地源熱泵系統(tǒng)的推廣優(yōu)勢及存在的問題

房海濤

（太原鐵路局太原房建段，山西 太原 030045）

地源熱泵系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)為人們提供了新的清潔可再生能源。通過使用環(huán)境中的免費能源，不僅降低了消耗投資，而且減少了對石化燃料的依賴程度，節(jié)能環(huán)保效果顯著[1]。國家建設(shè)部提出的各地在建設(shè)可再生能源方面要抓好的6個方面工作中，第2項就是地源熱泵系統(tǒng)在建筑中的推廣應(yīng)用[2]。地源熱泵系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注，其優(yōu)勢十分明顯，推廣應(yīng)用的前景非常廣闊。

1 地源熱泵系統(tǒng)的定義、類型、組成及工作原理

1.1 定義

地源熱泵系統(tǒng)（通常還被稱為地能系統(tǒng)、地緣系統(tǒng)或地?zé)釤岜孟到y(tǒng)等）是以地源能（土壤、地下水、地表水、低溫地?zé)崴┳鳛闊嵩椿驘釁R，實現(xiàn)制冷、采暖以及提供生活熱水的空調(diào)系統(tǒng)。

1.2 類型

根據(jù)文獻對地源熱泵系統(tǒng)的分類，可分為土壤源耦合式熱泵系統(tǒng)（又稱為閉環(huán)地源熱泵、地埋管地源熱泵系統(tǒng)等）、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)3類。

1.3 組成

地源熱泵系統(tǒng)主要由室外地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、水源熱泵機組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)3個部分組成。

1.4 工作原理

為方便介紹地源熱泵系統(tǒng)的工作原理，下面以地埋管地源熱泵系統(tǒng)為例進行闡述。熱泵機組采用的是水—空氣水源熱泵機組。

1.4.1 夏季制冷工況工作原理

在夏季，水源熱泵機組做制冷運行。循環(huán)的結(jié)果是土壤作為熱匯，通過地埋管換熱器，不斷吸收由水源熱泵機組從室內(nèi)取出的多余熱量。具體過程為：通過壓縮機的作用，冷凝器中的制冷劑把壓縮機做功所轉(zhuǎn)化的熱量以及蒸發(fā)器中制冷劑從空調(diào)房間內(nèi)吸收的熱量一起“搬運”至地埋管換熱器中的換熱介質(zhì)（水或防凍水溶液），再在循環(huán)水泵的作用下，利用地埋管換熱器將這些熱量傳遞給土壤。

1.4.2 冬季制熱工況工作原理

在冬季，水源熱泵機組做制熱運行。循環(huán)的結(jié)果是土壤作為熱源，通過埋地管換熱器，不斷地向室內(nèi)轉(zhuǎn)移熱量。具體過程為：換向閥換向使得埋地管換熱器中的換熱介質(zhì)從土壤中吸收熱量，并將傳遞給蒸發(fā)器中的制冷劑，在冷凝器中，通過壓縮機的作用，制冷劑將所吸收的熱量和壓縮機耗功所轉(zhuǎn)化的熱量一起轉(zhuǎn)移到室內(nèi)。

2 地源熱泵系統(tǒng)的推廣優(yōu)勢

2.1 傳統(tǒng)的空氣源熱泵優(yōu)、缺點

我國目前大量使用的熱泵仍然是空氣源熱泵，環(huán)境中的空氣作為冷熱源，雖然取之不盡，但隨季節(jié)、晝夜變化而波動，會導(dǎo)致熱泵機組無法穩(wěn)定運行。在夏季，大氣溫度高時，迫切需要制冷空調(diào)，但大氣溫度的升高影響著冷凝器向大氣環(huán)境的排熱效果，在特殊情況下，制冷機組甚至都無法起動[4]。在冬季，由于環(huán)境溫度低，蒸發(fā)器難以從環(huán)境得熱，會出現(xiàn)融霜的現(xiàn)象。

雖然空氣源熱泵具有投資低、系統(tǒng)的制造、安裝和使用簡單方便、使用不受限制等優(yōu)點。但缺點也很多，如冬季融霜、噪聲污染大、低性能系數(shù)、能耗較大、無存貯效應(yīng)、須輔助加熱等。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)的推廣優(yōu)勢

隨著在世界范圍內(nèi)日益突出的環(huán)境和能源問題，人們更加重視利用可再生能源的地源熱泵，地源熱泵的研究和應(yīng)用發(fā)展更加迅速，全球范圍內(nèi)地源熱泵裝機容量連續(xù)地增長，年增長率達10%～30%，且應(yīng)用范圍日益擴大[4]。

地源熱泵與傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)和能源利用技術(shù)相比，無論是在技術(shù)、經(jīng)濟還是應(yīng)用前景方面，優(yōu)勢都十分明顯，主要表現(xiàn)在以下9個方面。

2.2.1 屬于清潔、可再生能源利用技術(shù)

地源熱泵利用地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源，而這些地表淺層的地?zé)崮芰空嫉搅颂栞椛涞降厍蚰芰康?7%，這相當(dāng)于人類每年使用能量的500多倍，是一種近乎取之不盡的清潔、可再生能源。

2.2.2 節(jié)能、經(jīng)濟有效

地表淺層地?zé)豳Y源（通常不超過400 m深）是很好的熱泵冷熱源，因為它的溫度隨環(huán)境溫度約等于年平均氣溫，晝夜、四季波動小，相對穩(wěn)定，而且夏季時候低于環(huán)境空氣溫度，冬季高于環(huán)境溫度空氣。因此，熱泵機組能更可靠、更穩(wěn)定地運行，系統(tǒng)運行的高效性和經(jīng)濟性得到了保障。這種特性還使得地源熱泵系統(tǒng)比空氣源空調(diào)系統(tǒng)運行效率高40%，節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右[3]。根據(jù)美國環(huán)境保護署的資料顯示，地源熱泵在適宜的熱源條件下比空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能（和相應(yīng)的污染排放量）44%，而與住宅電采暖和標(biāo)準(zhǔn)空氣源空調(diào)設(shè)備組成的系統(tǒng)相比，節(jié)能72%[5]。

2.2.3 環(huán)境效益顯著

首先，在污染物排放方面，節(jié)能減排效果非常明顯。地源熱泵比傳統(tǒng)空氣源熱泵減排至少40%，比純電供暖減排70%以上。如果與太陽能、風(fēng)能、工業(yè)余熱等能源措施結(jié)合，節(jié)能減排效果將更明顯。其次，與傳統(tǒng)空調(diào)機組相比可減少50%的制冷劑充灌量。通過改善熱泵性能，降低工質(zhì)泄露與使用新工質(zhì)，推廣其應(yīng)用可降低電力消耗、緩解熱島現(xiàn)象[5]。此外，該裝置屬于自含式系統(tǒng)，大大降低了制冷劑泄漏的可能性，而且系統(tǒng)運行起來不會產(chǎn)生廢棄物，無任何污染，熱量輸送方便，可直接建在居民區(qū)內(nèi)。最后，地源熱泵還具有噪聲污染小，對住宅等建筑周圍環(huán)境影響小的優(yōu)點。

2.2.4 應(yīng)用場合廣泛、功能多樣

不管是在北方嚴(yán)寒地區(qū)還是在南方熱帶地區(qū)都可采用地源熱泵系統(tǒng)，一機多用，一套系統(tǒng)即相當(dāng)于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)、供熱鍋爐和生活熱水加熱3套裝置或系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)不僅能夠為辦公樓、學(xué)校、賓館、醫(yī)院、車站、機場、超市、別墅、居民小區(qū)等各種用途的建筑提供供暖和空調(diào)，還可以在夏季免費提供生活熱水，冬季獲得熱水的費用也可節(jié)省一半[5]。此外，還可應(yīng)用于路橋除冰融雪、體育場的草坪加熱等。

2.2.5 運行和維護費用低

地源熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能特點使得它的運行費用低，比其他各種采暖和制冷設(shè)備節(jié)能30%～70%，而且系統(tǒng)的使用壽命在25年以上，折舊費和維修費也大大低于傳統(tǒng)空調(diào)[4]。此外，地源熱泵機械部件少、維護工作量少、系統(tǒng)自控程度高，可實現(xiàn)無人值守。根據(jù)美國地源熱泵協(xié)會的研究，平均維護費用約為傳統(tǒng)系統(tǒng)的三分之一[5]。

2.2.6 能全年滿足溫、濕度要求

地源熱泵系統(tǒng)機組不受外管網(wǎng)的影響，可獨立控制供熱和制冷的時間，能全年滿足溫、濕度要求，特別適合像醫(yī)院這樣有特殊要求的建筑物。

2.2.7 設(shè)計靈活多樣、特性明顯

地源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計上可實現(xiàn)靈活多樣，既可以安裝在新建筑中，也可用于既有建筑的改造。此外，形式上可以利用單一的地源系統(tǒng)，還可以與工業(yè)余熱、太陽能系統(tǒng)、風(fēng)能系統(tǒng)等結(jié)合，成為混合型熱源系統(tǒng)。機房占地更少，可直接利用建筑中現(xiàn)存管路，實現(xiàn)同時供暖和制冷而不需要四管系統(tǒng)。

2.2.8 系統(tǒng)可靠耐用，運行靈活

地源熱泵系統(tǒng)的自動控制水平很高，隨著負(fù)荷及用戶要求，系統(tǒng)變負(fù)荷能力強，易于管理。此外，地源熱泵運行部件相對較少，且都安裝于室內(nèi)或埋于地下，避免了室外與惡劣環(huán)境的直接接觸，機組耐用，系統(tǒng)可靠性高。地下管路壽命可達25～50年，地源熱泵機組本身壽命至少在20年以上[5]。

2.2.9 改善了建筑外觀和造型

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)換熱器須置于室外環(huán)境中，會破壞建筑的外觀，而地源熱泵系統(tǒng)的換熱器埋于地下，且遠離主建筑物，而且地源熱泵系統(tǒng)通常沒有室外壓縮機和冷卻塔，從而改善了建筑外觀和造型。

3 地源熱泵系統(tǒng)推廣應(yīng)用所面臨的問題

3.1 觀念方面

由于傳統(tǒng)空調(diào)和能源利用技術(shù)相對成熟，人們在選擇地源熱泵時擔(dān)心技術(shù)有風(fēng)險，地源熱泵系統(tǒng)的推廣面臨阻力。此外，政府（能源和環(huán)保部門）對地源熱泵的技術(shù)優(yōu)勢、認(rèn)識水平和節(jié)能意識有待提高。從世界各發(fā)達國家?guī)资甑牡卦礋岜冒l(fā)展經(jīng)驗看，只有政府把地源熱泵的應(yīng)用納入節(jié)能減排、能源應(yīng)用、環(huán)境保護政策，當(dāng)?shù)氐碾娏Σ块T能認(rèn)識到地源熱泵對削減電網(wǎng)尖峰負(fù)荷的作用時，地源熱泵才能得到蓬勃發(fā)展[5]。

3.2 環(huán)境影響方面

目前，地下水回灌技術(shù)尚不成熟，勢必影響到地下水熱泵系統(tǒng)的進一步推廣。此外，土壤源熱泵系統(tǒng)因需要鉆井，必然會影響到土壤的熱、濕及鹽分遷移。因此，須做進一步的研究和論證，采取措施減小對環(huán)境的不利影響。

3.3 設(shè)計安裝方面

3.3.1 與其他技術(shù)的配合存在困難

地源熱泵技術(shù)是暖通空調(diào)技術(shù)與鉆井技術(shù)結(jié)合的綜合技術(shù)，兩者缺一不可，這要求工程組織者和工程技術(shù)人員能夠合理協(xié)調(diào)，做好充分的技術(shù)、經(jīng)濟分析[4]。

3.3.2 設(shè)計、安裝不恰當(dāng)

地源熱泵系統(tǒng)往往因為設(shè)計和安裝不恰當(dāng)，導(dǎo)致無法發(fā)揮最大優(yōu)勢，甚至?xí)霈F(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟性能不佳、事故頻發(fā)等情況，這就要求設(shè)計和施工人員必須訓(xùn)練有素，經(jīng)驗豐富。

3.4 經(jīng)濟、效益方面

3.4.1 較高的初始投資

由于鉆井費用可占到整個地源熱泵系統(tǒng)投資的近50%，投資者對于系統(tǒng)的投資回收期認(rèn)識不夠，最終可能會選擇傳統(tǒng)的空調(diào)形式。

3.4.2 較高的安裝維護費用

目前地源熱泵系統(tǒng)的安裝費較高，與電制冷、天然氣加熱系統(tǒng)的1 kW·h 130～270元相比，地源熱泵的1 kW·h 190～310元顯然是高的；它的回收期一般為5～8年[4]。地源熱泵系統(tǒng)的維護較為困難，推廣應(yīng)用會受到影響。

3.5 政策、措施方面

3.5.1 政策、科研和財政方面的支持力度有待提高

無論是研究開發(fā)、技術(shù)咨詢、標(biāo)準(zhǔn)制定、制造安裝，還是人員培訓(xùn)和售后服務(wù)等，政府、科研機構(gòu)和企業(yè)在每個環(huán)節(jié)的支持力度都至關(guān)重要。

3.5.2 缺乏規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，政策和措施有待完善

目前，我國缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計單位通常不會采用地源熱泵技術(shù)，政府在政策導(dǎo)引、激勵和強制措施等方面還需做更多努力。一些成功推廣了地源熱泵技術(shù)的國家采取的激勵辦法和強制措施有：資金補貼、稅收優(yōu)惠、技術(shù)宣傳、咨詢和服務(wù)、電價優(yōu)惠、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范強制等[4]。

3.6 實際應(yīng)用方面

3.6.1 受到地域和土壤特性的限制

土壤特性受地域變化影響大，同一研究成果可能在不同的地方就完全不適用，必須進行修正甚至重新研究。此外，還可能會受到地下水資源的制約。

3.6.2 受到電力資源的影響

地源熱泵主要采用的是電力驅(qū)動的熱泵，當(dāng)?shù)仉娏Y源是否充裕、電力價格是否經(jīng)濟合理等都成為制約其推廣應(yīng)用的一個重要因素。

4 推廣地源熱泵技術(shù)的相關(guān)建議

①從理論和實踐上對地源熱泵技術(shù)（主要包括經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境等方面）進行全面、科學(xué)、權(quán)威的評價和論證，以利于相關(guān)使用決策。②制定鼓勵使用地源熱泵技術(shù)的激勵措施。包括給予研制者科研經(jīng)費補貼，減免可再生能源技術(shù)和設(shè)備提供商營業(yè)稅，給予地源熱泵等新能源技術(shù)使用者減免稅收、貼息貸款等激勵措施。還可嘗試獎勵節(jié)能減排、征收碳排放稅等措施。③在政策上進行合理的制度改革，合理規(guī)劃和安排包括地?zé)崮茉趦?nèi)的可再生能源使用范圍，給予新型可再生能源應(yīng)有的地位。④盡快制定和完善相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，使地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可依。⑤進一步完善理論研究、制造安裝、人員培訓(xùn)、技術(shù)咨詢、售后服務(wù)等方面的體系。⑥對于政府投資工程，可強制使用技術(shù)比較成熟的地源熱泵等新能源技術(shù)。

5 結(jié)束語

發(fā)展地源熱泵技術(shù)是調(diào)整和改變我國能源結(jié)構(gòu)和能源消耗的有效途徑。目前，我國地源熱泵應(yīng)用發(fā)展迅速，隨著相關(guān)技術(shù)和措施的不斷完善，地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用必將為可再生能源的利用進一步開拓新的空間，具有十分廣闊的發(fā)展空間。

[1]Kadir Bakirci.Evaluation of the performance of a groundsource heat-pump system with series GHE(ground heat exchanger)in the cold climate region[J].Energy，2010，35:3088-3096.

[2]申潔.地源熱泵系統(tǒng)的工作原理和特點及應(yīng)用[J].山西建筑，2010（10）：187-188.

[3]蔣能照，劉道平，等.水源地源水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]趙軍，戴傳山.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.