度的高温烟气加热70～80℃的低温水实现供暖（冷）的低温要求，排烟的温度竟达200℃以上，这不仅仅是能源利用的浪费和不合理，且严重地污染周围的环境，加大了政府环境治理的难度。热泵系统采集浅层低温地能（热），并略加以提升后，满足供暖（冷）的需求，同时实现供暖（冷）区域的零污染排放。这不仅利用了大自然的低品位可再生能源，大幅度节约高品位传统的建筑用能，同时真正实现供暖（冷）而无污染的绿色居住环境。在某种意义上讲，这是一种暖通行业能源利用的一场革命、变革。国内外专家认定为：采集大自然低温可再生能特别是浅层地能（热）是21世纪取代传统供暖（冷）方式最为现实最有前途的技术措施。
浅层低温地能广泛存在于大地近表层的恒温带中，其温度水平略高于当地年平均气候温度，在不同地域、不同气候条件下，恒温带中的温度变化不大，相对稳定，所谓低温就是它低于传统地热温泉温度的下限（25℃）。地球南北、春夏秋冬它的温度水平一般在10℃～25℃范围内。
除大量存在的浅层低温地能外，大自然还赋予给我们其它的可利用的低温能源，如地表水（江、河、湖、海）、空气等。当然，他们的温度变化较大，往往受地域和季节气候的影响。城市污水、工业废水以及电厂冷却循环水也是可以利用的低温能源，应加以关注和利用。
总之，浅层地能（热）作为一种远有前景、近有实效的新能源，是一种可持续开发的能源，它的开发和利用在建筑供暖（冷）行业中具有举足轻重的作用。它拓展了地热能可采集的范围，实现了传统地热能的梯级利用，它的开发利用将引起国内外建筑供暖制冷行业用能的重大变革，应引起人们的高度重视。

（二）浅层地能（热）与传统地热能开发利用的比较
浅层地能（热）和传统深层地热能都是蕴藏在我们地球地壳之下，笼统的讲：可以说都是地热能，但各有其特点，人们开发利用它们的手段也各不相同。
从周边的的温泉、火山，人们可以意识到地球内部是一个火热的世界，地球内部蕴藏的巨大的天然热能就是地热能。目前国际上所指的地热资源是仅以地壳浅层5km以内储存的天然热量14.2×1023KJ为依据（这里统计量不包括浅层地能（热）的能量），它大约是世界上油气资源所能提供能量的5万倍。
国际上按照地热资源的温度不同，通常把热储温度大于150℃者称为高温地热能，小于150℃而大于90℃者成为中温地热能，小于90℃者成为低温地热资源。地热温泉的下限温度定为25℃，也就是说，传统地热能把25℃以下温度的低温热能不列为其中。这样25℃作为浅层地能与传统地能的分界线。＜25℃的土壤砂岩地下水的热能属浅层地能（热）范畴。
我国地质学家对深层地热能作出了估计：
第一类地热资源（温泉水热区）全国水热区天然放热量达530万吨标煤。其中2200处温泉年释放热能1.0×1017J，相当于354万吨标煤热量。水热区可采热量可达0.5亿吨标煤值。
第二类地热资源是沉积盆地型的地热资源。全国10大中型盆地2000m深度内总热水量约为6.285×1013m³，热能为7.36×1021J，折合2500亿吨标煤。在现有的技术条件下可以经济开采的热水量为4.9×1011m³，折合18.5亿吨标煤，目前经济开采量不到1％。
第三类地热资源是干热岩、地压地热资源（地下1600m以下），我国尚未开展研究，一口深井（数千米）钻探费用将近1000万美元，美国1970年投巨资数亿美元开发，估算，全美干热岩体中总能量可达1000万×1018J，相当于1700×1012桶石油的耗量，它为全美已查明的石油储量的6万倍，估计，钻探可及深度6km内，全美干热岩体中至少有50万×1018J能量可利用，即相当于全美年能耗的6000倍。正因为如此，欧共体投3亿美元支持德、法、英开展第三类地热资源的研究。
目前，我国地热井约800眼，年开采热水量约1.5亿立方米，地热总装机容量2282MW，年采热约为10531GWh，居全球58个地热直接利用国家中的首位，其次是冰岛（装机1167MW，年产量7482GWh），虽然我国地热资源有限，与煤可探明储量数千亿吨相比，地热能比重不大，但远有前景，近有实效，意义重大，对局部地区甚至可以起到举足轻重的作用，地热能的应用仍在各种可再生能源中独占熬头。
热泵技术的成熟，为低温热能的利用创造了条件，它可以从大自然广泛存在的（以往常被人们忽视的）形形色色形式的低温资源吸取能量，并加以提升达到使用的程度。它很符合于建筑供暖（冷）和人们使用的生活热水的要求程度（冬季室温20℃左右，夏季27℃左右，生活热水45℃左右就可以了）。这方面是浅层地能（热）开发利用的重要方面。传统的深层地热直接利用后（供暖、洗浴、养殖……），回灌水的温度偏高，一般达到40℃左右，大大影响了地热能利用的经济性，不仅浪费，同时这么高的温度非同层回灌排入地下也破坏了地下水文地质环境。开发利用浅层地能（热）的热泵技术，作为深层地热利用的补充，为它开辟了一条回灌水温度梯级利用的新途径。既提高其经济性，又防止了对地下环境的破坏。（例如，天津市华馨小区地热供暖系统采用热泵梯级利用，尾水最低排放温度达10℃，利用温差80℃，充分的利用了地热资源，利用率由50%多提高到70%以上，增加供暖面积5.5万㎡）。

（三）浅层地能（热）的能量资源
宇宙是在100～150亿年前，一次大碰撞中产生的。据科学测算，地球已形成45亿年了，地球表面凝结成地壳也有40亿年的历史。无数高度压缩的太空物质和内部放射性物质的衰变热加热了这个环绕太阳运动的岩团（地球）熔化了的铁镍往地球中心下沉，轻的物质上俘，最终形成了地壳、地幔和地核。
太阳比地球大100万倍，相距1.5亿km，地球围绕太阳运转时，所吸收的太阳能只占太阳能总输出量的20亿分之一，尽管如此，专家估算，一年内地球受太阳的辐射量平均为7.03×1021KJ/a，这相当于250万亿吨标煤热量。浅层地能（热）具有的能量是太阳能和大地热流综合作用的结果。但是主要来源是太阳能。太阳能发射至地球表面的能量是来自地球内部能量的5000倍（见图1）。太阳直射地球辐射量中有47％直达地球，大气层吸收19％和散射34％。加上大气层反辐射给地球的份额，地球获太阳能辐射份额可达60％。

地心热年复一年的不停顿的从地壳表面上散失，地质专家在全球范围内监视其大地热流值。1990年以来，我国大地热流测点已达到681个，全国热流加权平均值为70.8mw/㎡，大地热流散逸至空间的能量一年全球可达1.4×1018KJ/a，此值相当于二十世纪七十年代以来煤、油、气总消费年量的3～4倍以上，或者说，每年流出地球表面的热能约为44×1012W，相当于全球电能消耗（1012W）的44倍。尽管如此，它仍然比太阳射至地球表面能量小5000倍。可见，浅层地能（热）的能量来源主要是靠太阳能。
如此巨大的热量释放靠地球内热来维持，它的能量主要来源于地心放射性元素衰变所释放的能量，地壳及上地幔顶部酸性岩层中放射性元素含量多，地球内部不同深度上的热源估计为：0～100KM占50％，100～200km占25％，200～300km占15％，300～400km占8％，＜400km占2％。
浅层地能（热）的能量主要来源于太阳能，这是因为太阳发射至地球表面的能量是来自地球内部能量的5000倍以上，它相当于全球煤、石油、天然气总耗量的近2万倍，（7.03×1024J/a），地下土壤和岩石是很差的热导体，一个100m厚的熔岩流要花300年才能从1000℃冷却到地表温度，一块厚400km的岩层板，热从一面传到另一面要用50亿年，比地球存在的时间还长，也就是说，45亿岁的地球仅靠导热来冷却，400km深度以下的热量就会至今尚未到达地表。原来还存在有对流传热和辐射传热，才使地幔顶部原来熔化的岩浆凝固程岩石圈（它在大陆下面厚约100～150km，海洋下面约60～70km），它的存在抵御外空陨石物质袭击，又阻隔内部能量的外泄，使地核反映在相对封闭的体系中，地心热传至地表经过地幔2885km厚的岩石层，需要350亿年以上。浅层地能（热）就存在于在太阳能和地心热的综合作用下，所形成的地下浅层数百米以内的恒温带中。
地质学家测定地温梯度表明，在近地表面的恒温带以下，深度每增加1km，由于地心热的作用，地下温度增加为25～30℃/km（全球平均值），可见恒温带以下的热能就不属于浅层地能了。正象人们从温泉、火山意识到深层地热能一样，从生活中的菜窖、热泵空调、冰库等地下建筑人们可以意识到地下恒温带中的冬暖夏凉。恒温带的深度究竟有多深，各地域却有所不同。据地质专家测量，地表温度的变化可以热波的形式向地下发送。其振幅随深度衰减，昼夜温差的变化只能进入地下1m左右，季节温度变化进入地下约15m左右就衰竭。也就是说地下15m左右以下至数百米范围内皆属恒温带，一般超过地下千米后，发现受地芯热的影响，有温升。浅层地能（热）的资源目前尚无数据，缺乏这方面的研究。据美国专家Luna B.leopold等人的计算，地下800米以内水体积达417×104km³，其含水量大约是世界江、湖、水库和陆地咸水总量的17.5倍，而800米以下仍然存在同等数量的地下水源。
我国地下饮水区一般在400米深左右，浅层地能采集地下水与土壤换热，在不影响饮水井区域，一般按400米深度计算，若按地下水均匀分布计算，这样全球地下水在400米以内就有208.5×104km³，相当于世界江、河、湖、水库及陆地咸水总量的8.75倍。该地下水总量，如果它全部被开发，利用温差为5℃时，可为全球提供1.2×1016kw的供热功率，这相当于1995年全国火电装机容量210GW的5700万倍，当然，全部地下水量不可能全部被利用，一般多数冲积含水层的给水度只有10～20％，最大30％，那么实际可被利用的水资源最大也只有6.3×105km³（或6.3×1014m³），即使如此，提供的能量可达3.1×1015KW相当于目前我国发电装机容量3亿kW的1000万倍。但是这仅仅是浅层地能（热）中的一部分，不包括土壤的低温能量，仅存在的地下水蕴藏的能量。
一般土壤中，固相率占50％，气相率占15～25％，液相率为25～35％（即1/4～1/3），而砂石岩石中孔隙率是地下水埋藏之处。其中球形立方体排列空隙率最大约47.64％，而球作四面体排列时的孔隙率最小约26.18％，自然界均匀颗粒普遍排列为上二者之间，相当于37％左右，也就是说，土壤砂岩石中固体比例在63％。也就是说，地下1/3是空隙，2/3是固体。空隙水的给水度不大于30%时，供水量为10%（地下水的土比例相当于1：9）。
地球：大陆占29.2％，海洋占70.8％，地表面积510064472km²。地下深400米以内其土壤砂石固体份额约1.29×1017m³、地下100m深以内土壤砂石是固体份额约0.32×1017m³。可见，这么大恒温体积内蕴藏的低温能量，相当于几十万亿吨标准煤的热量。

（四）浅层地能（热）的温度水平
地球是一个巨大的能源热库，地球内部一个火热的世界。
宇宙是在100～150亿年前的一次大碰撞中产生的，宇宙的膨胀和复稀薄逐渐形成星系、太阳和地球，地球大约在46亿年前形成，地球从地表到地心可分为三部分：地壳、地幔、地核。地壳是地球最外的表层，其厚度不一。海洋下地壳厚3～15km，平均8～10km，大陆地壳厚20～65km，平均40km，见图2。上地幔是固体岩石圈，其下部是软流圈，此处的温度约1000℃左右。组成地壳的岩石和上地幔的固体岩石圈既有效地防止了地球内部热量向太空散失，又很好保护了我们免遭地下高温烫伤。地壳表面5km（占地壳厚度的1/8）以内是目前国际上公认的深层地热能的开发区域。

地质与地球物理学家研究证明：在地壳的近地表面（数百米以内）存在有恒温带，在恒温带以下随深度的增加，地下温度增加，存在有温度梯度，目前研究表明：深度每增加1km，全球的平均温度梯度约为25～30℃/km。
地表温度变化可以向地下发送热波，其振幅随深度衰减，昼夜温差的变化只能透入地下1m左右，季节温度变化透入地下约达15m就衰减，长达100年的地表温度变化则可以在150m深度观测到，1000年周围地表温度变化可透入地下达500m。
地球内部的热能向地球表面传递的方式有三种：热传导、热对流和热辐射。大量热流数据表明：海洋与大陆的热流值几乎相等。据推算，地壳散失热流总计每年约0.95~1.4×1021J，此值与地壳内放射性元素衰变产生的热量相平衡。
浅层地下相对恒温层示意图如图3，一般在地下15m开始至数百米之间，存在相对恒温带，我国恒温带温度水平在＜25℃以下。一般略高于当地的年平均气温。
地下表层（3km以内）温度分三层：
1、外热层（变温层）——主要受太阳能影响，其温度随季节、昼夜而变化，一般在0.5~1.5m深，年变化影响深度达-20m。
2、常温层（相对恒温层）——受太阳能和大地热流的综合作用，地球内热与上层变温带的影响达到平衡，温度基本不变。该层地温与当年平均气温大致相当，四季基本恒温（<25℃），北方：15℃±5℃；南方20℃±5℃。全国各地恒温带温差一般7~8℃，深度在数百米以内。
3、增温层——近地表恒温带（数百米）以下，深度每增加1km，地温增值的温度梯度全球平均值为25~30℃/km。但到一定深度后，增温速度变缓。该层地温主要受地心放射性元素衰变产生的聚核反应热（即地芯热）的影响。地壳下5km内储存的天然热量称地热能，此处的地温可达100~200℃。在上地幔（370km）固体岩石圈内温度已达1000℃左右。

（五）浅层地能（热）的开发利用促进建筑供暖（冷）行业能源的变革
自然界地表水（江、河、湖、海）以及空气等也都广泛的蕴藏这低温可再生的能量。同样是可以利用的新能源，但是，他们受地域和四季气候的影响很大，地表水冬季接近零度以下结冰，而夏季高达30~40℃，空气冬季可达零下20℃多，夏季可高达40℃以上。这种温度变化幅度很大的低温热能在利用时必须在技术和设备上采用特殊措施，解决冬季防冻，夏季效率过低等问题，以提高运行的安全和经济性。它们不属于浅层地能（热）的范畴。
前面所述，浅层低温地能（热），存在于地下几米至数百米内的恒温带中，其温度相对稳定，地域与气候的影响不大，不同地域、不同季节基本恒定在10℃~25℃之间。因此，不同地方，冬季、夏季，利用此相对恒定温度的低温热能就比较方便，具有优势。
浅层低温地能（热）在建筑物供暖（冷）提供日常生活热水方面的应用，改变了传统靠矿物质燃料燃烧供暖（冷）的能源结构，它是21世纪取代传统供暖（冷）方式的最有竞争力的措施，是暖通行业建筑供暖（冷）能源的革命。
一直延续到今天的传统的建筑供暖（冷）方式，它的最大缺点有四：1、使用矿物质燃料资源有限；2、能源利用不合理：燃用矿物质燃料（煤、油、气）等燃烧1000℃烟气加热低温水70~80℃，而排烟温度竞达200℃左右，效率极低，能源浪费极大；3、燃烧产物污染严重，不仅产生大量温室气体CO2，同样，烟尘、CO、SO2、NOX皆须后期治理；4、设备功能单一，锅炉只供暖，制冷须另设制冷机组（如分体热泵空调，电压缩式冷水机组或热力吸收式制冷机），另加投资；
而新型浅层地能供暖方式全面的克服了上述四方面的缺欠：
1、使用可再生能：若用地下水换热，每100m³/h利用5℃温差，可获取580kW低温热源，只消耗约150kW的电绝热压缩，提升这部分热量，可实现700多kW的供热量，这就相当传统1吨/时锅炉的供热量，在京津地区可供1万㎡的建筑供暖。
2、能源利用高，比传统方式节能50~75%。
3、真正实现了供暖（冷）建筑使用区域的零排放，零污染。
4、一套设备，冬季既可供暖，夏季又可制冷，并提供日常生活热水，节约总体投资。
总之，国内外建筑传统供暖（冷）的能源结构必须改变，浅层地能（热）将是取代它的最有力的措施，必将引起21世纪传统供暖（冷）方式的重大变革。

二、国外浅层地能（热）开发利用的概况
热泵系统用蒸发器吸收低温热量给压缩机绝热提升后以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统。热泵技术的发展为浅层低温地能（热）的开发利用开辟了一个广阔的天地。大自然再生的低温能量的开发利用是伴随着热泵技术的完善而发展起来。而低温制冷技术的成熟使热泵供暖（冷）技术更加完善，目前在国内外，热泵供暖（冷）技术已处于商业化应用。

（一）热泵早期发展史
1、早在180年前（1824年）法国物理学家卡诺循环尊定了热泵理论基础。之后英国的物理学家焦耳论证了改变气体的压力引起温度变化的原理。英国勋爵汤姆逊教授首先提出了“热量倍增器”可以供暖的设想。国际上，谈到热泵供暖技术应追溯到1912年瑞士的一个专利。
2、直到1927年英国英格兰霍耳丹安装了世界第一台以氨为介质、利用外界空气为热源的热泵，用来供暖和加热热水。
3、1931年美国南加利福尼亚安迪生公司在洛杉矶办公楼投入第一台较大型的热泵，用于供暖，供热量为1050 kW，制热系统COP=2.5。
4、1938~1939年间，欧洲第一台较大型的河水热泵，安装瑞士苏黎士市政厅大楼，供热量为175kW，COP为2，利用R12（二氟二氯甲烷CCl2F2）为制冷剂，供热温度为60℃，采用离心式压缩机。与此同时，日本也进口部件组装二台带有蓄热箱的井水热泵为办公楼供暖，COP=4.4，供热量194 kW。
5、50~60年前，在瑞士和英国利用空气、湖水、河水等低位热能供暖热泵已有20余项工程在使用.
6、1941年第二次世界大战爆发后，虽然影响和中断热泵空调供暖用热泵技术的发展，但战时能源需要，对物料浓缩、木材和生物制品干燥、精镏也用上了热泵。美国制造了一万台蒸镏热泵为战时上百万人加热饮用水。至1950年美国已有20个厂商和10余所大学研究单位从事热泵开发研究，当时拥有600台热泵中，50%用于房屋供暖。1950年左右，美国和英国开始使用地埋管吸收地热作为热源为家用房屋供暖的小型土壤热泵。1952年美国约出厂1000套热泵，1954年出厂约2000套热泵。
7、1957年，美国军用基地住房大量采用热泵供暖代替燃气供热方案。1957年增产10倍，计20000套热泵，1963年年产发货量增加到7.6万套。至60年代初，美国安装的热泵机组已达近8万台。但当时压缩机质量尚不过关，设备费用高而影响了热泵供暖技术的推广。开始处于停顿状态。
8、美国在60年代和70年代初期的经历几乎毁灭了热泵工业。一个具有如此大前途的产品，却因其可靠性低和设备费高而败坏了声誉。到1964年，热泵可靠性的问题已成了一个十分严峻的问题，以至于美国陆军当局禁止在兵营里装热泵，这一禁命一直延续到1975年。又因60年代电价持续下降，电加热器以其高可靠性和低电费吸引着人们，使电加热器的应用不断增加，成了热泵发展的主要竞争对手，限制了热泵的发展，美国热泵进入了10年的徘徊停顿状态。

(二）1973年世界性第一次“石油危机”促进了热泵工业的迅速发展
国际上热泵技术的快速发展还是在1973年世界“石油危机”以后，热泵供暖技术应用得到美国、日本、德国、瑞典等国政府的支持和认可。
1、美国：
1971年生产约8.2万套热泵，在短短五年里增加了4倍；
1976年生产达30万套热泵（截止1976年，美国已有160万套热泵在运行）；
1977年生产达50万套热泵；
1978年生产达60万套热泵，政府制定了PURPA法律鼓励热泵发展）；
1979年美国国内运行的热泵已达200万套；
1988年全美热泵房间热泵空调器年产量已达460万套，单元式热泵空调机年产量达320万台；
1996年单元热泵空调机年产量达567万台，而空气源热泵年产量达114万台。
美国在第一次石油危机以后对热泵的效率给予了很高的评价，并积极推广利用。近几年由于能源价格和住宅建设的变化，每年投入市场的热泵产品也在50万台上下波动，新建的住宅有1/4以上选购了热泵。但美国幅员辽阔，热泵在各地区的普及程度差别很大，例如南部和西部地区普及得多，而东北部和中北部就普及得少。电力公司为促进热泵的推广，实行了低息贷款制度。在加利福尼亚州兴建新住宅，必须通过节能情况的检查批准，这对热泵的普及很有好处。
2、英国：英国是最先发明热泵的国家，但因气候比较温暖，年供暖负荷低，也不太需要冷气，天然气管网比较完备，故对热泵的普及态度积极性不大。
1973年能源危机后，热泵项目有所发展。1980年英国热泵有一万台左右。
3、联邦德国：1980年销售三万台，1983年安装2.5万台热泵。联邦德国正在普及以油、气为燃料在利用地区自行的集中供暖，且因不需要冷气，热泵价格也比较昂贵，故只限于以单户住宅为主推广使用热泵，每年新设的热泵不到1万台。为了普及热泵，他们实行了对新设热泵费用的补贴及税收优惠制度。但还没有达到弥补热泵与竞争能源差价的水平。德国最为广泛应用的是一种既可降低地窖食物贮藏室温度，又可同时供应生活热水的一举两得式热泵热水器，既加热游泳池，又制冷滑冰场的联产热泵。
4、法国：电气供暖的比重在第一次在石油危机后增加了，其能源政策是推进核能开发和增大电力负荷。在此情况下，1981和1982年每年热泵销售量创5万台最高记录。由于法国气候条件不要使用冷气，石油价格也在下跌，因此1984年热泵销售量只有2万台。不过，法国电力公司在大力推广热泵与锅炉联合系统，现已推广到6万多个家庭，其措施是对安装热泵的用户实行经济补贴。
5、荷兰：荷兰因为气候条件和电力价格关系，热泵安装得不多，今后也不可能有很大发展。
6、丹麦：丹麦1980年安装热泵系统约两千多套，但近年来，芬兰、丹麦、法国以及瑞典等国重视大容量热泵在区域供热中的应用。
7、罗马尼亚：有5.8~8.7MW的吸收式热泵26台，另有400套中型供暖热泵，年节能3万吨。
8、瑞典：瑞典大力推广热泵技术
热泵技术是基础的节能技术。为了节约能源和探索新能源，瑞典正在大力提倡和推广热泵技术。在瑞典，建筑采暖的能耗约占总能耗的45%。因此，瑞典政府在十年规划中提出：到1988年，现有建筑的总能耗要节约25%~30%，相当于每年减少340~410万吨石油的消耗。建筑节能的重要技术措施之一，是采用热泵技术，回收废热。目前主要在下述三方面推广热泵技术。
1）排气废热的回收由热交换器和过滤器等部分组成。这种热泵大多安装在车间，实验室、医院和饭店等建筑物的顶部。虽然热泵本身运行需消耗一定的电能，但它从建筑物所排废气中获得的能量比自身的耗能高3倍以上。某医院1970年安装热泵后，平均每年回收的热量相当于200立方米石油。
2）单个住宅的取暖主要工作方式是将聚氯乙烯管埋入住房周围的土壤或湖水中。聚氯乙烯管内通入添加酒精的水做为工作介质，与室内的热泵连接。热泵吸收贮藏在土壤和湖水中的低温热能，并使其温度提高到80℃左右，为家庭提供热水和暖气循环热水。瑞典生产这种小型热泵有10、18和25千瓦三种。在大约200m²面积的单个住宅中安装这种热泵后，春秋季可使室温保持在18℃左右，并可获得80℃左右的热水、冬季大约可节约1/3的锅炉用油。
3）用于地区供热瑞典于1978年开始试制大型热泵。1982年生产出功率为1.1万千瓦的地区供热用的大型热泵。其热源可以取自土壤、地热、海水、湖水、工业废水和废热等。
瑞典研制热泵的历史虽然只有16年，但发展迅速、效果显著。从经济效果看，用户在6年内即可从节约能源所省下的开支中收回设备的投资。
现在瑞典已拥有100多部大型热泵，可以从海水或市政废水中吸取热量。热泵（特别是供单个家庭住宅用的小型热泵）还可以从室外空气，通风系统排出的空气或从热基岩层深处贮存的水中吸取热量。热泵装置的泵和压缩机由电动机驱动，需消耗一定能量，但热泵装置从水中或其他“废”热源获取大量热能其最终产生的能量大于所消耗能量的三倍。
斯德哥尔摩能源局所用的热泵装置的净功率达10万千瓦。该市在七十年代热泵系统发展的战略部署是：
瓦坦区域供热网。1984年时，烧油锅炉供热56%，电锅炉38%，热泵6%，总热量21亿千瓦小时。到1990年烧油锅炉供热14%，电锅炉5%，烧烧锅炉30%，而热泵将占51%，总热量达24.5亿千瓦小时。届时热泵共有3台。
哈玛比区域供热网91%的热量由一台10万千瓦大型热泵供应。
瑞典水力资源丰富，电能价格便宜，是该国的能源支柱。目前正在对利用热泵的地区供热及廉价的供暖方式进行评价和普及工作。瑞典冬季气温低到-20℃以下，故利用地热、井水及湖沼等作为热泵的热源。为普及热泵，采取了长期低息贷款的措施。
近年来，瑞典、西德、芬兰、丹麦、苏联等国开始重视大容量热泵在区域供热中的应用。到一九八二年底，瑞典运行的和在建的热泵站有二十二座，每台热泵容量在一千千瓦到一万五千千瓦之间，每座热泵站一般安装几台热泵。
在瑞典，除电动压缩式热泵外，吸收式热泵也广泛的应用于工业领域中，采矿业采用坑道水为低温热泵，钢铁铸造业废水、化工业余热、锅炉室炉余热、纺织造纸废水回收热皆用于热泵热源。
9、日本国热泵的发展：日本是一个信息很灵的国家。在欧美开发热泵的同时，日本于1930年第一次报导了热泵试验，也开始早期热泵的试验。
1937年用进口热泵部件，组装两台194kW带有蓄热箱的泉水热泵安装在办公大楼供暖，制热系数COP达4.4。
二战中停止了热泵的发展。
60年代，日本政府颁发了一些强制性环保法规，促进热泵的发展。
1973年的“石油危机”对能源短缺的日本影响甚大，政府鼓励热泵技术的应用，特别是大力推广GEHP和cogenerafion（气体发动机热泵及其热电联产系统）。1976年日本也后来居上，热泵热泵空调装置年产量已超过50万套。
1985年房间热泵热泵空调器达220万台，占全年热泵空调的65%。商用热泵热泵空调器37万台，也占全部热泵空调的65%。1996年房间热泵空调器年产量达800万台，其中热泵型占700万台，占87.5%，商用热泵空调器年产92万台，其中热泵型占75万台，也占81.5%。
日本一九八O年至一九八一年度生产七十五万台。大多数是数千瓦到数十千瓦的小容量热泵，用于家庭采暖、热泵空调和热水供应。
简要回顾一下热泵在日本的发展也颇具意义。日本最早进行热泵试验是在1930年。其发展大致可分几个时期。
1）开创期（1930~1949）。当时热泵是用进口的部件组装的。有代表性的是1937年在大型办公楼内安装了两台194kW压缩机的带有蓄热箱的热泵系统。以井水为热源，制热系数达4.4。二次大战中停止了热泵的发展。
2）重建期（1950~1964）。战后食品十分短缺，尤其是食盐。当时发展了从海水中制盐的电力热泵。60年代以后，热泵才逐渐由工业应用向热泵空调用发展。
3）起飞期（1965~1970）。60年代日本工业的发展造成大城市空气污染严重，政府颁发了一些强制性环保法规，促进了热泵的应用与发展。
3）起飞期（1965~1970）。60年代日本工业的发展造成大城市空气污染严重，政府颁发了一些强制性环保法规，促进了热泵的应用与发展。
4）快速增长期（1971~1985）。日本是能源短缺的国家，1973年的石油危机影响很大，在政府鼓励下，设计人员致力于节能建筑，高效系统的设计，大大促进了各型热泵的发展。1985年房间热泵空调器年产量约350万台（其中热泵型约220万台），商用热泵空调器约55万台（其中热泵约37万台），可见热泵在热泵空调器中的比例约占65%。
5）成熟期（1986年以后）。80年代后期（1989年），各种热泵年产量为565万台，热泵在热泵空调机中的比例约65。热泵的年产量不断发展，至1996年，房间热泵空调器年产量达800万台（其中热泵型约700万台），商用热泵空调器产量达92万台（其中热泵约75万台）。热泵在热泵空调器中的比例也上升至87%左右。80年代末，在政府资助下开展高性能的超级热泵项目研究。

（三）近些年来（80年代至今）国际热泵工业的发展状况
为推动热泵技术的发展，1976年世界能源组织成立了“国际热泵委员会”。苏、英、法、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国参加。一些国际组织如国际制冷学会（IIR）、世界能源委员会（WEC）、国际能源机构（IEA）等，经常组织有关热泵的国际活动与学术会议，促进热泵技术的发展。1992~1994年，国际能源机构的热泵中心在国际制冷学会合作下进行了国际热泵状况与政策调研，对于25个国家（其中包括经济合作发展组织OECD美、日、英、法、德等16国和中、韩、巴西、捷克等9国）在热泵方面的技术和市场状况、有关政策和国际合作等进行了调查和分析。初步结果如下：
①全世界已经安装运行的热泵已超过5500万台；
②除住宅用热泵外，世界上已有7000台工业热泵在使用；
③近400套热泵区域集中供热系统在供热；
④全世界的总供热需求量中由热泵提供的近2%。
1996年一些国家热泵供热量占总供热量的比例为：日本占28%，美国占8.6%，瑞典占8.3%，西班牙占7.6%，挪威占4.5%。
许多国家把热泵作为减少CO2、SO2、NOX排放的一种有效方法。
目前世界使用的热泵已达1.25亿台（家用热泵，商业及公共热泵台，工业热泵）。每年可以产80TWH的热能，同时CO2排放量每年可减少130Mt。瑞士制定的“能源2000规划”中，要求在1991—2000年十年内，30%的住宅采用可再生能源，并计划在10年内安装使用10万台热泵。荷兰2000年有20套住宅供热热泵，35套商业楼宇供热热泵在使用。荷兰预计到2020利用可再生能源达10%。
挪威于1983年在奥斯陆投入市政污水源热泵站，前苏联黑海也用海水源热泵供暖（冷）（热220kW，冷185kW）。
1、欧洲热泵市场
目前，世界各国对热泵的兴趣越来越浓，欧洲、日本和北美的制造厂都为工业、商业、建筑和民用提供大量热泵。在欧洲，民用建筑中使用热泵进行供暖和制取生活热水的数量与日俱增。欧洲在80年代初先后召开了5次大型的土壤热泵专题国际研讨会，其后相继安装1000多台套土壤源热泵装置。
现今在欧洲各国用于供暖的热泵总数达到600,000套，而用于制取生活热水的热泵数量则达到550,000套。瑞典是用热泵进行供暖的最大国家，热泵数量达到370.000台，其次是瑞士67,000台，德国63,000台；奥地利33,000台，法国30,000台。
欧洲热泵市场从1997年至2000年的4年间，仅德国、奥地利、芬兰、挪威、荷兰、瑞典、瑞士和法国8个国家共销售热泵17.4万台。热泵数量年平均增长率大约是15%。然而，各国热泵市场差异很大，2000年增长最有活力的市场是芬兰（25%）销售2750台、法国（25%）销售7500台，其次分别是德国（22%）销售5750台、瑞典（15%）销售22700台和瑞士（11%）7200台。热泵台数最多的国家是瑞典，其次是法国、瑞士、德国和芬兰。
欧洲各国热泵发展和产品开发方兴未艾，正在迅速成长。一些国家如瑞典和瑞士政府采取积极的扶持政策，财政补贴、减税、优惠电价和广告宣传力度等，并组建热泵推广协会和检测中心机构，促进其发展。1998年统计，欧洲热泵装置已达10~12万台。
2、瑞典的热泵区域供热
瑞典水力资源丰富，电价是发展热泵供暖很普及的国家。热泵用于区域供暖瑞典也是最多的国家。目前瑞典有180个城镇都有区域供热厂，占全国的1/4，公寓60%与区域网联接。首都摩德哥尔摩地下管网近400公里，该市有45%的家庭使用区域供热系统，其中约有50%由大型热泵提供。目前瑞典大约有6%即95000个单独住宅接入了区域供热网，区域网中燃料石油占50%，煤占16%，电占12%，木屑泥炭占11%，垃圾占7%。
瑞典在80年代投入的22座热泵站的基础上（见表5），目前瑞典已拥有100多座大型热泵（功率在1千kW至1.5万kW）从海水或市政废水中吸取低温能源。
目前瑞典正投入三座大型热泵站，低温热源的采集是处理后的市政污水，投资回收年限约2—3年。
1）位于默奥，二台3万4千瓦热泵，工程造价670万美元；
2）位于恩舍尔兹维克，二台1.4万kW和0.5万kW热泵造价830万美元；
3）位于斯德哥尔摩电力公司，一座8.5万kW热泵站。
3、日本的高性能热泵系统
日本是资源匮乏的国家，日本政府认为热泵的普及程度取决于冷暖负荷大小，能源价格及能源政策等，认为欧美对热泵的支持力度，鼓励程度及普及状况远不如日本。日本颁布一些强制性环保法规，促进热泵的发展。
80~81年间日本生产75万台热泵，大多数是数千瓦到数十千瓦的小型热泵，用于家庭采暖、热泵空调和热水供应。85年日本房间热泵空调器年产量约350万台（其中热泵型约220万台），商用热泵空调器约55万台（其中热泵型约37万台），可见热泵在热泵空调器中占的比例已达65%。1996年房间热泵空调器年产量达800万台（其中热泵型占700万台），商用热泵空调器产量92万台（其中热泵约75万台），热泵比例上升至87%。
日本80年代~90年代期间重点开发高性能热泵系统，主要在如下三个方面：
1）平衡白天和夜间的峰谷电差，开展大型区域供暖（冷）热泵蓄能系统（1000kW级至3万kW级）研究（包括化学蓄能器4万kW级的开发）；
2）大力推广GEHP和cogeneration(气体发动机热泵热电联产系统)；
3）高温热泵的开发应用，输出温度在100~300℃范围内（目前约为100℃）（如CO2热泵的商业开发）
4、美国热泵市场状况
美国地源热泵供暖供冷装置真正意义的商业化应用也只有近二十年的历史。美国从80年代开始在能源部（DOE）直接资助下，由橡树岭国家实验室开展土壤热泵研究。据统计，美国1985年全国地源热泵共有1.4万台，主要安装在美国联邦大楼及400多所学校以及几千家低收入住房和公寓。而到1997年就安装了4.5万台。到目前为止已安装近40万台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所涉及众多地源热泵厂家组成的美国“地源热泵协会”。近年中投入了一亿美元从事开发研究工作。美国计划到2001年达到安装近40万地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或相当种植物1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元。此后，每年节约能源费再增加1.7亿美元。1995年由美国能源部、美国国防部、加拿大自然资源部等七家共同编著“地源热泵工程技术指南”一书，由ASHRAE技术评估委员会6位专家审查出版，指导热泵技术的发展。1998年美国暖通空调工程学会ASHrae技术奖就授予了土壤耦合式热泵系统，到2010年热泵投入使用的总数达150万台。
美国联邦公用设施推广地源热泵（水源、土源），认为运行成本低，比空气源热泵少耗用制冷剂25%左右，但投资较多，1500~3000$/冷吨（或425~840$/kW）。推广热泵的实用场合：
1）新型建筑和寿命已尽的老供暖设备改造。
2）日均温度变化不定，东冷夏热的气候条件。
3）缺乏天然气或电价高的地区
美国热泵系统多数安装于东部和中西部各洲的居民区内。具体例子很多：
1）1993年9月美新泽西洲坡奠纳的“斯法克顿”大学应用最大的土壤热泵63台，总容量1665冷吨（5825kW）400眼竖井129半/眼；
2）1995年尼伯拉斯卡.林肯公共学校区新建四所6500㎡的实验学校，用54台地源热泵（每台4.9kW至52.8 kW）；
3）欧克拉哈马州的拉夫镇90年代安排9台热泵供暖系统，至今运行良好；
4）1995年初加利福尼亚的福特.埃尔文国家培训中心新建220家安装地源热泵，打井入水库；
5）1995年内布拉斯加.林肯市四所新建小学安装土壤热泵54台，比空气源热泵节能17~42%。
地源热泵成本实例为：
1）新泽西洲，泼墨那斯克敦州立大学改造一系统，总容量5826 kW，总成本524.6万$（相当900$/ kW）；
2）印地安那洲，福物维因办公楼471.7 kW，成本239800$（相当508.4$/ kW）；
3）印地安那洲，哈蒙德的牧鸟德小学，一个地藕系统，74台热泵，244眼竖井，成本1277190$/880 kW（相当145$/ kW）；
4）内布拉斯德洲，林肯学校区4所小学，每校54台热泵，总功率630 kW，总成本657000$/630 kW（相当1042.8$/ kW）。
94年美国能源部(DOE)、美国环保局（EPA）及爱迪生电器学会（EEI）、国家农业电力合作公司等财团组成一家政府参预的工业设施国际集团，推广热泵供暖系统，计划2005年，年均销售额达40万套。
5、国内外浅层地能（热）的采集方式
1）国内外浅层地下水传统的能量采集方式——双井抽灌，如图6所示。一个井抽水，另一个井回灌。若不同的地质条件回灌困难时，采用双井或多井回灌。也有一些单位，为了方便回灌挖大口井作为沉淀井，将泥砂过滤沉淀后回灌，更有些使用单位假回灌，把换热后的水直接排入市政下水道里。
传统双井抽灌的优点在于抽水井的水温在热泵运行周期内基本保持稳定，可使热泵机组接近在额定负荷下运行。但是，双井或多井抽灌不仅仅钻井数量增多，其缺点主要是地下水回灌较困难。易地回灌改变地下水的分布，容易产生移砂淤井的现象（特别是钻孔成井工艺较差的施工，地下水含砂量超标时，一个采暖期数十万吨水循环，带走泥砂可达数吨以上）。
为克服地下水回灌难的缺点，国内恒有源科技公司自主研制了“单井抽灌”技术。该浅层地能（热）采集技术已广泛应用于各种类型的建筑供暖（冷）三联供工程中，全国已达200多万㎡，取得了良好的效果。
2、国外，浅层土壤低温热量采集方式，有很多实例，做了很多方面的试验和研究。采集方式主要有三种形式：1、水平埋管（直管，螺旋管）；2、垂直埋管（U型管，螺旋盘管套管）；3、基桩埋管（与建筑物基桩做成一个整体）。以上在工程应用中，多以垂直埋管为主要方式（详见第三篇）。

三、我国浅层地能（热）开发利用的概况
我国热泵系统作为商业化应用与世界发达国家相比有一段明显的滞后期。当能源、环保提到社会议事日程时，才意识到发展热泵技术的重要性。
但是，早在20世纪50年代天津大学的一些学者就开始了热泵技术的研究工作。60年代开始在我国暖通空调中应用热泵。例如，1963起，原华东建筑设计院与上海冷气机厂就开始研究热泵式热泵空调器；1965年上海冰箱厂研制成功我国第一台制冷量为3720W的CKT-3A热泵型窗式热泵空调器；1965年天津大学与天津冷气机厂研制成国内第一台水冷式热泵热泵空调机；1966年天津大学与铁道部四方车辆研究所共同合作进行干线客车的空气/空气式热泵实验；1966原哈尔滨建筑工程学院与哈尔滨热泵空调机厂研制成功LHR-20恒温恒湿热泵式热泵空调机，首次提出冷凝废热用于恒温恒湿热泵空调机的二次加热的新流程。由于我国煤炭能源为主导，能源价格的特殊性等因素，使热泵发展缓慢。70年代初，第一次世界石油危机，在国际上掀起推广热泵技术应用热潮，也同时影响了我国学术界、高等学校、研究所和学会。
1978年至1999年，中国制冷学会第二专业委员会主办过9届“全国余热制冷与热泵技术学术会议”。1988年中国科学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”。自九十年代起，中国建筑学会暖通空调委员会、中国制冷学会主办全国暖通空调制冷学术年会上专门增设“热泵”专题交流。
1988年由中国建筑工业出版社出版了徐邦裕教授等编写的“热泵”教材。机械工业出版社1993年出版了郁永章教授主编的“热泵原理与应用”，1997年出版了蒋能照教授主编的“热泵空调用热泵技术及应用”，1998年出版了郑祖义博士著的“热泵技术在热泵空调中的应用”。1994年由华中理工大学出版社出版了郑祖义著“热泵热泵空调系统的设计与创新”。这些教材、著作、译著的出版，推动了热泵热泵空调技术在我国的普及与推广。
国内一些高校和研究所开展热泵技术相关的专题研究：
1、上海704研究所与开封通用机器厂为无锡第四织布试制双效吸收式热泵；
2、上海能源研究所开发用R1426为制冷剂的木材干燥热泵；
3、上海交通大学与上海通用机械研究所开发第二类吸收式热泵；
4、浙江大学开发风冷热泵全年气候下的计算机模拟软件；
5、华中理工大学成功开发了我国首台400KW的空气——水复合热泵机组；
6、青岛建工学院首先建立了在地土壤作为低温热源的实验室；
7、哈尔滨建筑大学开展闭式水环热泵以代辅助热源的研究；
8、广州能源研究所开展太阳能热泵系统的研究；
9、同济大学研究氨——水吸收式热泵的仿真设计；
10、重庆大学开始一系列的土壤U型埋管换热器的试验研究；
11、西安交通大学开发各种制冷剂在热泵中的应用；
12、北京建筑工程学院开展空气源热泵在低温气候条件下结霜的研究；
13、清华大学开展无氟制冷剂的研究；
14、青岛建筑工程学院开展以海水为低温热源的大型热电站的可行性研究；
15、天津商学院、湖南大学、同济大学、山东工学院相继进行土壤埋管地源热泵的试验。
住房条件的改善，电力供应的增长，特别是城市商场、高层建筑的兴建，大大促进了热泵空调与热泵工业。60年代开始窗式热泵空调的推广，80年代开始分体热泵空调的推广应用，房间热泵空调的年产量1991年为59.6万台。5年后，至1996年年产量已猛增645.9万台，增长10.8倍，其中热泵型热泵空调器占65%，达420万台，数量上已步入世界热泵空调用热泵产量的大围，大致相当于美国和日本90年代初的水平。质量上也与美国、日本等相距不远。但新品种特别是压缩机的开发能力与国际先进水平差距还较大。

可以看到，热泵的发展不仅与国家国民经济总体发展及热泵本身技术进展有关，还与能源的结构与供应、环境治理的需求有关，特别是与政府的政策导向密切相关。
1995年我国空气源热泵生产厂家只有十几家，但是20世纪末已有40多家，产品45个品牌，不同规格，其中国产机组占25%。全国家用热泵空调生产厂家有126家，热泵空调在大中城市家庭的普及率达50%左右。
96年全国热泵空调制冷能力为2000万KW，其中热泵型占60%以上。全国热泵机组中，电动式占1070万KW，占90%，吸收式130万KW，占10%。
热泵为建筑物供暖（冷）在国际上虽然已有几十年的历史，但由于种种因素在我国推广应用缓慢，主要原因是：①以燃煤为主的供暖手段很多；②能源价格失调（煤价无低于电价）；③压缩机制造水平与国外差距较大；④空气源热泵冬季供暖结霜的难点不易解决；⑤经济发展程度制约人们的观念转变，对冷暖热三联供要求不迫切等。
80年代初至90年代末，在我国暖通空调领域掀起一股“热泵热”，热泵供暖（冷）在我国应用日益广泛，且发展速度很快，这主要是上述原因的改善和环境要求城市能源结构的变化所致。
1980年上海手工业局设计室与上海冷气机协作，为上海工艺美术服务部楼1200m²面积供暖，热泵空调用空气源热泵，以R12为工质，55KW压缩机配备48KW辅助电加热。
80年代初广州能源研究所在东莞设计制造一套游泳池加热热泵系统，用25-40米深的24℃地下井水作为低温热源，并由太阳房对水系统辅助加热。
80年代初，我国在一些外商投资的建筑中采用了回收建筑物余热的水环热泵热泵空调系统，90年代水环热泵热泵空调系统便在各地得到广泛应用。据1997年统计，国内采用水环热泵热泵空调系统的工程已有52项，不仅在北京、上海、广州、深圳、天津的大城市，一些中小城市如佛山、绍兴、惠州、泉州等也有应用。
1990年天津大学在河北省衡水变电站用电站冷却水为低温热泵的水源热泵供热量为179.1KW装机功率59KW。COP=3.2
90年代初，大连电力大厦（高层单元式建筑）利用热电厂冷却水作为低温热源的热泵供暖系统，收到良好的节能效果。葛洲坝水力发电综合楼采用带有热回收系统的空气水复合热源热泵热泵空调系统，几年来运行效果一直良好。
90年代，上海高层建筑中25%采用空气源热水机组供暖（冷）。武汉、北京、杭州、长沙等地也大量的使用它。但在北京较寒冷地区和温差大的地区，因冬季设备结霜而影响其推广使用。一般冬季气温<-15℃的地区，空气热泵供暖还存在问题。
科委立项曾对“电动热泵在我国应用的可行性研究”结果表明：
水源热泵中，以河水（5-6.6℃）为低温热源，节煤率可达（12.7%-14.1%）,以海水（12-13.6℃）为低温热源，节煤率可达（21.6%-23.6%）,以工业废水（18-20℃）为低温热源，节煤率可达（39%-39.5%）
这个论证是有前题条件的，节煤率仅供参考。从中可以看出一个规律，那就是利用工业废水作为低温热源的热泵系统的效益比海水好，比河水好，当然比地下水也好。总的来说，热泵系统的节煤量是十分可观的。
全国各地建立热泵站是否经济？为此，根据费用现值法，建立了热泵站的经济效益评价模型。将煤价、电价作为变量，在供热锅炉房使用寿命期内的费用现值等于热泵站使用寿命期内的费用现值前提下，研究全国主要城市在不同低温热源、不同设备价格条件下，求出煤价与电价的关系。并以此关系绘制出各主要城市的热泵站临界经济线。由此就可以十分方便的判断每个地区建立热泵站的经济效益如何。
目前，热泵站在节约能源中的作用已引起国内主管部门和暖通空调工作者的关注和兴趣，认识正在提高。有些城市已开始论证建立以水为低温热源的大型热泵站的可行性问题。国家有关部门将热泵站示范工程的研究纳入国家科技攻关计划的能源项目中。
以浅层地能（热）的地下水和土壤作为热泵低温地源比大自然的地表水和空气有着更相对稳定的特点，它的能量采集基本不受使用地域和四季气候的影响。它作为建筑物的冷热源初始采集更具有推广价值。近些年来，广泛的引起了学术界和企业界的关注，水源热泵和土源热泵应用于建筑物供暖（冷）工程项目迅速扩大。目前水源热泵生产厂家全国已超过20家，上海闵行经济开发区的办公楼供暖（冷）是我国第一个采用土壤源的热泵工程，近些年来国内数所高等学校开展了土壤源热泵系统的试验研究，并取得一些有指导意义的数据。
我国住宅建筑市场巨大，1995-2000年，全国每年城市新建住宅建筑面积约2.4亿m² ，（其中上海约1500万m² /年，北京1000万m² /年，天津600万m² /年，大连260万m² /年等）。到2000年，全国城镇房屋建筑面积达38.5亿m² ，（其中住宅20.7亿m²，占53.8%，商业建筑6.5亿m²，占16.9%等）。预计2000年——2010年，每年新建住宅面积约3.4亿，如何解决其供暖、供冷以及生活热水问题是十分重要的。不仅暖通学术界和企业界关注，政府更加重视。这涉及到城市能源结构、环境保护和提高人民生活品质的重大课题。空气源热泵、水源热泵、水——空气热泵，太阳能辅助加热的水环热泵等具有很好的市场前景，特别是浅层地能（热）、地下水和土壤源热泵的可再生能量采集系统将成为解决上述重大课题的关键。
进入21世纪，伴随中国经济的迅速发展，人们对生活品质和舒适性要注的不断提高，城市能源结构的改变，建筑市场的巨大为热泵供暖（冷）技术在推广创造了前所没有的机遇。国内在热泵理论研究、试验研究、产品开发、工程项目的应用诸方面都取得了可喜的成果。我国热泵系统的应用正步入了世界性大国。目前，（2003年的统计）仅北京的热泵市情况调查结果如下：
1、承担热泵系统设计的单位有9家左右：如北京厦建筑设计事务所、北京华清地热开发有限公司、中国有色金属设计研究所、北京有色金属设计院、中国建筑设计院、北京建筑设计院、首钢设计院、北京地矿总公司、北京勘察技术院。
2、使用的热泵厂家约有9家：北京恒有源科技发展有限公司、山东富尔达公司、法国CIAT公司、清华同方、富莱克斯、上海开利、中科能、东宇制冷、山东荷泽热泵厂等。
3、供暖规模：恒有源科技公司（广厦设计所）114个单位，供暖面积154.4万m² /；华清公司设计，清华同方及富尔达设备21个单位39.7万m² （包括地热尾水5个单位7.78万m² ；地源热泵2个单位1.033万m² ）；其他单位，设备不一：52个单位，100.4万m² 。总计，全市2003年前使用热泵单位187个，供暖面积294.5万m² （其中不包括恒有源科技公司承担的外省市16家单位，11.34万m² ）
同样，电动式热泵和蒸汽吸收式热泵在工农业各行业中也广泛应用，如木材、纸张、茶叶、鱼类加工中的干燥工艺，农舍、乳品屠宰场、啤酒行业加热用、食品、制药、代工浓缩蒸馏工艺、电镀加工热回收、奶制品、洗涤排水回收等等。2000年初步统计，全国木材干燥热泵有400台，年处理木材约20万m³，化工业热泵300台，食品业热泵150台，造纸业热泵130台、农业10台，冶金业150台，制药行业用热泵100台。

四、浅层地能（热）开发利用中值得注意的问题
地表水（江、河、湖、海等）、空气、城市污水、电厂循冷却水等低品位热源都很主便的被采集，供热泵提升后为建筑物供暖（冷）。地表水低温能量的采集虽然很方便，但受气候的影响，温度变化很大，特别是北方寒冷地区，水温和气温却很低，能量采集必须要考虑结冰防冻问题，同时由于温度过低，热泵系统的能效比（COP值）降低并同时影响其额定热输出功率。
浅层地能（热）（地下水和土壤）的能量采集虽然不如前者来的方便，但是其低温能量相对很稳定，温度水平略高于当地气候的年平均温度，春夏秋冬基本恒定，只要能量采集的工艺手段恰当合理，热泵系统的能量平衡是相对稳定的。
浅层地能（热）开发利用应注意如下一些问题：
（一）浅层低温地能（热）是建筑物供暖（冷）能源的最佳选择
浅层地能（热）一般温度相对恒定（<25℃），经过热泵提升至建筑物供暖需要的温度（一般50~60℃），热泵系统能效比很高（一般COP可达3~5），这种能量地下储量巨大，且可恢复再生，夏季制冷时将热量排入地下，冬季供暖时在低下取热，再将冷量排入地下，循环利用。对于无地下水流的水文地质条件它可平衡地下温度场。浅层地能（热）热泵系统可用于建筑物供暖（冷），也可以用于工业生产所需要的冷热源（如干燥、精镏等）。浅层地能（热）在开发利用重点应放在建筑物的供暖（冷）方面。
在工业发达的国家中，建筑物是能源消耗的大用户。随着经济的发达，人们高的生活品质和舒适的生活环境，建筑物的能源消耗比例也逐渐加大。以80年代美国为例，建筑物（包括住宅和商业楼）消耗的能量占总耗能量的33.6%。其中用于采暖达53.3%（相当于总耗能量的17.9%），热水耗能量12%（相当于总能耗的4%），热泵空调耗能量7.4%（相当于总能耗的2.5%），制冷6.5%（相当于总能耗的2.2%），其它20.8%（相当于总能耗的7%），也就是说建筑中约有80%的耗能量（相当于总耗能的26.6%），用于采暖、热泵空调和生活热水供应。90年代瑞典建筑物的能耗已占全国总能耗的45%。因此，建筑物选用合理的供热系统，对节省能耗是意义重大的。
浅层地能（热）的热泵供暖（冷）系统，不仅能源利用是高效的（一般用1kW的电，采集3kW浅层地能，为建筑物提供4kW的热功率），而且，在整个供暖（冷）过程中，无任何气态、液态和固态排放物，实现使用区域的零污染。这种可再生的低温地热能广泛应用于建筑供暖（冷）领域，确实是一项重大的能源变革。

（二）保护地下水资源，采用单井抽灌技术
浅层地能（热）（地下水、土壤）虽然是储量巨大，四季可再生，但对于具体的地域不同的水文地质条件，其开发利用还是要有选择的，什么场合适合于浅层地下水低温能量的采集，什么场合适合于土壤低温能量的采集，采集的规模多大，用何种方式，开发利用不能过度，否则不仅影响经济性、安全性，还会造成地下水文地质条件的破坏。
地下水资源的利用——低品位热采集技术使用和限制的条件可考虑如下几点：
1、我国地下水四季温度不同地区一般为6~24℃，基本保持恒温。采用电动压缩式热泵，利用地下水的低品位热源，对建筑物供暖（冷）是十分有价值的，如100t/h水利用5℃温差，经热泵技术提升后供暖，可提供约700kW的热量，这相当于1t/h锅炉的供热量，一个采暖季可替代标准煤325吨（或206吨轻柴油，或25万N/m³天然气）。这是我国解决冬季供暖、夏季制冷的重要节能环保措施，政策上应积极给予支持。
2、采集地下水低品位热时，要求做到：只用其热，不消耗水，用后必须回灌地下。除非有较大需水用户进行二次利用外（需特批）。
3、地下水采集井深度应避开地下生活饮用水区（一般在400米以下）。在地下水有条件的地区应尽可能采用地下百米以内的浅层地下水，作为低品位热能的采集区。
4、回灌水尽可能的就近回灌。在不影响热动力工况下，应积极推广“单井抽灌”技术。不具备“单井抽灌”条件的可采用双井，一抽一灌，且回灌井应设置在抽水井的上游区，井位间距离一般应在10~20 m以上。
5、地下水采集井、回灌井的井位应远离城市区域供水站，且应设置在其下游区，间距应大于100米。
6、回灌井深度不宜接近地下生活饮水区，一般与抽水井深度相当（同层回灌）。
7、回灌水必须受监控（具体办法另定），严防被污染，杜绝水资源的浪费的污染，有效合理的利用地下水资源。
8、采用地下水源热泵时，水源的选择应为：水量充足，水温适当，水质良好，供水温定，易于回灌。具体应考虑：
1）地下水取水深度多在100m以内；
2）各含水层厚度一般应大于5m；
3）冬季地下水温应不低于10℃；
4）地下水含沙量应于1/200000；
5）回灌水严格控制其水质，基本与抽水水质保持不变。一般：
①水中氧化钙含量应低于200mg/L；
②总矿化度应小于3g/L；
③氯离子含量应小于100mg/L；
④硫酸根含量应小于200mg/L
⑤铁离子含量应小于1mg/L；
⑥硫化氢含量应小于0.5mg/L。
9、目前，虽然还没有回灌水水质的国家标准，但回灌水至少应等于原地下水水质，以保证回灌后不会引起区域性地下水水质污染。因此，应遵守以下条款：
1）地下水应在封闭系统中输送；
2）热泵热泵空调系统中与地下水接触的部件应采用耐腐蚀材料制造；
3）取水管路上和回灌水管路上应装有水表和采集水样用的旋塞阀；
4）定期对地下水进行化验，并将化验结果报送有关部门备案；
5）如发现地下井水异常，特别是水中出现化学物质或其它无关物质时，应及时与有关部门联系，并采取措施。
10、地下水回灌的方法有三种，即：真空回灌、重力（自流）回灌和压力回灌。
1）真空回灌。真空回灌是利用颇低的静水位（低于地面10m）形成真空进行回灌，含水层渗透性要良好。由于回灌时，对井的滤水层冲击力不强，所以很适用于老井。采用真空回灌，对于颗粒含水层，回灌量一般为取水量的1/3—1/2；对于粗颗粒含水层，回灌量可达取水量的1/2—2/3。
2）重力回灌。依靠自然重力进行回灌也适用于低水位和渗透性良好的含水层，此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层，此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层，其回灌量一般为取水量的50%；对于渗透性好的砾石层来说，回灌量可达取水量的75%—90%。
3）压力回灌。压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层，其缺点是回灌时，对井的滤水层和含水砂层的冲击力强。上海曾广泛采用此法进行回灌。根据测量，对于一般口径的井来说，回灌量Q（m³/hr）与回灌压力P（kg/cm²）有如下关系：
P=000175Q2
11、为了预防井管堵塞，及时清除堵塞含水层和井管的杂质，在进行回灌以后，经常开泵，排除回灌井水中的堵塞物，即进行回扬。回灌井的加扬次数和回扬持续时间，主要取决于含水层颗粒大小和渗透性。在岩溶裂隙含水层中的回灌井，长期不回扬，回灌能力仍能维持不变；在松散粗大颗粒含水层中的回灌井，每周回扬1—2次；在中、细颗粒含水层中的回灌井，回扬间隔应进一步缩短；而对于细颗粒含水层中的回灌井来说，经常回扬尤为重要。
12、尽可能加大使用温差，减少地下水用量，并降低输送动力。

（三）与高舒适度低能耗建筑配用，合理的运行设置至关重要
浅层地能（热）开发利用于建筑供暖（冷）是建筑供暖（冷）能源上的革命，但为使其高效安全经济运行，降低初始投资，提高使用寿命期的投资回报率，使于社会认可，使用者易接受。这项技术在推广使用的同时必须与建筑节能技术相结合，在节能建筑上的应用、会产生更大的效益。
目前我国能耗消耗总量每年达13亿吨标准煤，已占世界第二位，其中城市建筑能耗约占1/5~1/4，但是，我国建筑单位面积能耗仍是气候相近的发达国家的3~5倍，建筑能耗大是十分严重的。目前欧洲低能耗建筑执行的标准（建筑热指标）为15~25W/㎡。我国1996年7月1日施行的“民用建筑节能设计规范”规定采暖热指标为20~22.7W/㎡。高舒适度建筑是指建筑物室内自由温度（冬季约16℃，夏季约27℃）。如下图所示。

建筑物室内自由温度冬夏控制在高什么度范围内即可，不必冬季室内控制温度设定过高，夏季设置过低，这样冬季可大幅度的节约供暖能源，夏季减少用电峰值的同时，又防止了因室内外温差过大而感冒。家庭生活的点滴习惯背后，隐藏着惊人的电力消耗。就拿夏季热泵空调来说，居民家用热泵空调能耗在城市夏季用电中的比重一般达到15%左右，以北京为例，全市热泵空调普及率为70%，居民热泵空调装机容量约占全市最大供电负荷的17%。热泵空调的设置温度不宜过低，最高设定为27~28℃。冬季、夏季室内温度每调低、调高1至2℃，其功率消耗将下降5~10%。全国13亿人口，平均每人每天节约一度电，一年下来就会少烧2亿多吨原煤。采用浅层地能（热）热泵供暖（冷）对节能建筑和合理的运行是十分重要的，这不仅仅是节约能源，还使浅层地能采集产生更大效益，降低成本，更有竞争力。
实现高舒适度低能耗建筑的具体措施为：
1）墙体、屋面围护结构的保温，使传热系数降至0.2~0.3W/㎡?K；
2）有效遮阳措施；
3）优良窗性能（合理的采光面积，良好的密闭性）；
4）采用LOW—E玻璃；
5）匹配的采暖热泵空调系统（如浅层地能热泵系统）；
6）网层隐蔽节水型排水系统等。

（四）浅层地能（热）的采集规模设计应与建筑物供暖（冷）面积（冷热负荷）相匹配。
我们知道，土壤、砂石、岩石以及地下水的导热能力很差（λ黄土=1.41，λ砂岩=2.0，λ回填砂=2.2，λPEX=0.5，λ水=0.6，λ混凝土=0.75~0.8，λ金属=2.2~420，λ铜=386W/m℃），如果不考虑如下因素：
1）地下水渗流的影响；
2）地下土壤对流和辐射的传热；
3）地下水文地质的特殊构成的影响。
仅考虑热传导的话，地下低温能量的传送是很慢的，也就是说，地下具有一定储热、储冷能力，热泵夏季供冷时把热量送入地下，冬季利用可储存的热量提升后为建筑物供暖，而把冷量送入地下储存起来。当然，如果考虑上述三个因素后，地下储能在冬夏都有流失。
另一方面，打井取地下水的低温能量和打竖孔用埋管取土壤砂石的低温能量，对一个单元体来说，两者的能量采集是有所差别的。
对于地下含水层渗透系数K（m/d）和井的出水量有密切关系，在不同的地下水文地质条件下，渗透系数各不相同，一般K值>10称强透水性，K=1—10称透水性。K=0.01~1称半透水性。K=0.01~0.001称弱透水性，K<0.001为不适水性，一般从浅层地能（热）采集角度，我们希望地下水的渗透系数K值>5以上，处于富水区，每小时每米降深可提供3.6m³/h.m以上的水量，当K值=10时，可提供地下水量达18m³/h.m。按5米降深取水，出水量可达每小时90m³/h。
工程设计中，取水井离需供暖的建筑物不易过远，一般超过10m以上即可。根据供暖面积和制热负荷以及冬季地下水温状况确定打井的数量，通常每口井的出水量（对于富水区）在60~200 m³/h范围供选用。对于万m²建筑供暖一般打1~2口井即可，对于大型建筑群供暖，需要打多口井，项目设计中可以采用两种方案，视具体情况而定。
1）多井联网，集中机房，楼群统一供暖；
2）单井与建筑直联，分散机房，单元分散供暖。
打多井时，井间布置应垂直地下水渗流方向，井间距至少应保持10m以上。
浅层地能，土壤取热所采集的能量比有地下水的地方差的很多，一般钻一个100米以内的孔仅靠土壤岩石的换热可采集的热功率为2.5~3.5kW。土壤竖孔单元体内储存的低温能量有限，在地下深100米，井的影响区按国外数据6米直径计算，该圆柱体积的储存的可采集的（5℃温差）低温热量为4100万KJ（它相当于1.4吨标煤），若每个竖孔的热采集功率为3kW时，储存地下这部分的热量可维持158天，即满足一般北方城市四个多月的采暖需求。若井的影响区按国内某些院校的数据3m直径计算，该体积内储存的可采集（5℃温差）的低温热量为1034万KJ（它相当于354kg标煤），同样每个单元竖孔热采集功率为3kW时，它仅能维持40天的供暖需求，看来竖孔间距3m偏小，至少5m以上的间距才能基本满足需要。以上是简单的估算，有待实验进一步验证。

（五）浅层地能（热）的能量采集是热泵供暖系统的关键
在工程配套设计施工中不仅仅要从能量的稳定合理的采集考虑，还要特别注意环境效益，不污染地下水，不破坏地下地质结构，保护地下水资源，具体考虑如下：
1）热泵供暖系统用地下水采集其浅层地能（热）时，应遵循如下原则：
①积极支持浅层地能（热）可再生能源的采集开发和利用；
②打井深度限制在地表浅层400米以内，远离400米以下的国家二级水质区域，保护生活饮水区，根据具体的水文地质条件确定打井深度，一般在100m以内（地下水受污染层）；
③只用其热，不耗其水，用热后必须全部回灌，并监控回灌的实施；
④对于一抽一灌、一抽多灌的双井和多井要严格审批，限制打井数量；
⑤井间距和井与建筑物的相对位置要合理；
⑥井位要远离城市供水站；
⑦能打少井不打多井，地下水不可过渡开采；
⑧系统采用大温差小流量，以降低动力消耗等。
2）积极推广单井抽灌技术，水系统封闭回路运行，回灌水质对下水未构成污染，平衡地下水位，防止移砂、抽空和淤塞。
3）无论何种方式的回灌水的水质，水温必须监控，回灌水水质至少应与原采集地下水的水质相当，并定期化验。
4）浅层土壤低温热量采集，竖孔深度、数量、孔间距应根据具体地域、土壤结构、所须负荷大小来确定。
①一般每个竖孔（<100m）低温土壤热采集量为2.5~3.5kW，孔间距应保持>5m以上为宜；
②土壤埋管采用U型高密度PEX管，地下应无接头，若采用钢制套管式换热器，要考虑防腐；
③竖孔孔径不宜过大(用U型管换热器一般φ150即可，若用套管式换热器，孔径一般<φ400)；
④竖孔土壤埋管周围回填料应按一定比例粒径特殊制作的回填料，以强化与土壤接触边界层换热的能力，可以做到导热系数比土壤大一倍左右；
⑤考虑投资成本和占地面积、土壤取热的热泵供暖系统更适合于小型建筑面积，一般在1000㎡以下为宜。