地源熱泵系統的應用與展望

徐 伊 萌

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

0 引言

伴隨我國社會經濟的快速發展，一次能源消耗量急劇增加，我國成為能源消耗量最大的國家。現有建筑物多采用空調設備調節室內空氣環境，易消耗大量能源，對環境造成危害。其中，在夏季制冷季，室內向室外空氣的排熱使得室外溫度持續增高，室外溫度增高又迫使人們加大室內空氣調節系統的功率，繼而向室外排放更多的熱空氣，循環往復，導致了電能的巨大消耗。

應用于建筑環境領域的地源熱泵技術是以大地或水為冷熱源的空調技術，在大地和室內之間“轉移”能量，遵循卡諾定理。需要從外部供給熱泵較小的耗功來維持建筑室內所需要的溫度。確保能源應用的可持續性，提高可再生能源的利用率，對地源熱泵的研究和應用有著重要的意義。本文闡述了國內外地源熱泵的研究現狀，介紹了地源熱泵的三種類型和其原理技術，提出了現有地源熱泵系統的優缺點，分析了地源熱泵目前存在的主要問題，為地源熱泵的應用和發展奠定基礎。

1 地源熱泵的發展歷程與現狀

國外學者和企業對地源熱泵技術進行了較早的研究和應用，國外的相關發展歷程可分為三個階段：1)瑞士人Zoelly早在1912年就提出了利用土壤作為熱泵熱源的設想。一直到二戰結束，地源熱泵才興起研究熱潮，但因為當時能源價格低廉，這一階段并沒有持續太長時間就結束了。2)第二階段是在1973年“能源危機”出現之后，出于需求，歐美國家對于地源熱泵的研究達到高潮。在政府的支持下，美國多所高校和重點實驗室完成了一系列的實驗研究和計算機模擬并形成了現在的地源熱泵的理論基礎。3)第三階段是在20世紀90年代之后，地源熱泵進入了全面應用的新時代，歐美國家全面推廣，地源熱泵成為了家用熱泵的主力。地源熱泵的應用在歐美國家取得了良好的效果并已進入成熟階段，截至2015年，地源熱泵的裝機容量占全球地熱產能的68.3%。

地源熱泵技術在我國的發展歷程呈現出“起步晚、增長快”的特點，2005年后進入了高速發展階段。20世紀80年代以來，隨著改革開放后經濟發展帶動的建筑產業高速發展，建筑能耗增加，亟需尋找可再生能源以減輕傳統石化能源消耗引起的環境污染問題，國內相關高校和企業開始關注地源熱泵技術。20世紀90年代，北京、上海、天津、重慶、山東等地高校研究人員對土壤源熱泵進行理論和實驗研究，論證了地源熱泵技術在我國實施的適宜性，是地源熱泵推廣應用的重要依據。90年代中后期，地源熱泵技術開始大規模應用于國內的公共建筑和居住建筑。2005年起，我國《可再生能源法》頒布實施，國家提出了“十一五”期間節能降耗和污染減排的具體目標，國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》頒布實施，2008年國務院發布《公共機構節能條例》和《民用建筑節能條例》[1]，這些國家政策、法律、規范的實施，大力促進了地熱能源技術尤其是地源熱泵技術在建筑領域的推廣與應用。截至2014年年底，全國地源熱泵總利用面積約3.6億m2，2010年以來的年平均增長率達28%。2016年國家能源局發布的《國家能源發展“十三五”規劃》目標中，“2020年地熱能利用規模達到7 000萬t標煤以上”[2]。

2 地源熱泵的分類

目前，應用于建筑環境領域的地源熱泵技術是熱泵的一種，遵循卡諾定理，是以大地或水為冷熱源對建筑物進行室內溫度調節的空調技術，地源熱泵系統在大地和室內之間“轉移”能量。需要從外部供給熱泵較小的耗功來維持建筑室內所需要的溫度。地源熱泵可分為地表水源熱泵、地下水源熱泵和土壤源熱泵三種類型。在一次2004年的調查數據中顯示：地下水源熱泵所占比例為65.06%、土壤源熱泵占30.12%、地表水源熱泵占4.82%。近些年來，隨著土壤源熱泵的飛速發展，其所占比例日漸升高。

2.1 地表水源熱泵

地表水源熱泵機組通過布置在水底的閉合換熱系統與江河、湖泊、海水等進行冷熱交換[3]。按照熱交換的原理，地表水源熱泵系統可以分為閉路、開路系統兩種形式。開路式系統在熱交換過程中地表水進入熱泵設備內部，因此開路式系統對地表水水質要求較高。閉路式系統不同于開路式系統，熱交換過程中避免了地表水與熱泵設備的直接接觸。在大連、青島等城市均有采用海水源熱泵的建筑投入實際運行中并在不斷探索研究中。不僅在建筑行業，交通、石油等行業也紛紛投入水源熱泵的建設應用中。但這種地表水源熱泵系統應用時受到自然條件的限制，寒冷地區一般只采用閉路系統，在冬季北方地區應用時需進行防凍處理[3]。而我國南方地區氣候溫暖，擁有眾多江河湖泊，為推廣地表水源熱泵提供便利。相比于其他兩種熱泵類型，地表水源熱泵的研究較少。

2.2 地下水源熱泵

地下水源熱泵系統從水井或廢棄的礦井中抽取地下水作為熱源，利用熱泵技術，輸入少量高位電能，實現冷熱量由低熱能向高位能的轉化，從而達到為用戶供熱或供冷的目的[4]。地下水源熱泵系統在使用時具有一定局限性，適合于地下水資源充沛的地區，并且要得到當地資源管理部門的允許才可以合理開采利用地下水。近幾年，地下水的水質處理及地下水的回灌技術成為研究的主要內容，一些城市專門成立了專家組來攻克有關地下水的研究課題。我國地下水源熱泵發展出現了地下水質惡化和地下水超量開采的嚴峻問題，雖然地下水源熱泵并不是導致這個問題的主要原因，但也會加深這個問題的嚴重性。地下水作為珍貴的水資源，應當得到保護和儲存，所以地下水源熱泵具有很大的限制性。

2.3 土壤源熱泵

土壤源熱泵利用了地下土壤溫度的穩定性這一特點。10 m以下的土壤溫度全年保持在12 ℃～20 ℃的恒溫，相對于地上溫度變化幅度小。土壤源熱泵除了室外管路系統，還有熱泵工質循環系統和室內空調管路系統為主要組成部分。它的工作原理是：冬天，從地下土壤吸取熱量輸送到地上為用戶進行供暖；夏天，吸收室內熱量輸送到地下再釋放到土壤中，這樣可以保證土壤溫度保持平衡，減小對地下土壤的破壞程度，也避免了污染室外空氣。

土壤源熱泵有水平埋管、垂直埋管和螺旋型埋管三種埋管方式。水平埋管形式適用于有足夠空間的場所，埋管深度在1.2 m～3 m之間，采用單層或多層串、并聯水平平鋪埋管方式，水平埋管安裝方便、投入低，但相對來說它的應用效果差，不僅占用面積大還會在很大程度上受到地面溫度的影響。垂直埋管形式適用于10 m～100 m深度的U形垂直埋管或套管，該類型占地面積小，地下溫度穩定不易受影響，熱泵效果運行良好，但初投資過高[5]。螺旋型埋管結合了水平埋管和垂直埋管的優勢，解決了占地面積大和造價高的問題，但螺旋型埋管結構復雜，不易施工，后期維護困難，且系統運行阻力大。

3 地源熱泵的特點

3.1 地源熱泵的優點

1)充分利用可再生能源。地源熱泵技術是一種理想的綠色技術，利用的是地球表面淺層地熱資源。地表淺層資源采集了47%的太陽能，遠遠多于人類每年實際應用的能量。地源熱泵技術符合政策上可持續發展的趨勢。2)節能效率高。地源熱泵的COP(Coefficient of Performance)值達到了4以上，也就是說消耗1 kW·h的能量，用戶可得到4 kW·h以上的熱量或冷量。3)維護費用低。地源熱泵系統安裝在地下，不受室外環境的影響，后期維護費用低，且自動控制程度高，無需專人值守，可遠程操控。4)環境污染小。地源熱泵的利用避免了燃燒各類不可再生能源，因此也不會向室外釋放各類有害氣體，減輕了對環境的污染，提升了空氣質量指數。

3.2 地源熱泵的局限

1)初期投資高。地源熱泵的初期投入較高，后期回收利益周期較長，“高投資、慢回報”投資會使許多公司望而卻步，這不利于地源熱泵的推廣應用。

2)地源熱泵從設計到施工都有較高要求，雖然現在做暖通的公司很多，但是真正擁有專業地源熱泵安裝施工技術的公司并不多。而地源熱泵的安裝需要有專業的技術人員參與其中。

3)負責后期運行維護的技術人員水平亟需提高。后期維護地源熱泵系統的管理人員水平有限，并沒有相應的學歷和知識儲備，對地源熱泵投入實際應用后的觀察改善無實際作用。地源熱泵的操控還需引進高技術水平人員，這才有利于地源熱泵系統后期的維護和實驗研究。

4 結語

隨著能源應用結構的迫切改革需求，對石化能源的應用將會逐漸減小，而清潔的可再生能源將會成為未來發展的主流。地源熱泵擁有的眾多優點非常適合應用于新的能源結構中。地源熱泵系統存在一定局限性和可發展性，可把地源熱泵系統與其他類型的熱泵系統結合起來，如太陽能—地源熱泵耦合系統，結合兩類系統的優點，摒棄缺點，優化系統，形成更高效、節能和經濟的熱泵系統。此外，地源熱泵的推廣還需國家和政府的支持，讓更多的人了解地源熱泵，更多的科研院所和企業投入地源熱泵的研究與應用開發。綜上所述，地源熱泵系統還有巨大的發展空間和發展前景，發展地源熱泵也是勢在必得的事情，地源熱泵技術的完善也有利于節能減排和環境可持續發展。

[1] 陳 俊.淺述淺層地熱能的應用和發展前景[J].中國水運月刊,2013(2):196.

[2] 楊 揚,張潔明,王曉晨,等.淺析我國地源熱泵現狀與發展前景[J].區域供熱,2017(1):120-123.

[3] 徐 偉,劉志堅.中國地源熱泵技術發展與展望[J].建筑科學,2013,29(10):26-33.

[4] 仉安娜,唐遠明.環保節能地源熱泵技術應用研究[J].環境保護與循環經濟,2008,28(12):34-37.

[5] 楊衛波,董 華.土壤源熱泵系統國內外研究狀況及其發展前景[J].建筑熱能通風空調,2003,22(3):52-55.