地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能

袁敏

一、 熱泵與建筑供熱空調(diào)

    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空調(diào)已成為普遍的需求。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(wèn)題已日益成為各國(guó)政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

    熱泵（制冷機(jī)）是通過(guò)作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機(jī)）和熱源（鍋爐）。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機(jī)），如果讓它在冬季以熱泵的模式運(yùn)行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，大大減輕了供暖造成的大氣污染問(wèn)題。

    熱泵利用的低溫?zé)嵩赐ǔ？梢允黔h(huán)境（大氣、地表水和大地）或各種廢熱。應(yīng)該指出，由熱泵從這些熱源吸收的熱量屬于可再生的能源。

二、空調(diào)熱泵的分類及其優(yōu)缺點(diǎn)

    以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)有許多種，例如有利用建筑通風(fēng)系統(tǒng)的熱量（冷量）的熱回收型熱泵和應(yīng)用于大型建筑內(nèi)部不同分區(qū)之間的水環(huán)熱泵系統(tǒng)等。這里主要討論利用周圍環(huán)境作為空調(diào)冷熱源的熱泵系統(tǒng)。

    空氣源熱泵以室外空氣為一個(gè)熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫?zé)嵩矗瑥氖彝饪諝庵形�收熱量，�?jīng)熱泵提高溫度送入室內(nèi)供暖。空氣源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初投資較低。空氣源熱泵的主要缺點(diǎn)是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時(shí)熱泵的效率大大降低。而且，其制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，這與建筑熱負(fù)荷需求趨勢(shì)正好相反。因此當(dāng)室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點(diǎn)溫度時(shí)，需要用電或其他輔助熱源對(duì)空氣進(jìn)行加熱。此外，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會(huì)結(jié)霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。在寒冷地區(qū)和高濕度地區(qū)熱泵蒸發(fā)器的結(jié)霜可成為較大的技術(shù)障礙。在夏季高溫天氣，由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低，同樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。空氣源熱泵不適用于寒冷地區(qū)，在冬季氣候較溫和的地區(qū)，如我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

    另一種熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源，可以稱之為“地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過(guò)熱泵把大地中的熱量升高溫度后對(duì)建筑供熱，同時(shí)使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過(guò)熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對(duì)建筑物降溫，同時(shí)在大 地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。

    地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經(jīng)過(guò)換熱的地下水可以排入地表水系統(tǒng)，但對(duì)于較大的應(yīng)用項(xiàng)目通常要求通過(guò)回灌井把地下水回灌到原來(lái)的地下水層。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。但是，應(yīng)用這種地下水熱泵系統(tǒng)也受到許多限制。首先，這種系統(tǒng)需要有豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為先決條件。因此在決定采用地下水熱泵系統(tǒng)之前，一定要做詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查，并先打勘測(cè)井，以獲取地下溫度、地下水深度、水質(zhì)和出水量等數(shù)據(jù)。地下水熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與地下水層的深度有很大的關(guān)系。如果地下水位較低，不僅成井的費(fèi)用增加，運(yùn)行中水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但目前國(guó)內(nèi)地下水回灌技術(shù)還不成熟，在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來(lái)的水經(jīng)過(guò)換熱器后很難再被全部回灌到含水層內(nèi)，造成地下水資源的流失。另外，即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個(gè)棘手的課題。我國(guó)是水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家，任何對(duì)水資源的浪費(fèi)或污染都是絕對(duì)不可允許的。

    地表水熱泵系統(tǒng)的一個(gè)熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大體量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词侵档每紤]的一種空調(diào)熱泵的型式。當(dāng)然，這種地表水熱泵系統(tǒng)也受到自然條件的限制。此外，由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當(dāng)環(huán)境溫度越低時(shí)熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數(shù)也會(huì)降低。一定的地表水體能夠承擔(dān)的冷熱負(fù)荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算。這種熱泵的換熱對(duì)水體中生態(tài)環(huán)境的影響有時(shí)也需要預(yù)先加以考慮。

    地下耦合熱泵系統(tǒng)是利用地下巖土中熱量的閉路循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng)。“地下耦合熱泵”的名稱直譯自英文，不通俗。通常也稱之為“閉路地源熱泵”以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)，或直接稱為“地源熱泵”。它通過(guò)循環(huán)液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉地下埋管中的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。在冬季供熱過(guò)程中，流體從地下收集熱量，再通過(guò)系統(tǒng)把熱量帶到室內(nèi)。夏季制冷時(shí)系統(tǒng)逆向運(yùn)行，即從室內(nèi)帶走熱量，再通過(guò)系統(tǒng)將熱量送到地下巖土中。因此，地下耦合熱泵系統(tǒng)保持了地下水熱泵利用大地作為冷熱源的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又不需要抽取地下水作為傳熱的介質(zhì)。它是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。

三、地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

    地源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機(jī)多用。一套系統(tǒng)可以代替原來(lái)的鍋爐加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。地源熱泵系統(tǒng)的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約40-60%。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐－制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

    迄今為止制約地下耦合熱泵系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用的障礙主要是在地下埋管的初投資較高，以及政府、建筑設(shè)計(jì)人員和公眾對(duì)這一技術(shù)缺乏了解。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價(jià)格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，由于地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低，增加的初投資可在3-7年內(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

    在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體CO2和其它燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。地下水熱泵和地表水熱泵系統(tǒng)受水資源條件的制約，應(yīng)用范圍受到限制。地源熱泵（地下耦合熱泵系統(tǒng)）適用范圍廣，運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能和環(huán)保效益顯著。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)