葉曉璇，敬成君

(四川大學(xué)，四川成都610065)

在節(jié)能減排以及煤、石油、天然氣等資源日趨緊張的多重壓力下，世界各國(guó)開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源的力度不斷加大。我國(guó)目前面臨著能源短缺與能源消耗快速增長(zhǎng)的尖銳矛盾，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保成了人們普遍關(guān)心的問(wèn)題。地?zé)嶙鳛橐环N清潔的可再生能源，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。加上近年碳匯等因素，使得地?zé)崾袌?chǎng)變得更加活躍。從技術(shù)的成熟性、可行性以及國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況來(lái)看，地源熱泵必會(huì)成為今后解決建筑物能耗問(wèn)題的重要途徑之一。

1 地源熱泵系統(tǒng)的概述

1.1 地源熱泵系統(tǒng)原理及其分類

地源熱泵通過(guò)輸入少量高品位能源，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移，是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)(參見(jiàn)圖1)?？煞謩e在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源。

地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)(即土壤源熱泵系統(tǒng))、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分: 室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)。夏季回水所含熱量一部分用以加熱生活用水，一部分通過(guò)地下?lián)Q熱器儲(chǔ)入地下；冬季利用系統(tǒng)回水所帶熱量加熱生活用水，系統(tǒng)同時(shí)提供空調(diào)的冷、熱源和生活熱水源，可為用戶創(chuàng)造舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境。

圖1 地源熱泵工作原理

1.2 地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)70%的能量來(lái)源于土壤，30%的能量來(lái)自電力，用于將熱量轉(zhuǎn)移。與鍋爐供熱系統(tǒng)相比，它要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一的能量，且不向建筑外大氣環(huán)境排放廢冷或廢熱，有利于環(huán)保；與空氣熱源相比，土壤溫度的波動(dòng)小，數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，在室外空氣溫度處于極端狀態(tài)時(shí)，由于土壤對(duì)地面空氣溫度波動(dòng)有衰減和延遲，地源熱泵可以更好地滿足用戶需求。

地源熱泵可供暖和制冷，還可供生活熱水，一機(jī)多用，節(jié)省了空間，并產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益；安全無(wú)污染，不需要鍋爐房和燃料的儲(chǔ)存，減小了安全隱患；地源熱泵系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、自動(dòng)運(yùn)行、智能控制；運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低，增加的初投資在5～10年內(nèi)即可收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。

2 地源熱泵系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

2.1 在國(guó)外的發(fā)展

自1912 年瑞士Zoelly 提出“地源熱泵”的概念以來(lái)，因其具有利用可再生能源、高效節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在北美和歐洲得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。國(guó)外在20 世紀(jì)50 年代已開(kāi)始應(yīng)用地源熱泵技術(shù)， 到20世紀(jì)90 年代技術(shù)趨于成熟。美國(guó)在住宅和小型商業(yè)建筑偏重應(yīng)用于水源熱泵技術(shù)，在大型建筑方面，美國(guó)推行WLHP 系統(tǒng)(即水環(huán)熱泵系統(tǒng))。與美國(guó)的熱泵發(fā)展有所不同，中歐、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國(guó)等國(guó)家在20 世紀(jì)60年代主要采用水-水型地源熱泵技術(shù)，利用淺層地?zé)豳Y源，地下土壤埋盤管的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水；加拿大聯(lián)邦政府在經(jīng)濟(jì)和政策上的激勵(lì)，使加拿大地源熱泵市場(chǎng)急劇增長(zhǎng)；亞洲地區(qū)的國(guó)家，如日本，20 世紀(jì)80年代以后建成了不少利用地表水、城市生活廢水及工業(yè)廢水的水源熱泵集中供熱供冷系統(tǒng)。

2.2 在國(guó)內(nèi)的發(fā)展

在中國(guó)，地源熱泵的研究起步較晚，在20世紀(jì)90 年代末地源熱泵逐漸成了熱門課題，開(kāi)始應(yīng)用于工程實(shí)踐。1997 年，中國(guó)科技部與美國(guó)能源部簽署了《中美能源效率及可再生能源合作議定書》，對(duì)我國(guó)地源熱泵技術(shù)的發(fā)展起到了引導(dǎo)作用。2005 年以后，可再生能源法及節(jié)能管理?xiàng)l例等法律法規(guī)的頒布和修訂，及其他相關(guān)政策的支持，促進(jìn)了地源熱泵技術(shù)在國(guó)內(nèi)多個(gè)省市的應(yīng)用。設(shè)備廠商不斷增多，規(guī)模不斷擴(kuò)大，新專利新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。2009 年，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》修訂版正式發(fā)布實(shí)施。相比之前的規(guī)范，修訂版更加完善合理，補(bǔ)充了缺失部分，將地源熱泵的地下工況考慮到實(shí)施細(xì)則中來(lái)，為科學(xué)管理該系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的保證，成為正確指導(dǎo)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的行為準(zhǔn)則。

3 地源熱泵應(yīng)用分析及解決方案

3.1 地源熱泵在四川省內(nèi)的應(yīng)用情況

按照建筑氣候區(qū)劃，四川省可分為三個(gè)氣候區(qū)：寒冷、夏熱冬暖和夏熱冬冷。寒冷地區(qū)冬季使用地源熱泵系統(tǒng)取暖，可緩解高原地區(qū)用電緊張的局面；夏熱冬冷地區(qū)為盆地區(qū)，冬季可取暖，夏季可制冷，最適宜采用本項(xiàng)技術(shù)；夏熱冬暖地區(qū)能否采用，可視具體情況而定。另外，四川省地表水和地下水資源較為豐富，巖土體施工條件適中，適宜以多種方式開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源。

經(jīng)初步了解，2003年起，在住建部及省市兩級(jí)政府的大力支持和推動(dòng)下，土壤源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在成都市龍錦慧苑首次運(yùn)用。繼龍錦慧苑后，成都地區(qū)較有代表的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目主要有都江堰高山流水、成都來(lái)福士廣場(chǎng)、成都東客站、摩瑪城、朗詩(shī)綠色街區(qū)、華僑城藝術(shù)中心等一批商用及公用建筑群體，也都獲得了成功，成績(jī)斐然。在四川省其他地區(qū)，如九寨溝百樂(lè)來(lái)酒店、馬爾康晶金隆會(huì)議購(gòu)物中心、阿壩武警、邛崍人民醫(yī)院、德陽(yáng)地稅局、德陽(yáng)水利局、德陽(yáng)陽(yáng)光摩爾等均采用了地源熱泵系統(tǒng)，得到政府、開(kāi)發(fā)商及用戶的一致好評(píng)。

3.2 地源熱泵在應(yīng)用上存在的問(wèn)題

地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用和相關(guān)科學(xué)研究都很活躍，但目前由于缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)培訓(xùn)，技術(shù)實(shí)施人員的水平參差不齊，造成一些地源熱泵項(xiàng)目并不節(jié)能，引起了人們對(duì)此技術(shù)的擔(dān)憂；市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制尚不健全，存在一些小規(guī)模地源熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，在推廣地源熱泵技術(shù)時(shí)，缺乏整體規(guī)劃，沒(méi)有充分考慮對(duì)地下熱平衡問(wèn)題，造成工程供熱制冷效果不理想；在已建的地源熱泵項(xiàng)目中，缺乏監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)法得到相關(guān)參數(shù)，輸送管道上的銹蝕、換熱器管路的泄露等對(duì)回灌水質(zhì)產(chǎn)生的潛在影響，是否對(duì)地下水環(huán)境造成污染不可知。

此外，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商更注重降低成本，而不注重新技術(shù)和建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，部分地源熱泵企業(yè)在市場(chǎng)拓展方面遇到困難。總之，地源熱泵行業(yè)從宏觀規(guī)劃到具體工程應(yīng)用所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要相關(guān)部門、行業(yè)人員認(rèn)真分析解決，杜絕盲目跟從，造成不必要的能源浪費(fèi)。

3.3 地源熱泵的方案制定

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性取決于多種因素，不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同能源結(jié)構(gòu)等都將直接影響到其基本性能。并非所有工程均適合地源熱泵系統(tǒng)，在投入建設(shè)使用前期，應(yīng)當(dāng)做詳細(xì)的規(guī)劃和方案制定，以盡可能確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有效地節(jié)省能源。

(1)適宜的地質(zhì)條件和負(fù)荷分析是決定地源熱泵方案的前提。首先，必須了解當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件,對(duì)其地下土壤環(huán)境、地下水環(huán)境等情況作詳細(xì)的調(diào)研。然后根據(jù)工程情況，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷總量和負(fù)荷特性進(jìn)行分析。

(2)針對(duì)工程具體情況進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，依據(jù)負(fù)荷總量和特性、負(fù)荷持續(xù)系數(shù)、負(fù)荷強(qiáng)度等選擇主機(jī)組；設(shè)計(jì)地下環(huán)路，包括管路布置、流量確定、埋管選材和埋管深度。同時(shí)，應(yīng)考慮工程項(xiàng)目應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，可將系統(tǒng)初期投入和地下?lián)Q熱器效率作為地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合參數(shù)，利用該參數(shù)作為基準(zhǔn)參數(shù)，與系統(tǒng)生命周期結(jié)束后系統(tǒng)的折舊率和使用期內(nèi)的地下?lián)Q熱器換熱效率折算成另一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合參數(shù)。

(3)在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)安裝地源熱泵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在系統(tǒng)調(diào)試的同時(shí)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功后運(yùn)行。通過(guò)采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以更好地評(píng)估地源熱泵在運(yùn)行期間產(chǎn)生的一些潛在影響，并同步監(jiān)測(cè)地質(zhì)環(huán)境、水資源、水環(huán)境、能量等重要參數(shù)。

(4)綜合利用新能源和優(yōu)化復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)將是推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的新方向?？赏ㄟ^(guò)結(jié)合光伏轉(zhuǎn)換、蓄冰技術(shù)、冷卻塔、城市其他能源聯(lián)供等方式，增加系統(tǒng)的適用性和靈活性。部分應(yīng)用工程的冷熱源除了采用地表水、地下水和土壤源外，還可用城市污水、地?zé)嵛菜㈦姀S余熱水、采油余熱水、煤礦坑道水等作為冷熱源。

4 結(jié)論

因地制宜地采用不同形式的地源熱泵技術(shù)，即可有效利用低溫地?zé)豳Y源，克服傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)的局限和不足。適宜的規(guī)劃、精心的設(shè)計(jì)、高品質(zhì)的產(chǎn)品和專業(yè)的施工，以及后期科學(xué)、合理的運(yùn)行使用和監(jiān)控，都關(guān)系到地源熱泵系統(tǒng)能否發(fā)揮其最大效益。因此，在工程建設(shè)中，應(yīng)制定符合工程實(shí)際的管理辦法和規(guī)程制度，做到權(quán)責(zé)對(duì)等，通過(guò)技術(shù)和管理的完美結(jié)合，使工程發(fā)揮最大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，在節(jié)約能源、防止環(huán)境污染和城市現(xiàn)代化方面具有著較大意義。

[1] GB 50366- 2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S]

[2] 左然，施明恒，王希麟.可再生能源概論[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007

[3] 李元旦,張旭.土壤源熱泵的國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2002,23(1):4-7

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