秦鐵正 賈湛 彭津琴

一、地源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介[1][2]

地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。它是利用水源熱泵的一種形式，即利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來(lái)作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來(lái)，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來(lái)，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地能為“冷源”。地源熱泵機(jī)組的能量流動(dòng)是利用其所消耗的能量 （如電能）將吸取的全部熱能（即電能+吸收的熱能）一起排輸至高溫?zé)嵩?。而其所耗能量的作用是使制冷劑（如R22）壓縮至高溫高壓狀態(tài)，從而達(dá)到吸收低溫?zé)嵩粗袩崮艿淖饔?。通常地源熱泵消?kW的能量，用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上冷量。

地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。

室外地能換熱系統(tǒng)按照室外換熱方式不同可分為三類：其一為土壤埋盤管系統(tǒng)，其二為地下水系統(tǒng)，其三為地表水系統(tǒng)。又可根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng)分為閉環(huán)（如垂直埋管方式、水平埋管方式、地表水安置換熱器方式。）和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)（如抽取地下水或地表水方式）。水源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。

地源熱泵機(jī)組裝置主要有：壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥四部分組成，其工作原理是：由電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使工質(zhì)（如R22）循環(huán)運(yùn)動(dòng)反復(fù)發(fā)生物理相變過(guò)程，分別在蒸發(fā)器中氣化吸熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過(guò)閥門切換使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱（或制冷）功能。見(jiàn)圖1。

圖1 地源熱泵工作原理圖

在目前我國(guó)利用較多的是水源熱泵，就是以地下水作為冷熱"源體"，冬季利用熱泵吸收其熱量向建筑物供暖，在夏季熱泵將吸收到的熱量向其排放、實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物供冷。夏季制冷原理如圖2所示，冬季供熱原理如圖3所示。

圖2 夏季供冷原理圖

圖3 冬季供熱原理圖

與傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)需要很多輔助系統(tǒng)或設(shè)備來(lái)完成一個(gè)完整的暖通空調(diào)功能，如冷卻塔等。而水源熱泵系統(tǒng)只是通過(guò)與地下水的熱交換來(lái)完成制冷或制熱的效果。只應(yīng)用一個(gè)硬件系統(tǒng)，通過(guò)在不同季節(jié)進(jìn)行冷凝器和蒸發(fā)器的轉(zhuǎn)換，就可以完成制冷與制熱功能的轉(zhuǎn)換。而且它無(wú)須任何人工資源，徹底取代了鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。

二、地源熱泵技術(shù)發(fā)展[1]

“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)。80年代初開(kāi)始，美國(guó)、加拿大開(kāi)展了冷暖聯(lián)供地源熱泵方面的研究工作，上世紀(jì)80年代后期，地源熱泵技術(shù)發(fā)展趨于成熟，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(lái)越重視環(huán)境的影響問(wèn)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(guò)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)。從地源熱泵應(yīng)用情況來(lái)看，北歐國(guó)家主要偏重于冬季采暖，而美國(guó)則注重冬夏聯(lián)供。

在我國(guó)，對(duì)地源熱泵的研究起始于50年代，1965年天津大學(xué)研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。1998年是我國(guó)在該領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，從這一年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)數(shù)家大學(xué)紛紛建立了地源熱泵的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)也相繼成立了一些專門的生產(chǎn)廠家，開(kāi)始批量生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品。近年來(lái)該項(xiàng)技術(shù)成了國(guó)內(nèi)建筑節(jié)能及暖通空調(diào)界熱門的研究課題，并開(kāi)始大量應(yīng)用于工程實(shí)踐，與此相關(guān)的熱泵產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，掀起了一股“地?zé)峥照{(diào)”的熱潮。在工程應(yīng)用方面，地下水地源熱泵系統(tǒng)數(shù)量最多，應(yīng)用范圍最廣，主要采用“異井抽灌”和“單井抽灌”技術(shù)?！暗谌龑?010中日熱泵與蓄熱技術(shù)交流會(huì)”信息披露，我國(guó)地源熱泵應(yīng)用情況呈逐年上升趨勢(shì)，截止2009年，我國(guó)地源熱泵使用總面積已達(dá)1.39億平方米，市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品銷售總額已超過(guò)16億人民幣。并且市場(chǎng)份額也正逐年從外資品牌占有大量市場(chǎng)份額向國(guó)有自主品牌漸成主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。

三、地源熱泵技術(shù)性能特點(diǎn)[2]

在地源熱泵（變頻空調(diào)中央機(jī)組）項(xiàng)目的工程咨詢服務(wù)的過(guò)程中，我們對(duì)天津大學(xué)熱能與制冷工程技術(shù)中心以及對(duì)其地源熱泵技術(shù)應(yīng)用典型工程（津薊高速公路起點(diǎn)收費(fèi)站閉式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、建筑面積3.2萬(wàn)平米的天津海泰科技樓鑿井開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)、建筑面積9萬(wàn)平米的天津萬(wàn)順商務(wù)樓地?zé)嶂惫┙Y(jié)合尾水再利用的熱泵供熱系統(tǒng)等工程）進(jìn)行了深入的考察和調(diào)研，歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地源熱泵的應(yīng)用可以根據(jù)每個(gè)工程個(gè)體的基礎(chǔ)條件不同而選擇不同系統(tǒng)類型，但所有地源熱泵系統(tǒng)均體現(xiàn)了如下技術(shù)性能特點(diǎn)：

1、可再生能源利用

地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)能量，這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無(wú)限的可再生能源，使得地能成為清潔的可再生能源一種形式。地源熱泵正是利用地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400米深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。

2、經(jīng)濟(jì)有效節(jié)能

地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%，因此可以節(jié)能并節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶30～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá) 3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50～60%。

3、環(huán)境效益顯著

地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中沒(méi)有燃燒，因此不可能產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣。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)合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會(huì)更明顯。

4、一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣

地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。

5、節(jié)水

以水為載體吸收或向其釋放熱量，從而達(dá)到供暖或制冷的作用。既不消耗水資源，也不對(duì)其造成污染。

6、系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低

在同等條件下，采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物能夠減少維護(hù)費(fèi)用。地源熱泵非常耐用，它的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi)，從而避免了室外的惡劣氣候，其地下部分可保證50年，地上部分可保證30年，因此地源熱泵是免維護(hù)空調(diào)，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用，使用戶的投資在3年左右即可收回。此外，機(jī)組使用壽命長(zhǎng)，均在15年以上；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間；自動(dòng)控制程度高，可無(wú)人值守。

當(dāng)然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會(huì)受到當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的制約。實(shí)際上地源熱泵并不需要開(kāi)采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生污染。

綜上，地源熱泵上述優(yōu)異的技術(shù)性能特點(diǎn)，使其具備了成為節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有效手段的卓越潛質(zhì)。

四、地源熱泵發(fā)展前景廣闊

（一）我國(guó)適宜發(fā)展地源熱泵[3]

我國(guó)國(guó)土面積巨大，從北到南可劃分為五個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)，其中對(duì)冷熱量都有需求的地區(qū)占絕大部分；同時(shí)中國(guó)淺層地表能量蘊(yùn)藏豐富，適宜大力發(fā)展地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)。據(jù)專家測(cè)算，目前我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為5．08億千瓦，百米內(nèi)地下水每年可采集的低溫能量約為2．2×108千瓦，相當(dāng)于其43%，近百米內(nèi)的土壤每年可采集的低溫能量相當(dāng)于1.5×1012千瓦，則是其2950倍，故而利用淺層地能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)有著相當(dāng)大的市場(chǎng)發(fā)展空間。

（二）鼓勵(lì)發(fā)展的政策背景為地源熱泵的發(fā)展助力、加油

地源熱泵作為一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能技術(shù)受到世界各國(guó)政府的重視，紛紛出臺(tái)扶持政策促進(jìn)其發(fā)展。我國(guó)也是如此。《中國(guó)人民共和國(guó)可再生能源法》、《節(jié)約能源法》對(duì)建筑節(jié)能提出了新要求；《建設(shè)部、財(cái)政部關(guān)于推進(jìn)可再生能源在建筑中應(yīng)用的實(shí)施意見(jiàn)》和《可再生能源建筑應(yīng)用專項(xiàng)資金治理暫行辦法》明確要加強(qiáng)對(duì)混合能源技術(shù)、熱泵技術(shù)等的應(yīng)用研究；《建筑節(jié)能治理?xiàng)l例》也明確提出要大力推廣和普及地源熱泵技術(shù)；《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2011年本）》進(jìn)一步明確“地?zé)崮芾眉夹g(shù)開(kāi)發(fā)與設(shè)備制造”是新能源的鼓勵(lì)類；北京、沈陽(yáng)等數(shù)十個(gè)省市還相繼出臺(tái)了地方關(guān)于建筑中采用地源熱泵技術(shù)的補(bǔ)貼政策。一系列相關(guān)法律及鼓勵(lì)扶政策的出臺(tái)，為地源熱泵發(fā)展?fàn)I造了良好的政策環(huán)境，業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，在國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的政策背景下，地源熱泵技術(shù)將迎來(lái)難能可貴的發(fā)展機(jī)遇，將進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

（三）地源熱泵應(yīng)用前景廣闊[4]

建筑，被公認(rèn)為現(xiàn)今全球能耗大戶，節(jié)能建筑將成為未來(lái)全球普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，我國(guó)城鄉(xiāng)既有建筑總面積約400億平方米，其中城鎮(zhèn)約為160億平方米，在城鎮(zhèn)中居住建筑面積約為105億平方米，其中能達(dá)到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的僅占5%，其余95%都是未來(lái)需要陸續(xù)進(jìn)行節(jié)能改造的高能耗建筑；同時(shí)，我國(guó)每年新增房屋建筑面積約20億平方米，預(yù)計(jì)到2020年底，我國(guó)新增的房屋面積將近300億平方米，新增城鎮(zhèn)民用建筑面積將為100億～150億平方米。第七屆“中外綠色人居論壇”披露，早在2009年，建筑能耗已經(jīng)占到中國(guó)社會(huì)總能耗的30%，是世界同緯度國(guó)家的3倍之多！而在建筑能耗中制冷、采暖等消耗的能源又是建筑能耗中的大戶（一般中央空調(diào)能耗占整個(gè)建筑總能耗的50%，商場(chǎng)和綜合大樓更是達(dá)到60%以上）。因此，降低建筑能耗中采暖、制冷的能耗是降低建筑能耗的一個(gè)必須解決的問(wèn)題。地源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)的供熱空調(diào)系統(tǒng)相比大約節(jié)能50%，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無(wú)污染的既可供暖又可制冷的新型空調(diào)系統(tǒng)，如果全國(guó)每年在1億平方米建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)，則每個(gè)采暖季可替代374萬(wàn)噸左右標(biāo)煤，或25億立方米左右天然氣，削減約6.4萬(wàn)噸氮氧化物、933萬(wàn)噸二氧化碳、約16萬(wàn)噸顆粒物的排放。因此，發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)是我國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展的需要,是地源熱泵最大的應(yīng)用潛力市場(chǎng)和地源熱泵市場(chǎng)將呈現(xiàn)蓬勃興盛局面的必然性的所在。

總之，建筑節(jié)能的發(fā)展，為地源熱泵應(yīng)用提供廣闊的用武空間，業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)規(guī)模將比目前增長(zhǎng)5～8倍。我們堅(jiān)信，在倡導(dǎo)節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的今天和未來(lái)，有著高效、節(jié)能、低碳、環(huán)保等卓越性能的地源熱泵將大有作為，發(fā)展前景廣闊。

1.地源熱泵--建筑節(jié)能新技術(shù) 作者：刁乃仁，方肇洪.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004，23(3）：18-23

2.地源熱泵供暖空調(diào)的綠色技術(shù) 作者：張峰珠?

3、地源熱泵在中國(guó)[C].作者：殷平.現(xiàn)代空調(diào)(3）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001：1-8

4、地源熱泵應(yīng)用前景廣闊 作者：徐偉、張時(shí)聰中國(guó)建設(shè)報(bào)