地源熱泵供暖空調的綠色技術在建筑中的應用（一）
時間:2022-01-18
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摘要：地源熱泵系統(tǒng)是一種節(jié)能、環(huán)保、高效的能源利用技術，它充分發(fā)揮了淺層巖體的儲冷儲熱作用，實現(xiàn)對建筑物的供暖和制冷，是一種典型的綠色技術。本文對地源熱泵技術進行了闡述，介紹了地源熱泵的原理及發(fā)展歷史，分析了其形式及優(yōu)點，對其與常規(guī)空調技術的技術特點及投資和運行費用進行了比較，分析了制約其發(fā)展的主要問題，并提出了地源熱泵技術在中國的發(fā)展前景和展望。
關鍵詞：地源熱泵 供暖空調 冷熱源 綠色技術
近年來隨著資源和環(huán)境的問題日益嚴重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，合理利用自然資源，保護環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調行業(yè)需要面對的一個重要問題。地源熱泵空調系統(tǒng)通過吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷熱量，冬季從大地吸收熱量，夏季從大地吸收冷量，再由熱泵機組向建筑物供冷供熱而實現(xiàn)節(jié)能，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的既可供暖又可制冷的新型空調系統(tǒng)。
在中國，煤作為主要能源, 煤炭在我國能源體系中占主導地位，長期以來，煤炭在我國能源生產結構、消費結構中一直占有絕對主導地位，盡管近年來，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈現(xiàn)出上升的跡象。2002年煤炭在我國能源生產結構、消費結構中的比例分別由2001年的68.6%和65.3%上升為70.7%和66.1%【1】。特別在冬季,在國內的農村和部分城市幾乎全部靠煤取暖。煤是各種能源中污染環(huán)境最嚴重的能源,只有減少城市地區(qū)煤的使用,城市大氣污染問題是才可能得到解決?，F(xiàn)在各地都在采取措施控制燃煤的數(shù)量,選用電采暖、燃油或者燃氣采暖等措施,但都存在運行費用高、資源不足和排放CO2這些問題。受能源、特別是一次性能源與環(huán)保條件的限制,傳統(tǒng)的燃油、燃煤中央空調方式將逐步受到制約。從降低運行費用、節(jié)省能源、減少排放CO2排放量來看,地源熱泵技術是一個不錯的選擇。
地源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時,它還可供應生活用水，可謂一舉三得，是一種有效地利用能源的方式。
地源熱泵（ground source heat pumps, GSHP）系統(tǒng)包括三種不同的系統(tǒng)：以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵，也有資料文獻成為地下耦合熱泵系統(tǒng)（ground-coupled heat pump systems, GCHPs）或者叫地下熱交換器熱泵系統(tǒng)（ground heat exchanger, GHPs）；以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)（ground water heat pumps, GWHPs）；以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng)（surface-water heat pumps, SWHPs）。
1. 地源熱泵的工作原理
系統(tǒng)通過地源熱泵將環(huán)境中的熱能提取出來對建筑物供暖或者將建筑物中的熱能釋放到環(huán)境中去而實現(xiàn)對建筑物的制冷，夏季可以將富余的熱能存于地層中以備冬用；同樣，冬季可以將富余的冷能貯存于地層以備夏用。這樣，通過利用地層自身的特點實現(xiàn)對建筑物、環(huán)境的能量交換。
在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內冷媒的蒸發(fā)將由風機盤管循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷凝器內冷媒的冷凝，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)轉移至地下水或土壤里。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中，通過風機盤管，以13℃以下的冷風的形式為房間供冷。
在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量，通過冷凝器內冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過蒸發(fā)器內冷媒的冷凝，由風機盤管循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉移至室內的過程中，以35℃以上熱風的形式向室內供暖。
系統(tǒng)實際上是指通過將傳統(tǒng)的空調器的冷凝器或蒸發(fā)器延伸至地下，使其與淺層巖土或地下水進行熱交換，或是通過中間介質（如防凍液）作為熱載體，并使中間介質在封閉環(huán)路中通過在淺層巖土中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)利用低溫位淺層地能對建筑物內供暖或制冷的一種節(jié)能、環(huán)保型的新能源利用技術。該技術可以充分發(fā)揮淺層地表得儲能儲熱作用，達到環(huán)保、節(jié)能雙重功效，而被譽為“21世紀最有效的空調技術”。
2.地源熱泵的發(fā)展歷史
地源熱泵的概念最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文獻中。開放式地下水熱泵系統(tǒng)在20世紀30年代被成功應用。20世紀50年代歐洲和美國掀起了研究地源熱泵（GSHP）的第一次高潮，美國愛迪生電子學院最早研究閉式環(huán)路熱泵系統(tǒng)，印地安納洲的印地安納波利斯是最早安裝閉式環(huán)路地源熱泵系統(tǒng)的。直到20世紀70年代，世界石油危機使得人們關注節(jié)能、高效用能，地源熱泵的研究進入了又一次高潮，這時瑞典的研究人員開始將塑料管應用在閉式環(huán)路地源熱泵系統(tǒng)上，地源熱泵的推廣應用迅速展開。
經過近50年的發(fā)展地源熱泵技術在北美和歐洲已非常成熟，是一種被廣泛采用的熱泵空調系統(tǒng)。針對地源熱泵機組、地熱換熱器，系統(tǒng)設計和安裝有一整套標準、規(guī)范、計算方法和施工工藝。在美國地源熱泵系統(tǒng)占整個空調系統(tǒng)的20%，是美國政府極力推廣的節(jié)能環(huán)保技術。到1997年底，美國有超過3萬臺GSHP系統(tǒng)在家庭、學校和商業(yè)建筑中應用，每年約提供8000～11000GWh的終端能量，另據地源熱泵協(xié)會統(tǒng)計，美國有600多所學校安裝有GSHP。目前美國地源熱泵的銷售數(shù)量以每年20%的速度遞增，2000年全美銷售數(shù)量達40萬臺【2】～【3】。
在實際工程應用中，北美對地源熱泵應用偏重于全年冷熱聯(lián)供，采用閉式水環(huán)熱泵系統(tǒng)（WLHP）；歐洲國家偏重于冬季供暖，往往采用熱泵站方式集中供熱供冷。我國氣候條件與美國比較相似，所以北美的方式對我國更具借鑒意義。
在我國，地源熱泵的研究起始于20世紀80年代，最近5年該項技術成了國內建筑節(jié)能及暖通界熱門的研究課題，也開始應用于工程實踐，與此相關的熱泵產品應運而生，掀起了一股"地熱空調"的熱潮。在研究領域，過去幾年里國內許多大學先后建立了地源熱泵實驗臺，進行了地下埋管換熱器與地面熱泵設備聯(lián)合運行的實驗。研究工作主要集中在以下幾個方面：
?。?）地下埋管換熱器的傳熱模型和傳熱研究；
?。?）夏季瞬態(tài)工況數(shù)值模擬的研究；
?。?）熱泵裝置與部件的仿真模型的理論和實踐研究；
?。?）地源熱泵空調系統(tǒng)制冷工質替代研究；
?。?）其他能源如太陽能、水電等與地熱源聯(lián)合應用的研究；
?。?）地源熱泵系統(tǒng)的設計和施工；
?。?）地源熱泵系統(tǒng)的經濟性能和運行特性的研究；
（8）地源熱泵系統(tǒng)與埋地換熱器的技術經濟性能匹配方面機組整體性能的研究；
（9）土壤熱物性及土壤導熱系數(shù)的試驗研究等等。
隨著研究的深入，我們的地源熱泵研究工作者在全國范圍內舉行了各種交流探討會。中國制冷學會第二專業(yè)委員會主辦了“全國余熱制冷與熱泵技術學術會議”；1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應用與發(fā)展問題專家研討會”【4】；中國能源研究會地熱專業(yè)委員會于1994年9月6日至8日在北京召開了第四次全國地熱能開發(fā)利用研討會；從90年代開始，每屆全國暖通制冷學術年會上都有“熱泵應用”的專題；2000年6月19～23日，中美地源熱泵技術交流會在北京召開，會議介紹了地源熱泵技術，國外的應用狀況和在中國的推廣；山東建筑工程學院地源熱泵研究所與山東建筑學會熱能動力專業(yè)委員會聯(lián)合發(fā)起并承辦“國際地源熱泵新技術報告會”于2003年3月17日在山東建筑工程學院舉行，加強了國內外地源熱泵先進技術的交流。在工程應用方面，1996年至2000年間在山東、河南、北京、遼寧、河北、江蘇、上海等地建成了地源熱泵工程，發(fā)展速度很快，地源熱泵技術正被越來越多的人們所了解。
