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浅析地源热泵技术的应用前景 摘 要 论述了地源热泵系统的基本原理和形式，对不同形式的系统优缺点进行分析。地源热泵作为一种供热及空调可再生节能技术，在国内外发展很快，对目前国内地源热泵技术应用推广情况进行分析，最后给出结论并提出建议。关键词：热泵 地源热泵 发展障碍一、概述随着全球性能源危机的加剧和环境的恶化，节能和环保成为世界各国发展的主题。可再生能源的利用与开发受到了广泛的重视。同时由于经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。统计数据表明，中国建筑能耗的总量逐年上升，在能源消费总量中所占的比例已从上世纪70年代末的10%，上升到近年的27.8%。而建筑最大的耗能点是采暖和空调，我国在采暖和空调上的能耗占建筑总能耗的55%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2, NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调技术。二、地源热泵技术介绍2.1 热泵的定义及原理在我国采暖通风与空气调节术语标准（GB50155-92）中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”；在新国际制冷词典（New International Dictionary of Refrigeration）中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上是与制冷机相同的，热泵（制冷机）是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置，它们的区别只是运行工况不同。其工作原理是：由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（Coefficient of Performance）。2.2 地（水）源热泵机组的工作原理是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。图1 地源（地埋管）热泵工作原理图2.3地源热泵与空气源热泵比较空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖；其性能系数（COP）一般在23。空气源热泵系统简单，初投资较低。空气源（风冷）热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和风冷热泵冷热水机组。空气源热泵的主要缺点是在夏季高温制冷和冬季寒冷天气制热时效率大大降低。此外，其所必需的室外机或冷却塔对建筑物有一定的影响。空气源热泵的制热量随室外空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热。而且，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。空气源热泵不适用于寒冷地区，在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区，已得到相当广泛的应用。三、地源热泵系统的分类及其优缺点3.1地下水源热泵系统(Ground water heat pumps, GWHPs)，地下水源热泵系统也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统，通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。其最大优点是非常经济，占地面积小，但要注意打井区域必须符合下列条件：1.水质良好；2.水量丰富；3.回灌可靠；4.符合标准。图2 地下水源热泵系统示意图3.2地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumps，GCHPs）。地下耦合热泵系统也称埋管式土壤源热泵系统，还有另外一个术语叫Ground heat exchanger，即地下热交换器地源热泵系统。这一闭式系统方式，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。3.2.1 水平埋管地源热泵系统（Horizontal ground-coupled heat pump）对于水平式埋管系统，其优点有：安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握，其缺点有：占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。图3.1 串联式水平埋管示意图 图3.2 并联式水平埋管示意图3.2.2 垂直埋管地源热泵系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump）对于垂直式埋管系统，其优点有：较小的土地占用，管路及水泵用电少；其缺点是钻井费用较高；垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：桩基换热器（或叫做能量桩，Energy Piles），即在桩基里布设换热管道。图3.3 垂直埋管示意图3.3 螺旋埋管地源热泵系统（slinky ground-coupled heat pump）3.3.1长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统图3.4长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统示意3.3.2长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统）图3.5长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统示意3.3.3螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫：沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。图3.6沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统示意3.2 地表水热泵系统（Surface-water heat pumps, SWHPs）通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。归属于水源热泵方式。其优点有：在10米或更深的湖中，可提供10的湖水直接制冷，比地下埋管系统投资要小，水泵能耗较低，高可靠性，低维修要求、低运行费用，在温暖地区，湖水可做热源。其缺点有：在浅水湖中，盘管容易被破坏，由于水温变化较大，会降低机组的效率。图3.7地表水直接抽取示意图 3.8地表水间接换热示意2.4单井换热热井(Standing column well heat pumps,SCW)也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为热井。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。该系统适用于岩石地质地区，该地区岩石钻孔费用高，而与岩石直接换热，大大提高换热效率，节省钻孔、埋管费用。须得注意分析具体地质情况，做好隔热、封闭、过滤、实际换热量测算等具体工作。3.9单井换热热井示意图四、中国地源热泵发展存在的障碍4.1政府政策支持与财政补贴稍显薄弱地源热泵是一项节能环保的技术体系，但目前来讲在房地产应用推广中投资还是相对较高，开发商不愿意在自己的系统中使用这种技术，政府在政策上的支持力度还是稍显单薄，鼓励与补贴政策也还不很明确。建议应象国外机构一样对此类系统设立专项基金给予支持。地源热泵的市场需要政府从可持续发展的角度，综合能源、环保和资源等各个方面的考虑，调整政策，促使其健康有序的发展。4.2对地源热泵系统研发还不够深入地源热泵作为一种新的科学技术，目前在国家标准规范、宣传材料、系统图集方面还有所欠缺，同时在科研上还有一些问题没有取得突破。比如：土壤源地源热泵系统的地下温度场的计算方法不统一；海水源地源热泵系统海水取水口的设置；地下水地源热泵的地下管井的设计与施工、水源的探测开采、供水过滤、水质防腐处理、取水回灌的成套技术等问题都还没有较好的解决方法；对于已经完成并且运行的地源热泵系统，对其能效性能缺乏正确的评估体系也是影响其正常发展的原因之一。“十一五”国家科技支撑计划项目中对地源热泵系统拟解决的问题有：地下水地源热泵采用抽水和回灌方式对地下生态环境的影响；地下水地源热泵的成井技术和取水技术与回灌技术，维护与保养技术，取水温度的计算方法研究;采用土壤源地源热泵的地下水文地质条件；不同的布孔密度对应的不同综合传热系数的计算方法；地源热泵系统的评估指标体系；污水、海水源地源热泵的取水设备开发，污水换热技术及专用换热器开发等。4.3国内地源热泵产品质量问题国内地源热泵产品生产商的产品型号不全，可靠性不高。目前国内生产水一水热泵的厂家已经超过20个，但是产品的性能和质量令人担忧。大部水一水热泵产品未进行正确、严格的设计计算，也未经过权威机构的检测，因此产品的性能与产品样本差异较大，导致工程失败的例子屡见不鲜。国产水一水热泵的质量亟待提高，产品规格、型号、性能参数各异，难以评价。且目前国内用于地源热泵系统的产品规格型号较少，难以满足工程的需要。4.4缺乏必要的宣传推广活动已经成熟的技术没有得到及时广泛的推广和普及，也给此项技术的应用造成了一些障碍。地源热泵工程设计作为一项技术含量较高的技术，目前仅掌握在少数科研单位手中，各大设计院的设计人员还没有完全掌握。地源热泵的推广应用，目前缺乏各个专业、各个领域人们的共同配合，缺少从政府政策、主机设计制造、系统的设计和运行管理等各个方面的共同参与。4.5中国地源热泵的市场潜力和发展趋势目前，我国城乡共有建筑总面积约400亿m2，其中城镇约为160亿m2，在城镇中居住建筑面积约为105亿m2，其中能达到建筑节能标准的仅占5%，其余95%都是未来需要陆续进行节能改造的高能耗建筑；同时，我国每年新增房屋建筑面积约20亿m2，预计到2020年底，我国新增的房屋面积将近300亿m2，新增城镇民用建筑面积将为100一150亿m2。随着人民生活水平提高，我国采暖线也将逐步南移，采暖面积会逐步增大，新建建筑将有70亿m2以上需要供暖。据专家测算，目前我国发电装机容量为5.08亿kW，百米内地下水每年可采集的低温能量约为22108kW，相当于其43%，近百米内的土壤每年可采集的低温能量相当于1.51012kW，则是其2950倍，浅层地能的应用仍然有相当大的市场发展空间。如果全国每年在1亿m2建筑中推广应用地源热泵系统供暖空调，则每个采暖季可替代374万吨左右标煤，或25亿m3左右天然气，削减约6.4万吨氮氧化物、933万吨二氧化碳约16万吨颗粒物的排放。基于此种情况，建设部提出，在“十一五”期间，推广浅层地能使其使用面积达到2.4亿m2。为了顺应国家大力发展可再生能源的号召，当前政府、技术研究、工程设计与安装以及设备制造商等部门应共同努力做好以下几方面工作：建议国家建立专项基金，鼓励地源热泵的推广应用;调查现有的地源热泵工程，总结经验；收集现有的用于地源热泵的全国水文地质资料，建立基本资料库;建立专业的地源热泵用管井设计和施工队伍，完善地埋管换热器的安装和施工队伍，适当时候建立专项设计施工资质管理制度；开展国家级和城市级的地源热泵(海水源、污水源、余热热源)工程示范，以得到正确可靠的技术数据，指导工程设计、安装和运行，然后开发适合国情、因地制宜的地源热泵机组，完善产品系列和规格；加强政府对地源热泵工程的质量监管，防止一哄而起，杜绝假冒伪劣，保证地源热泵在建筑中应用中健康发展；开发地源热泵和其它能源互相补充的技术体系，拓宽其发展方向。参考文献1.地源热泵系统工程技术规范 GB50366-20052.地源热泵应用的技术分析与思考天津城市建设学院学报 第8卷 第2期 2002.6 作者：颜爱斌4.地源热泵系统设计与应用马最良，吕悦 主编 2007年3.克莱门特地源热泵机组样本2008年作者简介：