曹舉勝

摘要：文章介紹了地源熱泵系統(tǒng)的工作原理及分類，對具體工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了分析，并結(jié)合政府、行業(yè)的相關(guān)政策，對地源熱泵系統(tǒng)作為節(jié)能環(huán)保的推廣應(yīng)用進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：地源熱泵系統(tǒng)；熱泵；可再生能源；節(jié)能

中圖分類號：TU832文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）11-0025-02

一、熱泵的定義及其工作原理

（一）熱泵的定義

熱泵術(shù)語是借鑒水泵一詞而來。水泵是消耗一定的機(jī)械能，將水從低處送到高處的設(shè)備；而熱泵則是消耗一定的機(jī)械能，將低溫位熱能“泵送”到高溫位來供應(yīng)熱量需求的設(shè)備。在我國《暖通空調(diào)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)（GB50155-92）》中，對“熱泵”的解釋是“能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”；在《新國際制冷詞典》中，對“熱泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)”?？梢?，熱泵在本質(zhì)上就是制冷機(jī)，只是運(yùn)行工況不同（在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，熱泵利用冷凝器放出來的熱量來制熱，實(shí)現(xiàn)為采暖、空調(diào)和生活熱水提供熱量）。

（二）熱泵的工作原理

熱泵的工作原理是：由電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使工質(zhì)循環(huán)運(yùn)動(dòng)反復(fù)發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中汽化吸

熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱（或制冷）功能。

二、地源熱泵系統(tǒng)及其特點(diǎn)

（一）地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地表淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源，實(shí)現(xiàn)對建筑物的供暖或供冷的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。

地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，蘊(yùn)藏著無限的可再生能源，地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），通過熱泵實(shí)現(xiàn)低溫位到高溫位的能量轉(zhuǎn)移。在冬季利用熱泵吸收其熱量向建筑供暖，在夏季熱泵將吸收到的熱量向其排放，實(shí)現(xiàn)對建筑物的供冷。其工作原理大都是通過外部管道及閥門的切換來實(shí)現(xiàn)冬夏工況的轉(zhuǎn)換，夏季空調(diào)供、回水走蒸發(fā)器，水源水走冷凝器，冬季空調(diào)供回水走冷凝器，水源水走蒸發(fā)器。

地表淺層地?zé)豳Y源的溫度計(jì)一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是熱泵很好的供熱熱源和供冷冷源，這種特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)運(yùn)行效率要高35%左右，通常地源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)COP（指其制熱量與所消耗的電能的比值）達(dá)到3.8～5.4，即消耗1kW的能量可以得到4kW以上的熱量或制冷量。

（二）地源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成

地源熱泵系統(tǒng)由地表淺層地?zé)豳Y源、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、建筑物內(nèi)系統(tǒng)（末端裝置）組成一完整的供熱空調(diào)系統(tǒng)。

（三）地源熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)

1．節(jié)能。地源熱泵系統(tǒng)利用地表淺層地能進(jìn)行供熱、制冷，與使用煤、氣、油等常規(guī)能源供熱制冷方式相比，地源熱泵系統(tǒng)供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、然油等鍋爐房系統(tǒng)，節(jié)約了煤、氣、油等這些常規(guī)的不可再生能源；供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的水耗。

2．環(huán)保。利用地源熱泵系統(tǒng)供熱、制冷無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染，不產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣和煙塵。

3．運(yùn)行效能高、費(fèi)用低。夏季高溫差的散熱和冬季低溫差的取熱，使得地源熱泵系統(tǒng)換熱效率很高。因此，產(chǎn)生同樣熱量或冷量，其只需小功率的壓縮機(jī)就可實(shí)現(xiàn)，大大減少了電能消耗。其耗能僅為普通中央空調(diào)和鍋爐系統(tǒng)的50%～60%。

4．便于建筑物景觀設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的空調(diào)供熱，要有一個(gè)鍋爐房，空調(diào)一般要在樓上放一個(gè)冷卻塔。地源熱泵系統(tǒng)免設(shè)鍋爐房，又避免了在樓頂設(shè)置冷卻塔。

三、地源熱泵系統(tǒng)的分類及應(yīng)用實(shí)例

地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)利用地?zé)嵩吹姆N類和方式不同可以分為以下三類：地下土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)、地表水源熱泵系統(tǒng)。

（一）地下土壤源熱泵系統(tǒng)（又稱地埋管地源熱泵系統(tǒng)）

地下土壤源熱泵系統(tǒng)是以大地作為熱源，熱泵的換熱器埋于地下，傳熱介質(zhì)通過地埋管換熱系統(tǒng)與巖土體進(jìn)行冷熱交換，這種系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是：占地面積大，鉆井費(fèi)用高。中央黨校校醫(yī)院8000m²，采用垂直埋管的土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，滿足冬季供暖、夏季供冷和生活熱水的需求。地埋管設(shè)在建筑周邊空曠的綠地下，共設(shè)160個(gè)深100m的循環(huán)孔，每個(gè)循環(huán)孔設(shè)置兩對U型管（共4根HDPE管，管徑為Ф32），孔間距為4米，共占地達(dá)2500m²。

（二）地下水源熱泵系統(tǒng)

利用地下水作為冷熱源的熱泵系統(tǒng)稱為地下水熱泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是：適用于地下水資源豐富的地區(qū)。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達(dá)到夏季給建筑物室內(nèi)制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機(jī)組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。

北京鴻基花園小區(qū)商場工程4000m²，采用地下水熱泵系統(tǒng)滿足冬季供暖、夏季供冷的需求。設(shè)6個(gè)井（2抽水井，3回灌井，1備用井），井深90m，井間距30m，抽水管為焊接鋼管，管徑150mm。

（三）地表水熱泵系統(tǒng)（含再生水熱泵系統(tǒng)）

利用地表水（含河流、湖泊等）作為冷熱源的熱泵系統(tǒng)稱為地表水熱泵系統(tǒng)。地表的水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，地表水熱泵系統(tǒng)具有相對造價(jià)低廉、泵耗能低、維修率低以及運(yùn)行費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。2008年北京奧運(yùn)會(huì)的奧運(yùn)村工程成功應(yīng)用了再生水熱泵系統(tǒng)。奧運(yùn)村工程由42棟公寓樓組成，建筑面積達(dá)到53萬㎡，利用清河污水處理廠的二級出水（再生水），通過“再生水熱泵系統(tǒng)”提取再生水中的能源，為奧運(yùn)村提供冬季供暖和夏季制冷。

四、地源熱泵技術(shù)的發(fā)展

我國從1998年開始在建筑工程中應(yīng)用地源熱泵，經(jīng)過近幾年的應(yīng)用示范，現(xiàn)已得到上至政府官員，下至普通居民的廣泛關(guān)注。沈陽市是目前水源熱泵技術(shù)推廣和使用最為充分的城市。2006年，沈陽做出規(guī)劃，在“十一五”末期，沈陽將在7000萬平方米的建筑面積中，實(shí)現(xiàn)地源熱泵供暖。到目前為止，已有近1000萬平方米的各類建筑利用地源熱泵系統(tǒng)供暖（冷）。其中地下水源熱泵技術(shù)使用最多，占到97%以上，而土壤源熱泵技術(shù)與地表水源熱泵技術(shù)僅在個(gè)別工程中應(yīng)用。目前，北京已約有500多萬平方米的建筑（占建筑市場1%～2%，且多數(shù)為高檔公共建筑和別墅類建筑）利用地源熱泵系統(tǒng)供暖（冷），前幾年地下水源熱泵技術(shù)使用較多，近兩年地埋管的土壤源熱泵占據(jù)了一定的市場。用業(yè)內(nèi)人士的話說“從1999年到2002年，是熱泵市場的示范期；從2003年到2005年，熱泵技術(shù)市場逐年遞增，進(jìn)入推廣期；2006年以后，全社會(huì)對熱泵技術(shù)的認(rèn)識已經(jīng)有了一次飛躍”。

五、地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用前景

（一）政府對包含地源熱泵等可再生能源的利用給予了前所未有的支持鼓勵(lì)

2006年，建設(shè)部、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)文對一些利用可再生能源的示范項(xiàng)目（含地源熱泵項(xiàng)目）給予資金補(bǔ)貼。北京市發(fā)改委等相關(guān)部門聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)關(guān)于發(fā)展熱泵系統(tǒng)的指導(dǎo)意見的通知》（京發(fā)改[2006]839號），支持鼓勵(lì)熱泵系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營： “市、區(qū)縣政府投資的學(xué)校、醫(yī)院等公益性項(xiàng)目，供熱制冷系統(tǒng)優(yōu)先選用熱泵系統(tǒng)，所需投資從市政府固定資產(chǎn)投資中安排解決”；“在本市轄區(qū)內(nèi)建設(shè)的各類項(xiàng)目，供制冷系統(tǒng)選用熱泵系統(tǒng)的，根據(jù)市規(guī)劃委核定的建筑面積從本市固定資產(chǎn)熱投資中安排一次性補(bǔ)助，補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)為：地下（表）水源熱泵35元/平方米，地源熱泵和再生水源熱泵50元/平方米”。

（二）由于節(jié)約常規(guī)能源，充分利用可再生能源的國內(nèi)外大趨勢及其突出的節(jié)能和保護(hù)大氣環(huán)境的功能，可預(yù)見中國地源熱泵技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展勢頭看好

對地下水資源豐富的地區(qū)，利用地下水作為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)的推廣前景是廣闊的。地下水源熱泵應(yīng)用的突出問題是地下水的回灌問題。地下水源熱泵應(yīng)用要實(shí)現(xiàn)100%的回灌，并回灌到同一含水層，不污染地下水，且能長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并不容易做到。目前，有的項(xiàng)目在采用地下水源熱泵時(shí)未回灌或未完全回灌，造成了對地下水源的廉價(jià)開采和低效使用，在利用了水中能源時(shí)，卻浪費(fèi)了更為寶貴的地下水資源。例如，北京市是地下水資源比較貧乏的地區(qū)，基于這個(gè)突出問題的存在，目前北京市地下水源熱泵的推廣應(yīng)用有所降溫，業(yè)內(nèi)有人士更傾向于地下埋管的土壤源地源熱泵系統(tǒng)。地下埋管的土壤源地源熱泵系統(tǒng)推廣應(yīng)用受到以下因素的制約：一是關(guān)于冷熱負(fù)荷平衡的問題，就是全年由地下埋管系統(tǒng)提供的冷量與熱量之間一定要基本平衡；二是初投資較高：初投資約為500元/m²，其中冷熱源部分（地下埋管部分）占其50%多；三是占地面積大：對于像北京市這樣寸土寸金的城區(qū)，推廣會(huì)受到一定的限制。位于北京市東城區(qū)東直門香河園路的當(dāng)代MOMA工程，總建筑面積22萬m²，采用了地源熱泵系統(tǒng)。該工程由于工程場地有限，打破了地埋管安裝在建筑周圍空曠的地下的常規(guī)做法，共656根地?zé)峁?，均埋于建筑結(jié)構(gòu)之下，節(jié)約了2萬多平方米的占地面積，是目前國內(nèi)首創(chuàng)、世界最大的單體建筑下?lián)Q熱器最多的地源熱泵項(xiàng)目，為場地不足的情況下實(shí)施地源熱泵提供了先例，但在一定程度上增加了施工難度和初投資費(fèi)用。綜合這些因素，目前地下埋管的土壤源地源熱泵較適用于高檔公共建筑和別墅類建筑（冷暖兩用或供暖、供冷、生活熱水三用）。

當(dāng)前，《地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005已出臺。對地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用起到了支持和規(guī)范作用。