中國主要采用污染環(huán)境最嚴(yán)重的煤炭作為采暖的能源，從節(jié)約能源環(huán)境保護(hù)來看，地源熱泵是一項值得開發(fā)利用的技術(shù)。對地源熱泵與常規(guī)空調(diào)從技術(shù)、投資金額及運(yùn)行費(fèi)用三方面進(jìn)行了詳細(xì)的對比，得出了地源熱泵是一項利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的即可供暖又可制冷的新型空調(diào)技術(shù)。文章主要對地源熱泵的發(fā)展歷史、工作原理、系統(tǒng)形式及經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)行了全面的介紹。

　　【關(guān)鍵詞】地源熱泵，制冷制熱，能量交換

　　近年來隨著資源和環(huán)境的問題日益嚴(yán)重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，合理利用自然資源，保護(hù)環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對的一個重要問題。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷熱量，冬季從大地吸收熱量，夏季從大地吸收冷量，再由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的既可供暖又可制冷的新型空調(diào)系統(tǒng)。

　　在中國，煤作為主要能源,煤炭在我國能源體系中占主導(dǎo)地位，長期以來，煤炭在我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占有絕對主導(dǎo)地位，盡管近年來，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈現(xiàn)出上升的跡象。2002年煤炭在我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例分別由2001年的68.6%和65.3%上升為70.7%和66.1%【1】。特別在冬季,在國內(nèi)的農(nóng)村和部分城市幾乎全部靠煤取暖。煤是各種能源中污染環(huán)境最嚴(yán)重的能源,只有減少城市地區(qū)煤的使用,城市大氣污染問題是才可能得到解決�，F(xiàn)在各地都在采取措施控制燃煤的數(shù)量,選用電采暖、燃油或者燃?xì)獠膳�等措�?但都存在運(yùn)行費(fèi)用高、資源不足和排放CO2這些問題。受能源、特別是一次性能源與環(huán)保條件的限制,傳統(tǒng)的燃油、燃煤中央空調(diào)方式將逐步受到制約。從降低運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)省能源、減少排放CO2排放量來看,地源熱泵技術(shù)是一個不錯的選擇。

　　地源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時,它還可供應(yīng)生活用水，可謂一舉三得，是一種有效地利用能源的方式。

　　1.地源熱泵的工作原理

　　系統(tǒng)通過地源熱泵將環(huán)境中的熱能提取出來對建筑物供暖或者將建筑物中的熱能釋放到環(huán)境中去而實(shí)現(xiàn)對建筑物的制冷，夏季可以將富余的熱能存于地層中以備冬用;同樣，冬季可以將富余的冷能貯存于地層以備夏用。這樣，通過利用地層自身的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對建筑物、環(huán)境的能量交換。

　　在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將由風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷凝器內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過風(fēng)機(jī)盤管，以13℃以下的冷風(fēng)的形式為房間供冷。

　　在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量，通過冷凝器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的冷凝，由風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以35℃以上熱風(fēng)的形式向室內(nèi)供暖。

　　系統(tǒng)實(shí)際上是指通過將傳統(tǒng)的空調(diào)器的冷凝器或蒸發(fā)器延伸至地下，使其與淺層巖土或地下水進(jìn)行熱交換，或是通過中間介質(zhì)(如防凍液)作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過在淺層巖土中循環(huán)流動，從而實(shí)現(xiàn)利用低溫位淺層地能對建筑物內(nèi)供暖或制冷的一種節(jié)能、環(huán)保型的新能源利用技術(shù)。該技術(shù)可以充分發(fā)揮淺層地表得儲能儲熱作用，達(dá)到環(huán)保、節(jié)能雙重功效，而被譽(yù)為“21世紀(jì)最有效的空調(diào)技術(shù)”。

　　2.地源熱泵的發(fā)展歷史

　　地源熱泵的概念最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文獻(xiàn)中。開放式地下水熱泵系統(tǒng)在20世紀(jì)30年代被成功應(yīng)用。20世紀(jì)50年代歐洲和美國掀起了研究地源熱泵(GSHP)的第一次高潮，美國愛迪生電子學(xué)院最早研究閉式環(huán)路熱泵系統(tǒng)，印地安納洲的印地安納波利斯是最早安裝閉式環(huán)路地源熱泵系統(tǒng)的。直到20世紀(jì)70年代，世界石油危機(jī)使得人們關(guān)注節(jié)能、高效用能，地源熱泵的研究進(jìn)入了又一次高潮，這時瑞典的研究人員開始將塑料管應(yīng)用在閉式環(huán)路地源熱泵系統(tǒng)上，地源熱泵的推廣應(yīng)用迅速展開。

　　經(jīng)過近50年的發(fā)展地源熱泵技術(shù)在北美和歐洲已非常成熟，是一種被廣泛采用的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。針對地源熱泵機(jī)組、地?zé)釗Q熱器，系統(tǒng)設(shè)計和安裝有一整套標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、計算方法和施工工藝。在美國地源熱泵系統(tǒng)占整個空調(diào)系統(tǒng)的20%，是美國政府極力推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。到1997年底，美國有超過3萬臺GSHP系統(tǒng)在家庭、學(xué)校和商業(yè)建筑中應(yīng)用，每年約提供8000～11000GWh的終端能量，另據(jù)地源熱泵協(xié)會統(tǒng)計，美國有600多所學(xué)校安裝有GSHP。目前美國地源熱泵的銷售數(shù)量以每年20%的速度遞增，2000年全美銷售數(shù)量達(dá)40萬臺【2】～【3】。

　　在實(shí)際工程應(yīng)用中，北美對地源熱泵應(yīng)用偏重于全年冷熱聯(lián)供，采用閉式水環(huán)熱泵系統(tǒng)(WLHP);歐洲國家偏重于冬季供暖，往往采用熱泵站方式集中供熱供冷。我國氣候條件與美國比較相似，所以北美的方式對我國更具借鑒意義。

　　3.地源熱泵系統(tǒng)形式

　　3.1土壤熱交換器地源熱泵

　　土壤熱交換器地源熱泵是利用地下巖土中熱量的閉路循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng)。通常稱之為“閉路地源熱泵”，以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)，或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環(huán)液(水或以水為主要成分的防凍液)在封閉地下埋管中的流動，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地下耦合熱泵系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是有一個由地下埋管組成的地?zé)釗Q熱器(geothermalheatexchanger,或groundheatexchanger)。地?zé)釗Q熱器的設(shè)置形式主要有水平埋管和垂直埋管兩種。水平埋管形式是在地面開1～2米深的溝，每個溝中埋設(shè)2、4或6根塑料管。垂直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1～0.15m的鉆孔，在鉆孔中設(shè)置1組(2根)或2組(4根)U型管并用灌井材料填實(shí)。鉆孔的深度通常為40～200m�，F(xiàn)場可用的地表面積是選擇地?zé)釗Q熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地?zé)釗Q熱器可以比水平埋管節(jié)省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情。管溝或豎井中的熱交換器成并聯(lián)連接，再通過集管進(jìn)入建筑中與建筑物內(nèi)的水環(huán)路相連接。在液體溫度較低時，系統(tǒng)中需加入防凍液，北方地區(qū)應(yīng)用時應(yīng)特別注意。

　　3.2地下水地源熱泵

　　地下水源熱泵的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經(jīng)過換熱的地下水可以排入地表水系統(tǒng)，但對于較大的應(yīng)用項目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。水質(zhì)良好的地下水可直接進(jìn)入熱泵換熱，之后將井水回灌地下，這樣的系統(tǒng)稱為開式系統(tǒng)。由于可能導(dǎo)致管路阻塞，更重要的是可能導(dǎo)致腐蝕發(fā)生，通常不建議在地源熱泵系統(tǒng)中直接應(yīng)用地下水。開式系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)牡叵滤畻l件和建筑物參數(shù)下是一個有吸引力的選擇方式，但必須謹(jǐn)慎的使用。

　　實(shí)際工程中更多采用閉式環(huán)路的熱泵循環(huán)水系統(tǒng)，即采用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環(huán)水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質(zhì)對熱泵的影響。通常系統(tǒng)包括帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運(yùn)行，根據(jù)溫度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消開式系統(tǒng)在性能上的優(yōu)勢。由于地下水溫常年基本恒定，夏季比室外空氣溫度低，冬季比室外空氣溫度高，且具有較大的熱容量，因此地下水熱泵系統(tǒng)的效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3～4.5，并且不存在結(jié)霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國得到了迅速發(fā)展。

　　無論是深井水，還是地下熱水都是熱泵的良好低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運(yùn)行十分有利。

　　3.3地表水地源熱泵

　　地表水地源熱泵系統(tǒng)由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的熱交換器取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū)需要進(jìn)行防凍處理。

　　地表水熱泵系統(tǒng)的一個熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词侵档每紤]的一種空調(diào)熱泵的型式。熱泵與地表水的換熱可采用開式循環(huán)或閉路循環(huán)的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環(huán)液換熱后再排入水體。但水質(zhì)較差時在換熱器中會產(chǎn)生污垢，影響傳熱，甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。更常用的地表水熱泵系統(tǒng)采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱，可以避免水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問題。

　　在實(shí)際工程中，有大量的應(yīng)用特性可以幫助我們決定以上系統(tǒng)中的哪一種形式最適宜選擇。其中包括可用地下水含量、可用地表水面積、現(xiàn)場土地面積、潛在熱回收能力、建筑物高度和規(guī)模、機(jī)房面積和當(dāng)?shù)匾?guī)劃要求等。

　　4.地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比有著無可比擬的優(yōu)勢

　　表1地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)特點(diǎn)比較(1萬平方建筑，負(fù)荷為100瓦/平方)

　　項目 地源熱泵中央空調(diào) 溴化鋰吸收式直燃機(jī)組 水冷機(jī)組+燃油(氣)熱水鍋爐 水冷機(jī)組+電熱鍋爐

　　占地面積 機(jī)房占地面積小可設(shè)在地下室 機(jī)房占用建筑面積，冷卻塔占用屋頂面積，儲油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積，儲油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積需要較大的電負(fù)荷

　　設(shè)備壽命 20年 10年 冷水機(jī)組20年燃油鍋爐10年 冷水機(jī)組20年電鍋爐15年

　　水資源消耗量 只利用地下水的熱量采用回灌技術(shù)，不消耗水資源 冷卻水循環(huán)量的2%冬季供熱的排污補(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季供熱的排污補(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季供熱的排污補(bǔ)水

　　驅(qū)動能源方式 電能能源利用系數(shù)為3.8～4.5 燃油或燃?xì)饽茉蠢�用系�?shù)80% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5～3.8冬季燃油或燃?xì)?0% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5～3.8冬季燃油或燃?xì)?0%

　　環(huán)境保護(hù) 無燃燒污染，水資源不和制冷劑接觸，水沒有污染 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 無燃燒污染，夏季有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔)

　　備注 需要一定量的水資源 機(jī)房需要設(shè)置自動安全報警系統(tǒng) 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員運(yùn)行維護(hù)，鍋爐需要設(shè)置自動安全報警系統(tǒng) 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員運(yùn)行維護(hù)

　　它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)屬可再生能源利用技術(shù)

　　地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400m深)作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以成為之為地能(EarthEnergy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏�蘊(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發(fā)的到地球上的能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層并類似于一種無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源的一種形式。

　　(2)屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)

　　地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵冷、熱源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外，低能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

　　據(jù)美國環(huán)保署(EPA)估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。

　　(3)運(yùn)行穩(wěn)定可靠

　　正是由于地層溫度一年四季相對穩(wěn)定，其溫度的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的波動，是很好的冷熱源;同時由于溫度的恒定性，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

　　(4)環(huán)境效益顯著

　　地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排量會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量;屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。該裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙;也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量，可以極大地改善其它空調(diào)方式的CO2的排放。

　　(5)舒適程度高

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

　　(6)一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣

　　地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的2套裝置或系統(tǒng);可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。

　　(7)自動運(yùn)行

　　地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計簡單系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)費(fèi)用低;自動控制程度高，可無人值守;此外，機(jī)組使用壽命長，均在20年以上。

　　5.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

　　地源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機(jī)多用。一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。如上所述，地源熱泵系統(tǒng)的另一個顯著的特點(diǎn)是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約40～60%。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，整個系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐-制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

　　地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(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)及價格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性。地下耦合熱泵系統(tǒng)地下埋管的初投資較高，但根據(jù)國外的經(jīng)驗，由于地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低，增加的初投資可在3～7年內(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。

　　1998年美國環(huán)保署頒布法規(guī)，要求在全國聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)的建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)。美國總統(tǒng)布什在他的得州宅邸中也安裝了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)【5】，以支持并鼓勵這種新能源技術(shù)的發(fā)展。

　　我國成功舉辦2008奧運(yùn)會，提出了“科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)”的承諾，并在申奧報告中明確地寫著要發(fā)展地源熱泵技術(shù)以及其它綠色技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對綠色能源地利用，從而實(shí)現(xiàn)“新奧運(yùn)，新北京”。

　　地源熱泵作為一種環(huán)保節(jié)能的空調(diào)方式，應(yīng)該得到更為深入的研究，探索其關(guān)鍵性技術(shù)。目前在國內(nèi)地源熱泵機(jī)組的設(shè)計、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等各個方面還沒有成型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,其推廣應(yīng)用還有待時日。但地源熱泵技術(shù)在中國就像一個新事物必須經(jīng)歷挫折和教訓(xùn)一樣逐漸地發(fā)展。作為一門新技術(shù)，它為我們的國家的可持續(xù)發(fā)展帶來了契機(jī)，在不遠(yuǎn)的將來，隨著國富民強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高和生活水平的進(jìn)步，研究和技術(shù)人員的努力，在中國一定有廣闊的市場前景。

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