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我国新疆的南部地区是个典型的干旱地带，夏季日照长、降雨量低、气温在20 ℃～38 ℃,气候炎热，人们难以承受，学生则在教室里，人多气温高，易打瞌睡，影响教学质量.富裕的家庭安装空调器来乘凉，但学校没有财力购买空调器，其运行费用也较高.
在冬天，12月份到次年2月份，气温在-10 ℃～-22 ℃，天气比较冷，广大农村学校、乡级卫生院、村委会、村级保健站、农牧民家庭等都需要购买柴火、煤炭，给炉驾火烧煤烧柴来取暖；在课堂里值日生要提前来驾火，上课期间需加煤，一时烟雾腾腾，有时过热、有时欠热，学生在这样恶劣环境下念书，易患感冒、呼吸道感染等疾病，严重的影响身体健康和教学质量，还向大气排放一定的二氧化碳，污染环境.
在我国大力推广节能减排技术,提倡低碳生活的局势下,能解决广大农村学校夏季乘凉、冬季取暖的问题，不愧为绝策妙计.
地热热泵取暖技术应用现状：在国内大部分城市局部居民楼房已开始采取地热供暖技术，采取打深井，取地下深处的热水，循环给楼房供热的方法.已经实现了整个一栋楼或小区为单位，挖除100多米深井，把地下80 ℃的热水用水泵加压循环给楼房供暖，供暖成本降低到7元/㎡，目前的最低水准.
因为农村农家居住分散、学校规模也不大，一般300 m2～800 m2左右，所以深井地下热水供暖系统配备成本太高而不能在农村如法炮制，要在农村及学校利用地下热量，应该在2 m～5 m深处的恒温用起来才能降低配套成本及运行费用，地热热泵取暖技术非常适合辽阔的农村,配套成本5000元以下，供暖成本每年（120天）在10元/m2 ～12元/m2左右，还能夏天制冷，为此不增加费用，能满足广大农牧民的生活需求.
1 地热热泵空气温度调节方案在学校应用的可行性
一般新疆南部塔里木盆地边岸干旱地区地下2 m深处的温度在一年四季均为14 ℃-16 ℃，在夏季，地面气温在28 ℃以上时，就有-12 ℃的温差，可以利用此温差给室内降温 4 ℃，使室内温度降到24 ℃，就能达到乘凉的目的.到了冬季气温在-10 ℃以下时，就有22 ℃以上的温差，利用热泵技术可以给室内供热，室温可以保持在17 ℃左右；夜间向储能罐里的热水集热存储，白天热水循环供热；到了元月初，如出现气温下降到-26 ℃以下的极端天气的时候，可以采取电热来补偿，但元月7～8日学生就放寒假；所以地源热泵技术完全能满足学校教室、片区卫生院、村委会等农村办公场所的空气温度的自动控制.
2 地热热泵空气温度调节系统（以下简称：地热空调系统）的组成
本系统由热泵系统，室温调节系统，太阳能热水系统、电子智能控制系统等子系统组成的.
2.1 热泵子系统
热泵子系统是本系统的核心部分，由埋在地下2 m深的蒸发器、散热器、储能罐和地上的毛细管、过滤器、四通阀、压缩机等组件用管子连接而成的.其中：
蒸发器：具有能量转换作用，制热时吸收地下土壤的热量，使管子里面的R22升温蒸发；制冷时管子里面的R22向土壤散热.制作时，首先在地上挖出长宽深14×1.0×2.0米，相隔1.5 m的2条地沟，然后把长度约70多米，直径φ20 mm的圆铝管敷设到地沟里，铝管弯曲成波浪式形状，相邻波峰距离要大于1.2 m，两端头伸出地面连接到机组，最后填土，压实，地沟复原.
储能罐：具有能量存储的作用，制热时存储来自散热器的热量，制冷时通过散热器带走热量，存储凉水.容量大于12 m3的容器，里面还装了散热器、电热管、温度传感器；其外壁要添加150 mm厚的保温层，内壁要防腐蚀处理.也可以因地制宜，选择恰当的廉价密闭容器，如若干个油桶串联或容量较小的2～3个塑质水罐串联使用，但一定要处理好保温层.
散热器：安装在地下储能管里面，具有能量转换作用，制热时管子里的R22向罐里的水放热；制冷时，吸收水中的热量送到蒸发器；将φ20 mm的圆铝管弯折绕制成型的，管子里面装有R22，整个散热器浸于水中，连接件要严格的密封.
2.2 室温调节子系统
由室内散热器，耐热PVC管子，电磁阀、水泵组成的.跟一般住房用的热水取暖系统一样，根据需要也可以设计成立柜式暖风机、地暖、墙壁热风机等.制热时在水泵的作用下，把储能罐里的热水循环；制冷时，凉水循环.
2.3 太阳能热水器子系统
由太阳能真空热水器，耐热PVC管子，电磁阀等部分组成的.主要用于春、夏、秋季提供开水，冬季做补充加热.
2.4 电子智能控制子系统
由温度传感器、压力传感器、单片机、时间控制、电磁阀、显示屏等部分组成.通过测量室外、室内温度，储能罐里水的温度、压力，按照时间段对整个系统进行智能自动控制；地热、太阳能、电热，制冷、制热等换能方式中选择最佳方式来实现室内空气温度的调节，是整个系统协调工作，能耗降到最低，提高效率，尽量降低费用.
3 地热热泵空气温度调节系统的原理示意图如下
4 地热热泵空气温度调节系统的原理
热泵技术是利用液体蒸发时要吸收热量、气体放热时变成液态的原理，以低温蒸发的二氟一氯甲烷（CHCLF2）（简称R22）作为换能媒介（沸点为-40.82 ℃的气体），从温度低的环境中吸收热量，输送到温度较高的环境中散热的一种技术.
制热工作模式下：当液态R22流过埋在地下2 m深的蒸发器的时，吸收周围土壤的热量而蒸发变成气态，被压缩机吸引并压缩后变成高压高温气体，流到储能罐里的散热器，并向散热器管子周围的水放热，气态R22的温度下降，再流过毛细管的时压力下降，变成低温低压液态R22，周而复始不断的循环完成热交换；热量被储能管里的水吸收后温度逐渐升高并达到50 ℃ 左右；然后用小型水泵把储能罐里的热水向室内循环供热.
热泵子系统中，从低温环境14 ℃～16 ℃（地热）吸热，送到高温环境50 ℃（储能管里的水）放热，实现热泵作用.
制冷工作模式下：液态R22流过浸于储能罐里水中的散热器时，吸收周围水的热量而蒸发变成气态，被压缩机吸引并压缩后变成高压高温气体，流到埋在地下的蒸发器，并向周围的土壤放热，使气态R22的温度下降，再流过毛细管的时压力降低，变成低温低压液态R22，周而复始不断的循环完成热交换；储能管里的水的热量被R22吸收后温度逐渐下降到2 ℃ 左右；然后用小型水泵把储能罐里的凉水向室内循环制冷. 制热制冷工作模式由控制系统智能控制的，经过电磁四通阀控制R22的流动方向实现.现有空调器中，在冬季需取暖的时，室外机从温度在-10 ℃左右的空气中吸收热量，使空调里的R22制冷剂蒸发，在压缩机的循环下送往室内，向温度为10 ℃左右的空气放热供暖，比直接电热丝加热取暖，能节约60%的电能，但是只能适用于气温在-10 ℃以上的天气情况，气温在-15 ℃以下时几乎没能吹热风（除电热外）.
跟空调器比较，主要区别为：制热时，空调器从-10 ℃～15 ℃环境中吸热，热泵子系统从14 ℃～16 ℃的环境中吸热，R22的蒸发速度较快.制冷时，空调器向26 ℃～36 ℃环境散热，热泵子系统向14 ℃～16 ℃的环境散热，R22的散热速度较快.这就是地源热泵系统能达到高效率，节能、低费用运行的依据.
5 地热空调系统具有以下优点
(1)免去农村学校、卫生院、保健所、农牧民住房免去备料、驾火、取灰的麻烦；避免因驾火炉子而过热、冒烟、欠热等不利于人身健康的因素.能创造清洁卫生、便利、舒适的生活、学习工作条件.
(2)一定的程度减少农牧民用柴火取暖时的树木砍柴量，从而提高绿化.
(3)减少农村住房烧煤烧柴取暖时向大气排放的二氧化碳.
(4)不仅在冬季取暖，还可以在夏季制冷取凉.为此不增加任何设备,只能改变制冷剂流向即可.
(5)地热、太阳能综合利用，效率高、运行费用低.100 m2住所，冬季120天运行费用约1100元～1400元.相当于2吨煤的费用.
6.能方便的跟沼气热水和将来的天然气热水取暖连接互通，仍能发挥节能减排作用.7.节约费用：当供暖面积100 m2～120 m2 ，一度电价为0.80元，压缩机机组的功率1.2 kW·h,热水循环水泵的功率为0.25 W，辅助电加热管功率为1.2 kW·h的条件下，试算费用如下：
冬季：11月份，2月份南疆地区气温在0度以上：
制热：60天×2小时×1.2 kW×0.8元=115.2元.
循环： 60天×6小时×0.25 kW×0.8元=72元.
12月，1月份温度在0度以下，-10度左右.
制热：60天×10小时×1.2 kW×0.8元=576元.
循环：60天×16小时×0.25 kW×0.8元=192元.
气温低于-25 ℃时，需电热管加热补偿
20天×6小时×1.2 kW×0.8元=115.2元.
合计：1070元.
6 实施重点
(1)确定毛细管长度和直径；毛细管的长度和直径是决定一个热泵系统的效率和能耗的关键器件，通过多次现场测试验证来精确确定毛细管的长度和直径.因为制热制冷两用，故不能选用节流阀.
(2)智能控制板：通过采集日光、气温、室温、储能管水温，根据取暖高峰时段智能控制热泵取暖系统的运行，尽量减小大功率设备的运行时间，提高效率、降低费用.设计制造单片机智能控制板，对整个系统实施精密控制.
(3)最主要解决的问题是如何降低初装配套成本.这是地源热泵系统未能普及的根本原因，如配备成本超过5000元，3年之内不能换回费用，那村级学校、农民不能接受，就没有市场，所以：①如何降低容量为20 m3左右的储能罐及其保温层的造价.可以选用若干个油桶串联起来替代大型油罐，尽量降低成本.②如何降低蒸发器，散热器管子费用.选用铜管最好，因为铜的传热性能最好，但成本太高.本系统需要110 m～140 m长的铝管子，其费用达1500元左右.为降低成本，可以试用PVC管子、铁管子分别作对比试验，选择最优方案.
结论：针对成本的问题，可以选择以下三种方案进行全面、深入、仔细的研究，总结出效率、成本、运行费用等方面最优方案，为下一步大面积推广提供依据.
(1)载体直接循环模式：R22载体从地下到室内循环进行能量交换.改变载体流动方向，就转换制热/制冷工作方式，不要安装储能管.
(2)存储型间接循环模式（本系统）：通过R22载体循环收集热量后传给罐里的水.使水温升高，然后把热水循环到室内供暖.
(3)直接换能模式：不要使用R22载体，综合利用太阳能、地下热能、厨房热能（能量收集智能化控制），尽量减小能量损失，直接使用水为载体，整个系统中只有水循环.
采取以上技术手段，研究出一种控制智能化的、高效率的、低成本，低费用的，零排放的，切实可行的地热利用系统，切实改善学生教学环境.
在冬天，12月份到次年2月份，气温在-10 ℃～-22 ℃，天气比较冷，广大农村学校、乡级卫生院、村委会、村级保健站、农牧民家庭等都需要购买柴火、煤炭，给炉驾火烧煤烧柴来取暖；在课堂里值日生要提前来驾火，上课期间需加煤，一时烟雾腾腾，有时过热、有时欠热，学生在这样恶劣环境下念书，易患感冒、呼吸道感染等疾病，严重的影响身体健康和教学质量，还向大气排放一定的二氧化碳，污染环境.
在我国大力推广节能减排技术,提倡低碳生活的局势下,能解决广大农村学校夏季乘凉、冬季取暖的问题，不愧为绝策妙计.
地热热泵取暖技术应用现状：在国内大部分城市局部居民楼房已开始采取地热供暖技术，采取打深井，取地下深处的热水，循环给楼房供热的方法.已经实现了整个一栋楼或小区为单位，挖除100多米深井，把地下80 ℃的热水用水泵加压循环给楼房供暖，供暖成本降低到7元/㎡，目前的最低水准.
因为农村农家居住分散、学校规模也不大，一般300 m2～800 m2左右，所以深井地下热水供暖系统配备成本太高而不能在农村如法炮制，要在农村及学校利用地下热量，应该在2 m～5 m深处的恒温用起来才能降低配套成本及运行费用，地热热泵取暖技术非常适合辽阔的农村,配套成本5000元以下，供暖成本每年（120天）在10元/m2 ～12元/m2左右，还能夏天制冷，为此不增加费用，能满足广大农牧民的生活需求.
1 地热热泵空气温度调节方案在学校应用的可行性
一般新疆南部塔里木盆地边岸干旱地区地下2 m深处的温度在一年四季均为14 ℃-16 ℃，在夏季，地面气温在28 ℃以上时，就有-12 ℃的温差，可以利用此温差给室内降温 4 ℃，使室内温度降到24 ℃，就能达到乘凉的目的.到了冬季气温在-10 ℃以下时，就有22 ℃以上的温差，利用热泵技术可以给室内供热，室温可以保持在17 ℃左右；夜间向储能罐里的热水集热存储，白天热水循环供热；到了元月初，如出现气温下降到-26 ℃以下的极端天气的时候，可以采取电热来补偿，但元月7～8日学生就放寒假；所以地源热泵技术完全能满足学校教室、片区卫生院、村委会等农村办公场所的空气温度的自动控制.
2 地热热泵空气温度调节系统（以下简称：地热空调系统）的组成
本系统由热泵系统，室温调节系统，太阳能热水系统、电子智能控制系统等子系统组成的.
2.1 热泵子系统
热泵子系统是本系统的核心部分，由埋在地下2 m深的蒸发器、散热器、储能罐和地上的毛细管、过滤器、四通阀、压缩机等组件用管子连接而成的.其中：
蒸发器：具有能量转换作用，制热时吸收地下土壤的热量，使管子里面的R22升温蒸发；制冷时管子里面的R22向土壤散热.制作时，首先在地上挖出长宽深14×1.0×2.0米，相隔1.5 m的2条地沟，然后把长度约70多米，直径φ20 mm的圆铝管敷设到地沟里，铝管弯曲成波浪式形状，相邻波峰距离要大于1.2 m，两端头伸出地面连接到机组，最后填土，压实，地沟复原.
储能罐：具有能量存储的作用，制热时存储来自散热器的热量，制冷时通过散热器带走热量，存储凉水.容量大于12 m3的容器，里面还装了散热器、电热管、温度传感器；其外壁要添加150 mm厚的保温层，内壁要防腐蚀处理.也可以因地制宜，选择恰当的廉价密闭容器，如若干个油桶串联或容量较小的2～3个塑质水罐串联使用，但一定要处理好保温层.
散热器：安装在地下储能管里面，具有能量转换作用，制热时管子里的R22向罐里的水放热；制冷时，吸收水中的热量送到蒸发器；将φ20 mm的圆铝管弯折绕制成型的，管子里面装有R22，整个散热器浸于水中，连接件要严格的密封.
2.2 室温调节子系统
由室内散热器，耐热PVC管子，电磁阀、水泵组成的.跟一般住房用的热水取暖系统一样，根据需要也可以设计成立柜式暖风机、地暖、墙壁热风机等.制热时在水泵的作用下，把储能罐里的热水循环；制冷时，凉水循环.
2.3 太阳能热水器子系统
由太阳能真空热水器，耐热PVC管子，电磁阀等部分组成的.主要用于春、夏、秋季提供开水，冬季做补充加热.
2.4 电子智能控制子系统
由温度传感器、压力传感器、单片机、时间控制、电磁阀、显示屏等部分组成.通过测量室外、室内温度，储能罐里水的温度、压力，按照时间段对整个系统进行智能自动控制；地热、太阳能、电热，制冷、制热等换能方式中选择最佳方式来实现室内空气温度的调节，是整个系统协调工作，能耗降到最低，提高效率，尽量降低费用.
3 地热热泵空气温度调节系统的原理示意图如下
4 地热热泵空气温度调节系统的原理
热泵技术是利用液体蒸发时要吸收热量、气体放热时变成液态的原理，以低温蒸发的二氟一氯甲烷（CHCLF2）（简称R22）作为换能媒介（沸点为-40.82 ℃的气体），从温度低的环境中吸收热量，输送到温度较高的环境中散热的一种技术.
制热工作模式下：当液态R22流过埋在地下2 m深的蒸发器的时，吸收周围土壤的热量而蒸发变成气态，被压缩机吸引并压缩后变成高压高温气体，流到储能罐里的散热器，并向散热器管子周围的水放热，气态R22的温度下降，再流过毛细管的时压力下降，变成低温低压液态R22，周而复始不断的循环完成热交换；热量被储能管里的水吸收后温度逐渐升高并达到50 ℃ 左右；然后用小型水泵把储能罐里的热水向室内循环供热.
热泵子系统中，从低温环境14 ℃～16 ℃（地热）吸热，送到高温环境50 ℃（储能管里的水）放热，实现热泵作用.
制冷工作模式下：液态R22流过浸于储能罐里水中的散热器时，吸收周围水的热量而蒸发变成气态，被压缩机吸引并压缩后变成高压高温气体，流到埋在地下的蒸发器，并向周围的土壤放热，使气态R22的温度下降，再流过毛细管的时压力降低，变成低温低压液态R22，周而复始不断的循环完成热交换；储能管里的水的热量被R22吸收后温度逐渐下降到2 ℃ 左右；然后用小型水泵把储能罐里的凉水向室内循环制冷. 制热制冷工作模式由控制系统智能控制的，经过电磁四通阀控制R22的流动方向实现.现有空调器中，在冬季需取暖的时，室外机从温度在-10 ℃左右的空气中吸收热量，使空调里的R22制冷剂蒸发，在压缩机的循环下送往室内，向温度为10 ℃左右的空气放热供暖，比直接电热丝加热取暖，能节约60%的电能，但是只能适用于气温在-10 ℃以上的天气情况，气温在-15 ℃以下时几乎没能吹热风（除电热外）.
跟空调器比较，主要区别为：制热时，空调器从-10 ℃～15 ℃环境中吸热，热泵子系统从14 ℃～16 ℃的环境中吸热，R22的蒸发速度较快.制冷时，空调器向26 ℃～36 ℃环境散热，热泵子系统向14 ℃～16 ℃的环境散热，R22的散热速度较快.这就是地源热泵系统能达到高效率，节能、低费用运行的依据.
5 地热空调系统具有以下优点
(1)免去农村学校、卫生院、保健所、农牧民住房免去备料、驾火、取灰的麻烦；避免因驾火炉子而过热、冒烟、欠热等不利于人身健康的因素.能创造清洁卫生、便利、舒适的生活、学习工作条件.
(2)一定的程度减少农牧民用柴火取暖时的树木砍柴量，从而提高绿化.
(3)减少农村住房烧煤烧柴取暖时向大气排放的二氧化碳.
(4)不仅在冬季取暖，还可以在夏季制冷取凉.为此不增加任何设备,只能改变制冷剂流向即可.
(5)地热、太阳能综合利用，效率高、运行费用低.100 m2住所，冬季120天运行费用约1100元～1400元.相当于2吨煤的费用.
6.能方便的跟沼气热水和将来的天然气热水取暖连接互通，仍能发挥节能减排作用.7.节约费用：当供暖面积100 m2～120 m2 ，一度电价为0.80元，压缩机机组的功率1.2 kW·h,热水循环水泵的功率为0.25 W，辅助电加热管功率为1.2 kW·h的条件下，试算费用如下：
冬季：11月份，2月份南疆地区气温在0度以上：
制热：60天×2小时×1.2 kW×0.8元=115.2元.
循环： 60天×6小时×0.25 kW×0.8元=72元.
12月，1月份温度在0度以下，-10度左右.
制热：60天×10小时×1.2 kW×0.8元=576元.
循环：60天×16小时×0.25 kW×0.8元=192元.
气温低于-25 ℃时，需电热管加热补偿
20天×6小时×1.2 kW×0.8元=115.2元.
合计：1070元.
6 实施重点
(1)确定毛细管长度和直径；毛细管的长度和直径是决定一个热泵系统的效率和能耗的关键器件，通过多次现场测试验证来精确确定毛细管的长度和直径.因为制热制冷两用，故不能选用节流阀.
(2)智能控制板：通过采集日光、气温、室温、储能管水温，根据取暖高峰时段智能控制热泵取暖系统的运行，尽量减小大功率设备的运行时间，提高效率、降低费用.设计制造单片机智能控制板，对整个系统实施精密控制.
(3)最主要解决的问题是如何降低初装配套成本.这是地源热泵系统未能普及的根本原因，如配备成本超过5000元，3年之内不能换回费用，那村级学校、农民不能接受，就没有市场，所以：①如何降低容量为20 m3左右的储能罐及其保温层的造价.可以选用若干个油桶串联起来替代大型油罐，尽量降低成本.②如何降低蒸发器，散热器管子费用.选用铜管最好，因为铜的传热性能最好，但成本太高.本系统需要110 m～140 m长的铝管子，其费用达1500元左右.为降低成本，可以试用PVC管子、铁管子分别作对比试验，选择最优方案.
结论：针对成本的问题，可以选择以下三种方案进行全面、深入、仔细的研究，总结出效率、成本、运行费用等方面最优方案，为下一步大面积推广提供依据.
(1)载体直接循环模式：R22载体从地下到室内循环进行能量交换.改变载体流动方向，就转换制热/制冷工作方式，不要安装储能管.
(2)存储型间接循环模式（本系统）：通过R22载体循环收集热量后传给罐里的水.使水温升高，然后把热水循环到室内供暖.
(3)直接换能模式：不要使用R22载体，综合利用太阳能、地下热能、厨房热能（能量收集智能化控制），尽量减小能量损失，直接使用水为载体，整个系统中只有水循环.
采取以上技术手段，研究出一种控制智能化的、高效率的、低成本，低费用的，零排放的，切实可行的地热利用系统，切实改善学生教学环境.