發(fā)展低碳經(jīng)濟 地源熱泵大有作為

秦鐵正 賈湛 彭津琴

一、地源熱泵系統(tǒng)簡介[1][2]

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。它是利用水源熱泵的一種形式，即利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。地源熱泵機組的能量流動是利用其所消耗的能量 （如電能）將吸取的全部熱能（即電能+吸收的熱能）一起排輸至高溫熱源。而其所耗能量的作用是使制冷劑（如R22）壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達到吸收低溫熱源中熱能的作用。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上冷量。

地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。

室外地能換熱系統(tǒng)按照室外換熱方式不同可分為三類：其一為土壤埋盤管系統(tǒng)，其二為地下水系統(tǒng)，其三為地表水系統(tǒng)。又可根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng)分為閉環(huán)（如垂直埋管方式、水平埋管方式、地表水安置換熱器方式。）和開環(huán)系統(tǒng)（如抽取地下水或地表水方式）。水源熱泵機主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。

地源熱泵機組裝置主要有：壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥四部分組成，其工作原理是：由電能驅(qū)動壓縮機，使工質(zhì)（如R22）循環(huán)運動反復發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中氣化吸熱、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組實現(xiàn)制熱（或制冷）功能。見圖1。

圖1 地源熱泵工作原理圖

在目前我國利用較多的是水源熱泵，就是以地下水作為冷熱"源體"，冬季利用熱泵吸收其熱量向建筑物供暖，在夏季熱泵將吸收到的熱量向其排放、實現(xiàn)對建筑物供冷。夏季制冷原理如圖2所示，冬季供熱原理如圖3所示。

圖2 夏季供冷原理圖

圖3 冬季供熱原理圖

與傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)需要很多輔助系統(tǒng)或設備來完成一個完整的暖通空調(diào)功能，如冷卻塔等。而水源熱泵系統(tǒng)只是通過與地下水的熱交換來完成制冷或制熱的效果。只應用一個硬件系統(tǒng)，通過在不同季節(jié)進行冷凝器和蒸發(fā)器的轉(zhuǎn)換，就可以完成制冷與制熱功能的轉(zhuǎn)換。而且它無須任何人工資源，徹底取代了鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。

二、地源熱泵技術(shù)發(fā)展[1]

“地源熱泵”的概念，最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術(shù)的提出始于英、美兩國。80年代初開始，美國、加拿大開展了冷暖聯(lián)供地源熱泵方面的研究工作，上世紀80年代后期，地源熱泵技術(shù)發(fā)展趨于成熟，更多的科學家致力于地下系統(tǒng)的研究，努力提高熱吸收和熱傳導效率，同時越來越重視環(huán)境的影響問題。地源熱泵生產(chǎn)呈現(xiàn)逐年上升趨勢，瑞士和瑞典的年遞增率超過10%。美國的地源熱泵生產(chǎn)和推廣速度很快，技術(shù)產(chǎn)生了飛速的發(fā)展，成為世界上地源熱泵生產(chǎn)和使用的頭號大國。從地源熱泵應用情況來看，北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯(lián)供。

在我國，對地源熱泵的研究起始于50年代，1965年天津大學研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機。1998年是我國在該領(lǐng)域的一個里程碑，從這一年開始，國內(nèi)數(shù)家大學紛紛建立了地源熱泵的實驗臺，同時也相繼成立了一些專門的生產(chǎn)廠家，開始批量生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品。近年來該項技術(shù)成了國內(nèi)建筑節(jié)能及暖通空調(diào)界熱門的研究課題，并開始大量應用于工程實踐，與此相關(guān)的熱泵產(chǎn)品應運而生，掀起了一股“地熱空調(diào)”的熱潮。在工程應用方面，地下水地源熱泵系統(tǒng)數(shù)量最多，應用范圍最廣，主要采用“異井抽灌”和“單井抽灌”技術(shù)?！暗谌龑?010中日熱泵與蓄熱技術(shù)交流會”信息披露，我國地源熱泵應用情況呈逐年上升趨勢，截止2009年，我國地源熱泵使用總面積已達1.39億平方米，市場相關(guān)產(chǎn)品銷售總額已超過16億人民幣。并且市場份額也正逐年從外資品牌占有大量市場份額向國有自主品牌漸成主導轉(zhuǎn)變。

三、地源熱泵技術(shù)性能特點[2]

在地源熱泵（變頻空調(diào)中央機組）項目的工程咨詢服務的過程中，我們對天津大學熱能與制冷工程技術(shù)中心以及對其地源熱泵技術(shù)應用典型工程（津薊高速公路起點收費站閉式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、建筑面積3.2萬平米的天津海泰科技樓鑿井開式循環(huán)系統(tǒng)、建筑面積9萬平米的天津萬順商務樓地熱直供結(jié)合尾水再利用的熱泵供熱系統(tǒng)等工程）進行了深入的考察和調(diào)研，歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地源熱泵的應用可以根據(jù)每個工程個體的基礎(chǔ)條件不同而選擇不同系統(tǒng)類型，但所有地源熱泵系統(tǒng)均體現(xiàn)了如下技術(shù)性能特點：

1、可再生能源利用

地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能成為清潔的可再生能源一種形式。地源熱泵正是利用地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。

2、經(jīng)濟有效節(jié)能

地能或地表淺層地熱資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，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%，因此可以節(jié)能并節(jié)省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。

據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設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)的運行費用。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達 3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50～60%。

3、環(huán)境效益顯著

地源熱泵系統(tǒng)在運行中沒有燃燒，因此不可能產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣。地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。

4、一機多用，應用范圍廣

地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)；可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。

5、節(jié)水

以水為載體吸收或向其釋放熱量，從而達到供暖或制冷的作用。既不消耗水資源，也不對其造成污染。

6、系統(tǒng)維護費用低

在同等條件下，采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物能夠減少維護費用。地源熱泵非常耐用，它的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi)，從而避免了室外的惡劣氣候，其地下部分可保證50年，地上部分可保證30年，因此地源熱泵是免維護空調(diào)，節(jié)省了維護費用，使用戶的投資在3年左右即可收回。此外，機組使用壽命長，均在15年以上；機組緊湊、節(jié)省空間；自動控制程度高，可無人值守。

當然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會受到當?shù)氐叵滤Y源的制約。實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質(zhì)產(chǎn)生污染。

綜上，地源熱泵上述優(yōu)異的技術(shù)性能特點，使其具備了成為節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟有效手段的卓越潛質(zhì)。

四、地源熱泵發(fā)展前景廣闊

（一）我國適宜發(fā)展地源熱泵[3]

我國國土面積巨大，從北到南可劃分為五個主要氣候區(qū)，其中對冷熱量都有需求的地區(qū)占絕大部分；同時中國淺層地表能量蘊藏豐富，適宜大力發(fā)展地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)。據(jù)專家測算，目前我國發(fā)電裝機容量為5．08億千瓦，百米內(nèi)地下水每年可采集的低溫能量約為2．2×108千瓦，相當于其43%，近百米內(nèi)的土壤每年可采集的低溫能量相當于1.5×1012千瓦，則是其2950倍，故而利用淺層地能進行能量轉(zhuǎn)換的地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)在我國有著相當大的市場發(fā)展空間。

（二）鼓勵發(fā)展的政策背景為地源熱泵的發(fā)展助力、加油

地源熱泵作為一項可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能技術(shù)受到世界各國政府的重視，紛紛出臺扶持政策促進其發(fā)展。我國也是如此?！吨袊嗣窆埠蛧稍偕茉捶ā贰ⅰ豆?jié)約能源法》對建筑節(jié)能提出了新要求；《建設部、財政部關(guān)于推進可再生能源在建筑中應用的實施意見》和《可再生能源建筑應用專項資金治理暫行辦法》明確要加強對混合能源技術(shù)、熱泵技術(shù)等的應用研究；《建筑節(jié)能治理條例》也明確提出要大力推廣和普及地源熱泵技術(shù)；《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄(2011年本）》進一步明確“地熱能利用技術(shù)開發(fā)與設備制造”是新能源的鼓勵類；北京、沈陽等數(shù)十個省市還相繼出臺了地方關(guān)于建筑中采用地源熱泵技術(shù)的補貼政策。一系列相關(guān)法律及鼓勵扶政策的出臺，為地源熱泵發(fā)展營造了良好的政策環(huán)境，業(yè)內(nèi)人士預計，在國家鼓勵發(fā)展的政策背景下，地源熱泵技術(shù)將迎來難能可貴的發(fā)展機遇，將進入高速發(fā)展時期。

（三）地源熱泵應用前景廣闊[4]

建筑，被公認為現(xiàn)今全球能耗大戶，節(jié)能建筑將成為未來全球普遍關(guān)注的熱點。目前，我國城鄉(xiāng)既有建筑總面積約400億平方米，其中城鎮(zhèn)約為160億平方米，在城鎮(zhèn)中居住建筑面積約為105億平方米，其中能達到建筑節(jié)能標準的僅占5%，其余95%都是未來需要陸續(xù)進行節(jié)能改造的高能耗建筑；同時，我國每年新增房屋建筑面積約20億平方米，預計到2020年底，我國新增的房屋面積將近300億平方米，新增城鎮(zhèn)民用建筑面積將為100億～150億平方米。第七屆“中外綠色人居論壇”披露，早在2009年，建筑能耗已經(jīng)占到中國社會總能耗的30%，是世界同緯度國家的3倍之多！而在建筑能耗中制冷、采暖等消耗的能源又是建筑能耗中的大戶（一般中央空調(diào)能耗占整個建筑總能耗的50%，商場和綜合大樓更是達到60%以上）。因此，降低建筑能耗中采暖、制冷的能耗是降低建筑能耗的一個必須解決的問題。地源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)的供熱空調(diào)系統(tǒng)相比大約節(jié)能50%，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)，如果全國每年在1億平方米建筑中推廣應用地源熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)，則每個采暖季可替代374萬噸左右標煤，或25億立方米左右天然氣，削減約6.4萬噸氮氧化物、933萬噸二氧化碳、約16萬噸顆粒物的排放。因此，發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)是我國建筑節(jié)能發(fā)展的需要,是地源熱泵最大的應用潛力市場和地源熱泵市場將呈現(xiàn)蓬勃興盛局面的必然性的所在。

總之，建筑節(jié)能的發(fā)展，為地源熱泵應用提供廣闊的用武空間，業(yè)內(nèi)人士預計到2020年，我國的地源熱泵市場規(guī)模將比目前增長5～8倍。我們堅信，在倡導節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟的今天和未來，有著高效、節(jié)能、低碳、環(huán)保等卓越性能的地源熱泵將大有作為，發(fā)展前景廣闊。

1.地源熱泵--建筑節(jié)能新技術(shù) 作者：刁乃仁，方肇洪.建筑熱能通風空調(diào)，2004，23(3）：18-23

2.地源熱泵供暖空調(diào)的綠色技術(shù) 作者：張峰珠?

3、地源熱泵在中國[C].作者：殷平.現(xiàn)代空調(diào)(3）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：1-8

4、地源熱泵應用前景廣闊 作者：徐偉、張時聰中國建設報