地源熱泵應(yīng)用

徐海光

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

地源熱泵應(yīng)用

徐海光

（中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司勘測設(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)都參與到其開發(fā)、應(yīng)用之中，地源熱泵在我國長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)國家大力提倡和鼓勵(lì)再生、可持續(xù)能源的開發(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。英國主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯(lián)供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應(yīng)用情況，對(duì)我國地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。

地源熱泵的發(fā)展：

美國（The United States）1946年，美國第一臺(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，美國能源部（DOE）開始對(duì)地源熱泵投入了大量的科技研發(fā)基金。

1979年，美國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，美國俄克拉荷馬商務(wù)部開始對(duì)地源熱泵進(jìn)行商務(wù)推廣。

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

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

1998年，美國環(huán)保署（EPA）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：是世界上地源熱泵生產(chǎn)、使用和發(fā)展的頭號(hào)大國。

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

1998年，國內(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，國家建設(shè)部頒布《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)》。

2006年，9月，沈陽被國家建設(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，用來收集太陽能并對(duì)其進(jìn)行利用，這個(gè)巨型“集熱器”中可以收集將進(jìn)一半的太陽輻射能量，超過人類所能利用太陽能的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)的過程中會(huì)通過冷凝作用吸收熱量，這些熱量同樣是由風(fēng)機(jī)盤管中的冷媒所攜帶。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，通過機(jī)組將熱量或冷量傳遞到房間，然后通過回灌井把地下水回灌到原來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

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)行起來比較穩(wěn)定，如果沒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)于冬季來說，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)于夏季來說，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，不僅使用起來方便，不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且使用起來非常方便。

5.3環(huán)境效益顯著（略）

5.4優(yōu)勢

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)安全問題。其在運(yùn)行過程中也不會(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能，這些能源具有清潔、可再生的特征，供暖和制冷過程同時(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，延長壽命。

地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中無需燃燒，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)在使用過程中也存在很多不足，其中最主要的問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，來平衡土壤熱的問題。

地源熱泵在應(yīng)用過程中還會(huì)受到很多其他因素的影響，包括國家能源政策、能源市場價(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)受到場地條件的限制。另外，設(shè)計(jì)過程中要充分考慮冷熱平衡問題，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)在中國的推廣應(yīng)用才剛開始，但是由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，已經(jīng)引起國家、科技人員對(duì)其的高度重視。

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

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