地源热泵的特点及发展前景

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　近年来，随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的要求。空调作为目前改善建筑热舒适条件的工具，早已悄悄进入我们的生活。据有关方面调查，在上海空调家庭拥有率已达到平均1台以上。然而，随着空调设备的日益普及，建筑耗能量势必将迅猛增加，对大气环境的污染也将日趋严重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，减轻对大气环境的污染，成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。现阶段，在保证使用功能不降低的情况下，我们应采取各种有效的技术和管理措施，把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来，对原有建筑物有计划地进行节能改造，达到节省能源、保护环境和提高人民生活质量的目的[1].地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。它是利用地下相对稳定的土壤温度，通过媒介质来获取土壤内冷（热）能量的新型装置，可一年四季方便地调节建筑内的温度。由于该制冷供热方式不存在能量形式的转换，几乎是一种能量的“搬运”过程，因而其能量转换效率高、运营成本低[2~4].

　　同时，地源热泵系统也为改善夏热冬冷地区建筑热条件这个世界性难题提供了很好的解决办法[5].夏热冬冷地区，其七月气温比同纬度其他地区一般高出2℃左右，是在这个纬度范围内除沙漠干旱地区以外最炎热的地区；再加上这个地区水网地带多，十分潮湿，湿度常保持在80%左右，由于人体排汗难以挥发，普遍感到闷热难受。而一月的气温比同纬度其他地区一般要低8—10℃，而且湿度又高，达到73%～83%[6]；这期间日照相对又较少，潮湿水汽从人体中吸收热量，因而阴冷寒凉。然而由于长江中下游地区是传统上的非采暖地区，居住建筑缺乏节能设计标准，建筑围护结构的保温隔热性能要比采暖地区差得多；夏季通常采用风冷空调来供冷，冬天人们往往又借助于高位能的电来采暖。因此，该地区的能量使用效率相当低。考虑到该地区夏季供冷天数和冬季供热天数相当，地源热泵系统可以充分发挥地下蓄能的特点，进行能量季节迁移，用最少的能耗获得最大的受益。

　　1、地源热泵的分类及其各自特点地源热泵在国内也被称为地热泵

　　根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类[7，8]：土壤源热泵或称土壤耦合热泵（GCHP），地下水热泵（GWHP），地表水热泵（SWHP）。

　　1.1 土壤源热泵

　　土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水或热泵机组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。

　　垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层（<30m），中层（30～100m）和深层（>100m）三种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：（1）占地面积小；（2）土壤的温度和热特性变化小；（3）需要的管材最少，泵耗能低；（4）能效比很高。而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。

　　水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易找，又加上许多家庭有足够大的施工场地，因此造价就可以减下来。除需要较大场地外，水平埋管换热器系统的劣势还在于：运行性能上不稳定（由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化）；泵耗能较高；系统效率降低。

　　蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%～30%，但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所以有的文献将其归入水平埋管换热器。

　　1.2 地下水热泵系统

　　在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用，主要应用在商业建筑中。最常用的系统形式是采用水—水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统，即将地下水经过板式换热器后直接排放。这样做，一则浪费地下水资源，二则容易造成地层塌陷，引起地质灾害。于是产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不占什么场地，技术也相对比较成熟，水井承包商也容易找。其劣势就在于：1.有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；2.可供的地下水有限；3.如水质不好或打井不合格要注意水处理；4.如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。

　　1.3 地表水热泵系统

　　地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低，制冷或供热能力降低的后果。

　　图1 地源热泵的分类

　　2 地源热泵在国外的发展[9]“地源热泵”的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利报告中，该技术的提出始于英、美两国。1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。但是受当时工业时代的影响，这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术、理论上都没有太大的发展。

　　上世纪70年代初期，由于石油危机的出现和环境的恶化，引发了人们对新能源的开发和利用，因而地源热泵以其节能的特点开始受到重视。这时，北欧国家的科技工作者开始了地源热泵的实际应用研究与开发，并得到了国家政府的大力支持。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家政府资助的示范工程逐步建立起来，地源热泵生产技术逐步完善。从系统技术来说，此期的地下热传导体系大多数采用的是地下水直接利用方式，要求有一定的水温，而且技术相对粗糙，甚至没有回灌井。70年代后期，瑞典科学家开始研究地下开放式的循环采热系统。

　　上世纪80年代是地源热泵技术飞速发展的时期。这一时期，美国的地源热泵生产厂家十分活跃，成立了全国地源热泵生产商联合会，并逐步完善了安装工程网络。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地源热泵供暖和制冷技术，国家政府采取了相应的补贴政策和保护政策，使得地源热泵生产和使用范围迅速扩大。

　　上世纪80年代后期，地源热泵技术已经臻于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10%.此期美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞跃性的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。

　　上世纪90年代以来，欧美国家的科技工作者的联系更加密切，共同对地源热泵有关的环境问题开展了广泛和深入的研究。1995年的国际地热学术会上，英国学者Curtis代表国际地热组织发表了一篇关于应用土壤源热泵系统的调查报告，其中总结性地结论为：

　　1）土壤源热泵系统是世界能源市场的成熟技术之一，与现存的用电供热/制冷技术相比具有稳定性能好、可靠性高、花费更少的优势；

　　2）土壤源热泵系统经济上与燃油和燃气锅炉不相上下；

　　3）如果考虑到包括环境效益、能源保障和长期利用在内，土壤源热泵系统是最好、技术含量最高的替代产品。根据国际上1995—1999年的数字统计，发达国家地源热泵产品的发展势头十分可观。美、欧、日等国家的地源热泵利用情况如下：

　　1）美国：地源热泵系统已经安装了20万套以上，每年递增约20%，估计到2000年，每年可安装5-6万套地源热泵系统，其中4万套为土壤源热泵系统。美国每年新建独立家庭住宅（别墅）一百万座，其中四分之一采用地板采热方式，这是与地源热泵可以直接配套的地上导热系统，也是土壤源热泵系统的潜在市场。 另一方面，美国政府十分关注地源热泵技术的发展和市场推广情况，能源部与大学的研究机构极力促进有关的企业和民间科技力量参与，曾经就地源热泵能否列为国家公用计划而进行了多年的调研。美国政府曾经资助过十几项重大的地源热泵实验示范项目，并在20多个州鼓励市政部门和公立学校、医院等率先安装地源热泵采暖和制冷系统。一项乐观的研究报告认为，到2000年以后，美国的地源热泵安装数量将每年以35%的速度递增。

　　2）加拿大：地源热泵技术发展稍晚，其中封闭循环地源热泵系统在加拿大刚刚开始，至1994年，仅有7000—8000套封闭循环地源热泵系统投入使用，加上开放系统地热泵总数不超过万台。

　　3）瑞典：在地源热泵应用的初期，瑞典政府采取了一定的补贴政策。1990年以来，政府补贴取消，但地源热泵安装仍以1000套/年的速度递增。瑞典全国已经安装了23万套地源热泵，其中约5万套为土壤源热泵系统。

　　4）瑞士：瑞士世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，其中土壤源热泵系统所占的比例越来越高，至1998年，土壤源热泵系统已经占有地源热泵安装市场的70%以上（据Rybach， 1999），总数达到20万台以上，号称世界上土壤源热泵系统密度最大的国家。瑞士地源热泵总装机容量的增加从上世纪70年代末一直延续至今，呈直线上升趋势。

　　5）奥地利：奥地利是一个独立发展地源热泵技术的国家，地源热泵生产技术和安装技术自成体系。奥地利国土面积83850 km2，人口数量约750万。据1995年统计资料，土壤源热泵系统占地源热泵安装的65%以上。另外，奥地利政府对地源热泵安装和及其环境评价采取了最严格的发证制度。

　　6）日本：日本的热泵制造技术是相当不错的，水-水式供暖热泵的数量也名列世界前茅，年生产量达到400万台。但是由于日本有丰富的热水资源、日本土地使用费用相当昂贵，所以作为住宅供暖/制冷的地源热泵应用还十分少见，而主要供应给冰蓄热采暖/制冷系统和水箱式采暖/制冷系统。一些市政建设项目和公益性建筑（如医院、养老院、道路等）曾利用地热泵做供暖/制冷/热水供应/道路融雪等综合性服务，效果颇佳。

　　从地源热泵应用情况来看[10]，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。

　　3、地源热泵在中国的发展现状及前景目前在中国，地下水热泵系统已开始广泛使用，而土壤源热泵系统尚处于研究机构工程摸索和研究阶段。

　　从有关调查来看，地下水热泵工程真正成功的并不多[11].原因在于要实现100%的回灌，并回灌到同一含水层，不污染地下水，且能长时间稳定运行，并不容易做到。同时，还出现了大量不进行回灌的热泵工程，更有甚者，出现了直接利用地下水通入风机盘管内进行空调。这样做，一则污染水体，二则浪费水资源。

　　对于土壤源热泵的发展主要是从1998年开始。国内数家大学建立了土壤源热泵实验台，且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备的长期联合运行。其中1998年重庆建筑大学建设了包括浅埋竖埋管换热器和水平埋管换热器在内的热泵系统；1998年青岛建工学院建成了聚乙烯垂直土壤源热泵系统；湖南大学1998年建设了水平埋管土壤源热泵系统；1999同济大学建设了垂直土壤源热泵系统。这些系统为中国推广土壤源热泵奠定了基础。从2000年开始，在国内长春、济南、温州、重庆、米泉建立了一系列土壤源热泵系统的示范工程。土壤源热泵系统越来越多的被房地产商所关注和采用。

　　鉴于国内的国情和地源热泵系统自身的特点，我们对其各自的前景作一分析。随着地下水热泵工程技术改进和规范化，由于其突出的节能和保护大气环境的功能，还是存在着巨大的潜在的市场[11].水平埋管土壤源热泵，虽然占地面积大，但靠地表换热可以自然恢复地温，在年排热量和吸热量不平衡的地区应用比较有优势[12].而垂直埋管土壤源热泵，随着专业安装队伍的发展，钻孔设备的完善，势必会使造价大幅度降低，无疑会成为今后最有竞争力空调方式[7].

　　4、土壤源热泵与普通中央空调方式的比较土壤源热泵作为地源热泵今后发展的主要方向，我们将其与普通中央空调方式作以下五方面的比较[11，13，14].

　　1）主机设置

　　对于普通中央空调系统，若设置风冷热泵机组进行冷热空调，则风冷热泵主机的设置必须要与外界通风良好，要么设置于屋顶，要么设置于地面，这对别墅空调受限就更严重，对于公共建筑，热泵主机也就局限设置在屋顶。因此，普通中央空调的热泵主机的设置受到极大的限制。而土壤源热泵主机的设置就非常灵活，可以设置在建筑物的任何位置，而不受考虑位置设置的限制。若设置冷水机组＋锅炉进行冷热空调，冷却塔和锅炉的位置就更受限制。因此，就主机的设置而言，地源热泵系统的主机设置是非常灵活的。

　　2）运行效率

　　对于普通中央空调系统，不管是采用风冷热泵机组还是采用冷却塔的冷水机组，无一例外的要受外界天气条件的限制，即空调区越需要供冷或供热时，主机的供冷量或供热量就越不足，即运行效率下降，这在夏热冬冷地区的使用就受到了影响。而土壤源热泵机组与外界的换热是通过大地，而大地的温度很稳定，不受外界空气的变化而影响运行效率，因此，土壤源热泵的运行效率是最高的。

　　3）控制系统

　　在北方地区，风冷热泵在冬季使用时，有冲霜问题，对于热泵的冲霜，需要专门的控制设施，即在冲霜过程中，主机要进行逆向循环，室内空调系统的室温控制就要受到限制，而土壤源热泵系统就根本不存在这些问题。

　　4）环境保护

　　从土壤源热泵的整个运行原理来看，土壤源热泵系统实际是真正意义的绿色环保空调，不管是冬季还是夏季的运行，都不会对建筑外大气环境造成不良影响。而普通中央空调系统，将废热气或水蒸气排向室外环境，无一例外的都对环境造成了极大的污染。

　　5）运行费用

　　一般说来，土壤源热泵系统的运行费比风冷热泵的运行费节约30～40%，这主要在运行效率上得以体现。达到相同的制冷制热效率，土壤源热泵主机的输入功率较小，即为业主提供了较低运行费的空调系统，在全年时间使用空调的场所，这种效果尤为明显。