地源熱泵及其優(yōu)越性

李 瓊

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和制冷已成為普遍的需求。隨著空調工業(yè)的發(fā)展，先進的中央空調系統(tǒng)不斷的出現(xiàn)，空調在現(xiàn)代建筑中扮演著越來越重要的角色。近年來，隨著國際經(jīng)濟技術合作的不斷深入，地源熱泵中央空調系統(tǒng)進入我國，由于其節(jié)能、環(huán)保、靈活、舒適的優(yōu)越性，并通過在工程中的成功運用得到了空調界人士的認可和推崇。美國環(huán)境保護局已經(jīng)宣布，地源熱泵系統(tǒng)是目前可使用的對環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)。

1 地源熱泵的定義及工作原理

地源熱泵是熱泵的一種，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的系統(tǒng)。在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽—液轉化的循環(huán)。通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將室內(nèi)空氣循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/水熱交換器內(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)轉移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉移至地下的過程中，通過冷媒—空氣熱交換器，以冷風的形式為房供冷;在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，并通過四通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，通過冷媒/水熱交換器內(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)的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由空氣循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉移至室內(nèi)的過程中，以強制對流、自然對流或輻射的形式向室內(nèi)供暖。

2 地源熱泵的發(fā)展及現(xiàn)狀

“地源熱泵”的概念最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術的提出始于英、美兩國。

1946年美國在俄勒岡州的波蘭特市中心區(qū)建成第一個地源熱泵系統(tǒng)。但是這種能源的利用方式?jīng)]有引起當時社會各界的廣泛注意，無論是在技術、理論上都沒有太大的發(fā)展。

20世紀50年代，歐洲開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當時的能源價格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟，因而未得到推廣。直到20世紀70年代初世界上出現(xiàn)了第一次能源危機，它才開始受到重視，許多公司開始了地源熱泵的研究、生產(chǎn)和安裝。這一時期，歐洲建立了很多水平埋管式土壤源地源熱泵，主要用于冬季供暖。雖然歐洲是世界上發(fā)展地源熱泵最成熟的地區(qū)，但是它也曾因為地源熱泵專家不懂安裝技術，安裝工人又不懂地源熱泵原理等因素，致使地源熱泵的發(fā)展走了一段彎路。

隨著科技的進步，關于能源消耗和環(huán)境污染的法律制訂越來越嚴格，地源熱泵的發(fā)展迎來了它的另一次高潮。歐洲國家以瑞士、瑞典和奧地利等國家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術。政府采取了相應的補貼政策和保護政策，使得地源熱泵生產(chǎn)和使用范圍迅速擴大。20世紀80年代后期，地源熱泵技術已經(jīng)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。

國家建設部在《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中專門作了推薦。從2006年開始，國家分別將三個城市作為地源熱泵試點城市，分別是北京、天津、沈陽，大力發(fā)展地源熱泵。國家努力引導發(fā)展地源熱泵，國家的一些政府部門的建筑，學校，醫(yī)院等都進行了地源熱泵改造。在發(fā)達國家中，供熱和空調的能耗可占到社會總能耗的25%～30%。我國的能源結構主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒產(chǎn)生的大量污染物，包括大量SO2，NOx等有害氣體以及CO2等溫室效應氣體。大量燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的環(huán)境問題已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。我國的供熱已經(jīng)歷了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的轉變。現(xiàn)在又進一步禁止在城鎮(zhèn)建設中小型燃煤鍋爐房，體現(xiàn)了政府對保護大氣環(huán)境的高度重視。因此，除了集中供熱的形式以外，急需發(fā)展其他的替代供熱方式。地源熱泵就是能有效節(jié)省能源、減少大氣污染和CO2排放的供熱和空調新技術。

3 地源熱泵及其優(yōu)越性

3.1 地源熱泵的分類

1)地下水熱泵系統(tǒng)，也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。2)水平埋管地源熱泵系統(tǒng)和垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)。這兩種方式都歸屬于地下耦合熱泵系統(tǒng)，也稱埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)。還有另外一個術語叫地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)。這一閉式系統(tǒng)方式通過中間介質(通常為水或者是加入防凍劑的水)作為熱載體，使中間介質在埋于土壤內(nèi)部的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地土壤進行熱交換的目的。3)地表水熱泵系統(tǒng)。通過直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。歸屬于水源熱泵方式。4)單井換熱熱井，也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國外常稱為“熱井”。這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護套，直徑和孔徑一致;地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設施。熱泵機組出水直接在孔洞上部進入，其中一部分在地下水位以下進入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機組供水。這一方式主要應用于巖石地層，典型孔徑為150 mm，孔深450 m。

3.2 地源熱泵的優(yōu)越性

3.2.1 節(jié)能、高效性

地源熱泵系統(tǒng)在提供100單位能量時，70%的能量來源于土壤，30%的能量來自電力，電能的消耗主要用于壓縮機的做功和使空調系統(tǒng)運行，即將土壤中的熱量“搬運”至室內(nèi)。它要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量;由于土壤的溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10℃～20℃之間，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.7，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，能效要高出40%以上。

3.2.2 環(huán)保無污染

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，如果結合其他節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調裝置減少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，制冷劑泄漏幾率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)。

3.2.3 屬可再生能源利用技術

地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400 m深)作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)。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，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近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源的一種形式。

3.2.4 低運行費用

地源熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能特點，決定了它的低運行費用，比其他各種采暖和制冷設備節(jié)能30%～70%。使用壽命50年以上，折舊費和維修費也都大大低于傳統(tǒng)空調。

3.2.5 應用靈活、安全可靠、用途廣泛

靈活性強，可用于新建工程或擴建、改建工程，可逐步分期施工，熱泵機組可靈活地安置在任何地方，節(jié)約空間。無儲煤、儲油罐等衛(wèi)生及安全隱患。從嚴寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用。可為各類建筑物提供冷暖兩用空調系統(tǒng)，同時提供生活熱水。

4 結語

地源熱泵系統(tǒng)的能量來源于自然能源，是一種理想的“綠色空調”，被認為是目前可使用的對環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)無論嚴寒地區(qū)或熱帶地區(qū)均可應用，可廣闊應用在辦公樓、賓館、學校、宿舍、醫(yī)院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。

[1] 楊艷紅，倪國葳，馬 卉.地源熱泵技術與建筑節(jié)能[J].山西建筑 ，2009 ，35(11):175-176.