李 瓊

隨著經(jīng)濟(jì)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(diào)工業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)的中央空調(diào)系統(tǒng)不斷的出現(xiàn)，空調(diào)在現(xiàn)代建筑中扮演著越來越重要的角色。近年來，隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作的不斷深入，地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入我國(guó)，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(yùn)用得到了空調(diào)界人士的認(rèn)可和推崇。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局已經(jīng)宣布，地源熱泵系統(tǒng)是目前可使用的對(duì)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(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，使其進(jìn)行汽—液轉(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過冷媒—空氣熱交換器，以冷風(fēng)的形式為房供冷;在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，并通過四通閥將冷媒流動(dòng)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(shí)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(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)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(shù)的提出始于英、美兩國(guó)。

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

20世紀(jì)50年代，歐洲開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當(dāng)時(shí)的能源價(jià)格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因而未得到推廣。直到20世紀(jì)70年代初世界上出現(xiàn)了第一次能源危機(jī)，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(shí)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?yàn)榈卦礋岜脤＜也欢惭b技術(shù)，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(jìn)步，關(guān)于能源消耗和環(huán)境污染的法律制訂越來越嚴(yán)格，地源熱泵的發(fā)展迎來了它的另一次高潮。歐洲國(guó)家以瑞士、瑞典和奧地利等國(guó)家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術(shù)。政府采取了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策和保護(hù)政策，使得地源熱泵生產(chǎn)和使用范圍迅速擴(kuò)大。20世紀(jì)80年代后期，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，更多的科學(xué)家致力于地下系統(tǒng)的研究，努力提高熱吸收和熱傳導(dǎo)效率，同時(shí)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(shì)，瑞士和瑞典的年遞增率超過10%。美國(guó)的地源熱泵生產(chǎn)和推廣速度很快，技術(shù)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(hào)大國(guó)。

國(guó)家建設(shè)部在《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中專門作了推薦。從2006年開始，國(guó)家分別將三個(gè)城市作為地源熱泵試點(diǎn)城市，分別是北京、天津、沈陽，大力發(fā)展地源熱泵。國(guó)家努力引導(dǎo)發(fā)展地源熱泵，國(guó)家的一些政府部門的建筑，學(xué)校，醫(yī)院等都進(jìn)行了地源熱泵改造。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，供熱和空調(diào)的能耗可占到社會(huì)總能耗的25%～30%。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)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(yīng)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(guó)政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)的供熱已經(jīng)歷了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在又進(jìn)一步禁止在城鎮(zhèn)建設(shè)中小型燃煤鍋爐房，體現(xiàn)了政府對(duì)保護(hù)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(diào)新技術(shù)。

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(jī)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?xì)w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(gè)術(shù)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(zhì)(通常為水或者是加入防凍劑的水)作為熱載體，使中間介質(zhì)在埋于土壤內(nèi)部的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土壤進(jìn)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(kù)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(guó)外常稱為“熱井”。這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護(hù)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(shè)施。熱泵機(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一部分在地下水位以下進(jìn)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(jī)組供水。這一方式主要應(yīng)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(shí)，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(jī)的做功和使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，即將土壤中的熱量“搬運(yùn)”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(dá)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(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(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，制冷劑泄漏幾率大為減少。該裝置的運(yùn)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(shù)

地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400 m深)作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層是一個(gè)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(chǔ)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(yùn)行費(fèi)用

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

3.2.5 應(yīng)用靈活、安全可靠、用途廣泛

靈活性強(qiáng)，可用于新建工程或擴(kuò)建、改建工程，可逐步分期施工，熱泵機(jī)組可靈活地安置在任何地方，節(jié)約空間。無儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等衛(wèi)生及安全隱患。從嚴(yán)寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用?？蔀楦黝惤ㄖ锾峁├渑瘍捎每照{(diào)系統(tǒng)，同時(shí)提供生活熱水。

4 結(jié)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(diào)”，被認(rèn)為是目前可使用的對(duì)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(yán)寒地區(qū)或熱帶地區(qū)均可應(yīng)用，可廣闊應(yīng)用在辦公樓、賓館、學(xué)校、宿舍、醫(yī)院、飯店、商場(chǎng)、別墅、住宅等領(lǐng)域。

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