地源熱泵技術(shù)的特征、發(fā)展與應(yīng)用

蘇高樂 安瑞盛

摘要：地源熱泵技術(shù)作為一種有益于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的冷熱源形式，已經(jīng)引起人們的廣泛興趣。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全國能耗快速增長，能源供應(yīng)形勢(shì)非常嚴(yán)峻，節(jié)能減排已是我們面臨的最重要問題之一。地源熱泵作為區(qū)域能源的一種重要形式，能夠有效地降低住宅和公共建筑對(duì)資源的消耗，特別是在使用過程中的嚴(yán)重浪費(fèi)。所以，如何解決地源熱泵應(yīng)用過程中的難題，促進(jìn)地源熱泵的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為國內(nèi)城市研究的重要課題。

關(guān)鍵詞：區(qū)域能源；地源熱泵；節(jié)能

近年來，地源熱泵作為一種有益環(huán)境、節(jié)約能源和經(jīng)濟(jì)可行的建筑物供暖及制冷新技術(shù)越來越受到關(guān)注。它是一種利用地下淺層地能資源既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)，可以無污染地從天然能源中吸收能量，向建筑物供冷供暖，不排放二氧化碳等有害氣體，且節(jié)能效果要高出40%，屬于環(huán)保節(jié)能新型能源。因此，采用可再生地能資源的地源熱泵被稱之為21世紀(jì)最有效的供熱制冷綠色環(huán)保技術(shù)。

1地源熱泵的技術(shù)原理與技術(shù)分類

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366，地源熱泵系統(tǒng)定義為：以土壤或地下水、地表水為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C(jī)組、地能采集系統(tǒng)、室內(nèi)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季是相對(duì)穩(wěn)定的，土壤與空氣的溫差一般為17℃，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，可以分別在夏冬兩季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。在冬季，把土壤中的熱量“取”出來，提高溫度后供給室內(nèi)用于采暖；在夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來釋放到土壤中去，達(dá)到降溫和制冷的目的。地能的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%～60%，可以節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%～50%左右。

根據(jù)地能采集系統(tǒng)的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為三種不同的系統(tǒng)：以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵；以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)；以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng)。這樣的分類在國內(nèi)的暖通空調(diào)界已經(jīng)達(dá)到了共識(shí)。在這三種系統(tǒng)中，由于土壤資源廣泛，目前和將來土壤源熱泵將是地能利用的重要形式和今后發(fā)展的主要方向。

2地源熱泵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1可再生能源利用技術(shù)

地源熱泵是利用地球表面淺層地能資源作為冷、熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供熱制冷空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地能資源是指地表淺層通過吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低品位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，它收集了50%左右的太陽能量，比人類每年利用的能量還多500倍。它不受地域、資源等限制，真正是資源廣闊、無處不在。這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使地能成為清潔的可再生的能源。同時(shí)，地下是一個(gè)巨大的蓄能體，他可將熱泵遷移的能量部分地蓄存，實(shí)現(xiàn)冷、熱源的交替再利用。

2.2 經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)

地能資源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣高，夏季比環(huán)境空氣低，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(yùn)行效率要高40%～60%，因此，可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%～60%。另外，地能溫度恒定，使熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

2.3環(huán)境效益顯著

地源熱泵雖然仍采用制冷劑，但可比常規(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)率大大降低。地源熱泵的運(yùn)行沒有任何直接污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)。由于替代鍋爐燃燒供熱，沒有排放物及廢棄物，不需要堆放燃料和廢物的場地，以及不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。沒有目前空氣源空調(diào)的熱污染和較大的噪聲污染等。

2.4使用壽命長，維護(hù)費(fèi)用低

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，是分體式或窗式空調(diào)器的2～4倍。地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行部件比常規(guī)系統(tǒng)少，因而維護(hù)次數(shù)少，維護(hù)費(fèi)用低。機(jī)組緊湊，節(jié)省空間。全電腦控制，性能穩(wěn)定，可以電話遙控，可以進(jìn)行溫濕度控制和新風(fēng)配送。系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，可免遭損壞，更加可靠，使用壽命更長。

2.5采暖、供熱和制冷一體化地源熱泵系統(tǒng)可采暖、空調(diào)制冷，還可提供生活熱水，一機(jī)多用。一套熱泵系統(tǒng)可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調(diào)以及生活熱水加熱的三套裝置或系統(tǒng)?？蓱?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、供熱和空調(diào)。

3.地源熱泵技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用

自1912 年瑞士 Zoelly 提出的“地源熱泵”概念以來，地源熱泵系統(tǒng)在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

美國的水源熱泵技術(shù)應(yīng)用偏重于住宅和小型商業(yè)建筑，在大型建筑方面，美國推行WLHP 系統(tǒng)，即水環(huán)熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)是水源熱泵系統(tǒng)的一種特殊方式。美國地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了地源熱泵協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)在近年來投入了大量資金從事開發(fā)、研究和推廣工作。

中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家于1960年代逐步發(fā)展成為主要用于采暖的水-水型地源熱泵技術(shù)，主要利用淺層地?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。

加拿大地源熱泵市場增長急劇，其主要原因是加拿大聯(lián)邦政府的撥款支持，以及各省政府有針對(duì)性的補(bǔ)貼和公共服務(wù)部門對(duì)住宅改造的激勵(lì)，補(bǔ)貼程序由專門機(jī)構(gòu)（如聲譽(yù)很高 David Suzuki 基金會(huì)）獨(dú)立研究發(fā)布。

亞洲地區(qū)，如日本，1980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冷供熱系統(tǒng)，如東京幕張地區(qū)利用城市生活廢水的水源熱泵系統(tǒng)。

地源熱泵在我國的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：第一階段從1980年代到21世紀(jì)初，是起步階段。地源熱泵概念逐漸出現(xiàn)在我國科研工作者的視野里并得到逐步重視。1997 年中國科技部與美國能源部正式簽署的《中美能源效率及可再生能源合作議定書》是我國地源熱泵真正起步的標(biāo)志性事件，這個(gè)合作對(duì)我國地源熱泵初期發(fā)展起到了引導(dǎo)的作用。第二階段從 21 世紀(jì)初到 2004年，是推廣階段。地源熱泵系統(tǒng)在我國各個(gè)地區(qū)均有應(yīng)用，部分地源熱泵企業(yè)在市場拓展方面遇到困難，艱難地生存。第三階段從2005 年至今，為快速發(fā)展階段。2005 年后，隨著我國對(duì)可再生能源應(yīng)用與節(jié)能減排工作的不斷加強(qiáng)，《可再生能源法》、《節(jié)約能源法》、《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》、《民用建筑節(jié)能管理?xiàng)l例》等法律法規(guī)的相繼頒布和修訂等奠定了地源熱泵的突出地位，地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)入了爆發(fā)式的快速發(fā)展階段。2009 年 6 月 1 日，《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，成為正確指導(dǎo)地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的行為準(zhǔn)則。

大連的星海假日酒店采用的海水源熱泵集中空調(diào)能為 4 萬 m2的建筑提供制冷和采暖，在國內(nèi)尚屬首例，是目前我國最大的海水源熱泵工程。

結(jié)語

隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的發(fā)布，地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等各個(gè)方面均變得有章可循，其推廣應(yīng)用時(shí)機(jī)已成熟。但地源熱泵技術(shù)就像一個(gè)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，隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高和人民生活水平的進(jìn)步，經(jīng)過研究和技術(shù)人員的共同努力，一定具有廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

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