徐海光

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)院湖北武漢　430223）

地源熱泵應(yīng)用

徐海光

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)院湖北武漢430223）

地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（亦稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能現(xiàn)低位熱能向高位的轉(zhuǎn)移。地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用情況調(diào)查研究分析報(bào)告》顯示，地源熱泵已地源熱泵已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，不同所有制形式企業(yè)都參與到其開(kāi)發(fā)、應(yīng)用之中，地源熱泵在我國(guó)長(zhǎng)江黃河流域等廣大對(duì)冷熱都有需求的地區(qū)，具有較高適用性，在我國(guó)有很好的應(yīng)用前景。

地源熱泵；原理；節(jié)能環(huán)保

1　前言

現(xiàn)國(guó)家大力提倡和鼓勵(lì)再生、可持續(xù)能源的開(kāi)發(fā)和利用，地源熱泵作為可再生、可持續(xù)、新型環(huán)保的地源能的利用，國(guó)家也相繼出臺(tái)了一系列的法規(guī)和政策。比如《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》的第四條：《建設(shè)部建筑節(jié)能“十五”計(jì)劃綱要》等等。都對(duì)地下能源在建筑中的利用推進(jìn)做出了明確規(guī)定。

“地源熱泵”的概念，最早在1912年由瑞士的專家提出，而這項(xiàng)技術(shù)的提出始于英、美兩國(guó)。英國(guó)主要偏重于冬季采暖，而美國(guó)則注重冬夏聯(lián)供。由于美國(guó)的氣候條件與中國(guó)很相似，因此研究美國(guó)的地源熱泵應(yīng)用情況，對(duì)我國(guó)地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。

地源熱泵的發(fā)展：

美國(guó)（The United States）1946年，美國(guó)第一臺(tái)地源熱泵系統(tǒng)在俄勒岡州的波蘭特市中心區(qū)安裝成功。

1973年，美國(guó)阿克拉荷馬大廈安裝了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并且進(jìn)行全面的系統(tǒng)研究。

1978年，美國(guó)能源部（DOE）開(kāi)始對(duì)地源熱泵投入了大量的科技研發(fā)基金。

1979年，美國(guó)阿克拉荷馬州能源部成立了地源熱泵系統(tǒng)科技研發(fā)基金會(huì)。

1987年，國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)（IGSHPA）在阿克拉荷馬州大學(xué)成立。

1988年，美國(guó)俄克拉荷馬商務(wù)部開(kāi)始對(duì)地源熱泵進(jìn)行商務(wù)推廣。

1993年，美國(guó)環(huán)保署（EPA）大力宣傳地源熱泵系統(tǒng)，加深美國(guó)民眾對(duì)地源熱泵的認(rèn)識(shí)。

1994年，美國(guó)政府第一套地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在俄勒岡州國(guó)會(huì)大學(xué)安裝，地源熱泵從此在美國(guó)政府，軍隊(duì)，電力公司等得到了大量應(yīng)用。

1998年，美國(guó)環(huán)保署（EPA）頒布法規(guī)，要求在全國(guó)聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)的建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)。美國(guó)總統(tǒng)布什在他的得克薪斯州宅邸中也安裝了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。目前，全球75%的地源熱泵系統(tǒng)安裝在北美地區(qū)。

美國(guó)：是世界上地源熱泵生產(chǎn)、使用和發(fā)展的頭號(hào)大國(guó)。

2000年：400，000臺(tái)；

2004年：670，000臺(tái)；

2005年：1，000，000臺(tái)。

加拿大：2005年地源熱泵系統(tǒng)新增比例增加了50%。

瑞士、挪威：是世界上地源熱泵應(yīng)用人均比例最高的國(guó)家，應(yīng)用比例高達(dá)96%。

奧地利：應(yīng)用比例為45%；

丹麥：應(yīng)用比例為35%。

中國(guó)（China）1997年，美國(guó)能源部（DOE）和中國(guó)科技部簽署了《中美能效與可再生能源合作議定書(shū)》，其中主要內(nèi)容之一是“地源熱泵”項(xiàng)目的合作。

1998年，國(guó)內(nèi)重慶建筑大學(xué)、青島建工學(xué)院、湖南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等數(shù)家大學(xué)開(kāi)始建立了地源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)地源熱泵技術(shù)進(jìn)行研究。

2006年，1月，國(guó)家建設(shè)部頒布《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》。

2006年，9月，沈陽(yáng)被國(guó)家建設(shè)部確定為地源熱泵技術(shù)推廣試點(diǎn)城市，到2010年底，實(shí)現(xiàn)全市地源熱泵技術(shù)應(yīng)用面積約占供暖總面積的1/3。

2006年，12月，建設(shè)部發(fā)布文件《“十一五”重點(diǎn)推廣技術(shù)領(lǐng)域》。作為新型高效，可再生能源新技術(shù)的水源熱泵技術(shù)被列入目錄。

2　地源熱泵概念

地源熱泵是陸地淺層能源通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能）實(shí)現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。地源熱泵屬于一種空調(diào)系統(tǒng)，可以供暖，也可以制冷，與其他空調(diào)系統(tǒng)不同的是，其冷熱源為太陽(yáng)能資源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，屬于一種清潔技術(shù)。該系統(tǒng)將土壤與水體當(dāng)成一個(gè)集熱器，用來(lái)收集太陽(yáng)能并對(duì)其進(jìn)行利用，這個(gè)巨型“集熱器”中可以收集將進(jìn)一半的太陽(yáng)輻射能量，超過(guò)人類所能利用太陽(yáng)能的500倍；我們可以將這個(gè)系統(tǒng)理解為一個(gè)能量平衡系統(tǒng)，土壤和水體保持能量平衡，一邊會(huì)接收能量，一邊又會(huì)發(fā)散能量，地源熱泵技術(shù)就是要對(duì)這些將要發(fā)散出的能量加以利用，將該系統(tǒng)作為應(yīng)用太陽(yáng)能的一種途徑。

地源熱泵是利用大地（土壤，地層，地下水）作為冷熱源。在較深的地層中，土壤的溫度常年保持穩(wěn)定，夏季時(shí)地下土壤的溫度比室外空氣的溫度低，冬季時(shí)比室外溫度高。在冬季時(shí)通過(guò)熱泵把大地中的熱量升高溫度后為建筑供熱，使大地的溫度降低，蓄存了冷量；夏季時(shí)將建筑物中的熱量排到大地中，使大地的溫度升高，蓄存了熱量，這樣交替使用，提高了空調(diào)系統(tǒng)的能源利用率。

3　地源熱泵工作原理

熱量從高溫流向低溫是一種自然現(xiàn)象，與水往低處流是一個(gè)道理。但是人們可以應(yīng)用能量守恒原理，利用能量的轉(zhuǎn)換使水從低處流向高處，同理也可以使熱量從低溫流向高溫，這就是地?zé)岜玫墓ぷ髟恚彩菍⒌責(zé)岜梅Q為“熱量提升裝置”的原因，其可以把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的1/3或更低，這就是熱泵節(jié)能的特點(diǎn)。

制冷模式：

系統(tǒng)在制冷時(shí)，機(jī)組中的壓縮機(jī)會(huì)對(duì)冷媒進(jìn)行做功，完成汽-液轉(zhuǎn)化過(guò)程。在蒸發(fā)器中冷媒的作用下，熱量會(huì)被自然吸收到冷媒中，這些熱量是由風(fēng)機(jī)盤(pán)管所攜帶。冷凝循環(huán)吸收熱量的同時(shí)，冷凝器內(nèi)部發(fā)生冷凝作用，然后在水路循環(huán)作用下，這些熱量被吸走，轉(zhuǎn)移到土壤和地下水中。這樣就實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度向地下的轉(zhuǎn)移，達(dá)到制冷目的，風(fēng)機(jī)盤(pán)管會(huì)以冷風(fēng)的方式向室內(nèi)供冷，制冷溫度在13℃以下。

供暖模式：

系統(tǒng)在供暖時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)對(duì)冷媒做功，冷媒流動(dòng)方向會(huì)受到換向閥的控制。水路循環(huán)會(huì)自動(dòng)吸收土壤和地下水熱量，這些熱量會(huì)在冷凝器蒸發(fā)作用下被冷媒吸收，冷媒在進(jìn)一步循環(huán)的過(guò)程中會(huì)通過(guò)冷凝作用吸收熱量，這些熱量同樣是由風(fēng)機(jī)盤(pán)管中的冷媒所攜帶。這就實(shí)現(xiàn)了地下熱量向室內(nèi)的轉(zhuǎn)移，風(fēng)機(jī)盤(pán)管會(huì)以暖風(fēng)的方式向室內(nèi)供暖，最高供暖溫度在35℃左右。

4　地源熱泵形式

4.1地下水源熱泵

地下水源熱泵是抽取地下水，經(jīng)過(guò)水水換熱器與冷卻水進(jìn)行熱交換或者直接與熱泵機(jī)組的換熱器進(jìn)行交換，通過(guò)機(jī)組將熱量或冷量傳遞到房間，然后通過(guò)回灌井把地下水回灌到原來(lái)的地下水層或者排入地表水系統(tǒng)。此種系統(tǒng)采用地下水，會(huì)對(duì)地下生態(tài)造成一定的影響。

4.2地表水熱泵

利用江，河，湖泊或海等地表水作為冷熱源，從中取熱。地表水熱泵比較容易受自然條件的限制，夏季時(shí)環(huán)境溫度越高，水溫越高，建筑冷負(fù)荷升高，但系統(tǒng)制冷系數(shù)下降，冬季時(shí)環(huán)境溫度越低，水溫越低，建筑熱負(fù)荷升高，制熱系數(shù)下降。同時(shí)地表水源熱泵在取水和處理方面需要一定投資，如需要清理水中的浮游垃圾或者污泥，采取防腐蝕的管材或換熱器以避免水對(duì)換熱器或管道的腐蝕等。

4.3地埋管地源熱泵

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用地下土壤中的熱量，通過(guò)與水平或者豎直的地埋管中的循環(huán)液進(jìn)行熱交換，從而實(shí)現(xiàn)制冷或制熱。它通常有三個(gè)環(huán)路組成：室外環(huán)路，制冷劑環(huán)路，室內(nèi)環(huán)路。室外環(huán)路主要由地下埋管組成的封閉環(huán)路，冬季從土壤中吸收熱量，夏季從土壤中吸收冷量；制冷劑環(huán)路主要指由蒸發(fā)器，冷凝器，壓縮機(jī)，節(jié)流閥四大部件及輔助設(shè)備組成的制冷機(jī)組環(huán)路；室內(nèi)環(huán)路主要通過(guò)循環(huán)液體或氣體完成建筑與機(jī)組之間的換熱對(duì)于本建筑，采用集中空調(diào)系統(tǒng)，優(yōu)先采用地源熱泵系統(tǒng)。根據(jù)本建筑所處地理位置，離江河湖泊較遠(yuǎn)，敷設(shè)管道復(fù)雜，同時(shí)考慮到對(duì)地下生態(tài)環(huán)境的影響，采用地埋管熱泵系統(tǒng)。

5　地源熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

5.1高效節(jié)能

土壤淺層溫度比較穩(wěn)定，即使季節(jié)更換也不會(huì)發(fā)生太大變化，因此熱泵的動(dòng)載荷波動(dòng)不大，不會(huì)發(fā)生太大磨損，運(yùn)行起來(lái)比較穩(wěn)定，如果沒(méi)有特殊情況熱泵的使用壽命至少可以達(dá)到20年，滿足高效節(jié)能要求的同時(shí)，可以達(dá)到理想的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于冬季來(lái)說(shuō)，土壤淺層以及地下水溫度在16～18℃之間，即使是容量較大的地表水，溫度也在6～14℃之間，比空氣溫度要高出很多，熱泵在運(yùn)行過(guò)程中能效比系數(shù)明顯提升，壓縮比明顯降級(jí)，與一般空氣源熱泵相比，最多可以節(jié)約一半能耗。

對(duì)于夏季來(lái)說(shuō)，土壤表層與地下水溫度在18～20℃之間，即使是容量較大的地表水，溫度也在22～26℃之間，比空氣環(huán)境要低出很多，冷凝壓力明顯降低，與一般制冷空調(diào)相比，可以幫助用戶節(jié)約一半費(fèi)用。

5.2一機(jī)多用功能

地源熱泵系統(tǒng)可供暖氣、冷氣實(shí)現(xiàn)舒適空調(diào)，可取代常規(guī)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置。如果熱源條件允許，機(jī)組還可以為用戶提供生活熱水，不僅使用起來(lái)方便，不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且使用起來(lái)非常方便。

5.3環(huán)境效益顯著（略）

5.4優(yōu)勢(shì)

與普通熱源泵相比，地源熱泵不會(huì)產(chǎn)生熱氣流導(dǎo)致溫室效應(yīng)；與煤鍋爐相比，其不需要通過(guò)燃燒獲取能量，不會(huì)向空氣中排放二氧化硫（是造成大面積酸雨的主要原因），也不必?fù)?dān)心燃燒物存儲(chǔ)安全問(wèn)題。其在運(yùn)行過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生廢棄物，所有能量的轉(zhuǎn)移都將土壤以及地下水作為介質(zhì)，不會(huì)消耗這些資源，更不會(huì)對(duì)水資源造成污染。

實(shí)際上地源熱泵所利用的能量都是存儲(chǔ)于土壤和地下水中的太陽(yáng)能，這些能源具有清潔、可再生的特征，供暖和制冷過(guò)程同時(shí)滿足低費(fèi)用、低能耗、低污染和高效率的要求。

地源熱泵與風(fēng)冷熱泵相比，節(jié)能40%；與電采暖相比，節(jié)能70%；與燃?xì)鉅t相比，效率提高48%。

地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護(hù)，系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長(zhǎng)壽命。

地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中無(wú)需燃燒，因此不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，也不會(huì)發(fā)生爆炸。

由于地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱更為平穩(wěn)，降低了停、開(kāi)機(jī)的頻率和空氣過(guò)熱和過(guò)冷的峰值。這種系統(tǒng)更容易適合供冷、供熱負(fù)荷的分區(qū)。

地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達(dá)50年。

地源熱泵以電動(dòng)動(dòng)力，夏季向土壤中排放熱量，冬季從土壤中汲取熱量，不需另設(shè)排熱設(shè)備以及燃燒能源獲得熱量；各機(jī)組可獨(dú)立啟停，僅有部分房間需要空調(diào)時(shí)不會(huì)浪費(fèi)能源；在過(guò)渡季節(jié)根據(jù)不同的需要，各機(jī)組獨(dú)立供熱或供冷，能源交替轉(zhuǎn)移利用，不要啟動(dòng)冷熱源；有明顯內(nèi)外區(qū)項(xiàng)目，冬季可轉(zhuǎn)移利用內(nèi)區(qū)余熱給外區(qū)供熱；年運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%以上。

6　地源熱泵系統(tǒng)存在的不足

地源熱泵系統(tǒng)在使用過(guò)程中也存在很多不足，其中最主要的問(wèn)題就是土壤熱不平衡。由于南方地區(qū)溫度較高，因此主要以供冷為主，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要是向地面注入熱量；而北方則正好相反，需要長(zhǎng)期從土壤和地下水中吸收大量熱量，這種不均衡會(huì)導(dǎo)致地下溫度失衡，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到影響。南方制冷能量要多于供暖能量，對(duì)這些多余的熱量可以統(tǒng)一回收，用于生活熱水供應(yīng)，緩解土壤熱不平衡現(xiàn)象。而北方通常另配鍋爐，供暖，來(lái)平衡土壤熱的問(wèn)題。

地源熱泵在應(yīng)用過(guò)程中還會(huì)受到很多其他因素的影響，包括國(guó)家能源政策、能源市場(chǎng)價(jià)格等。同時(shí)，能量轉(zhuǎn)換的介質(zhì)是土壤和地下水，因此該系統(tǒng)在使用過(guò)程中會(huì)受到當(dāng)?shù)厮Y源的影響。建設(shè)該系統(tǒng)時(shí)需要做大量打井和埋管工作，因此會(huì)受到場(chǎng)地條件的限制。另外，設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮冷熱平衡問(wèn)題，要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。

7　總結(jié)

地源熱泵作為高效節(jié)能環(huán)保的能源應(yīng)用，是再生資源的轉(zhuǎn)換，不排放任何污染，是清潔能源。對(duì)周圍環(huán)境影響小。同時(shí)它能保證空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。盡管這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)的推廣應(yīng)用才剛開(kāi)始，但是由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，已經(jīng)引起國(guó)家、科技人員對(duì)其的高度重視。

通過(guò)國(guó)家相關(guān)法規(guī)，政府部門(mén)和科研機(jī)構(gòu)的共同努力，借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的地源熱泵技術(shù)應(yīng)用將得到高速的推廣和發(fā)展。

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2015-12-1