我是地源熱泵，我想對(duì)你說(shuō)
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一、概述
隨著全球性能源危機(jī)的加劇和環(huán)境的惡化，節(jié)能和環(huán)保成為世界各國(guó)發(fā)展的主題?？稍偕茉吹睦门c開(kāi)發(fā)受到了廣泛的重視。同時(shí)由于經(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。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，中國(guó)建筑能耗的總量逐年上升，在能源消費(fèi)總量中所占的比例已從上世紀(jì)70年代末的10%，上升到近年的27.8%。而建筑最大的耗能點(diǎn)是采暖和空調(diào)，我國(guó)在采暖和空調(diào)上的能耗占建筑總能耗的55%。 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)。我國(guó)的供熱已經(jīng)經(jīng)歷了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在又進(jìn)一步禁止在城鎮(zhèn)建設(shè)中小型燃煤鍋爐房，體現(xiàn)了政府對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境的高度重視。因此，除了集中供熱的型式以外，急需發(fā)展其他的替代供熱方式。熱泵就是能有效節(jié)省能源、減少大氣污染和CO2排放的供熱和空調(diào)技術(shù)。
二、地源熱泵技術(shù)介紹
2.1 熱泵的定義及原理
在我國(guó)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50155-92）中，對(duì)“熱泵”的解釋是“能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”；在《新國(guó)際制冷詞典（NewInternationalDictionaryofRefrigeration）》中，對(duì)“熱泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量來(lái)供熱的制冷系統(tǒng)”?？梢?jiàn)，熱泵在本質(zhì)上是與制冷機(jī)相同的，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，它們的區(qū)別只是運(yùn)行工況不同。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(mén)切換使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱（或制冷）功能。在此過(guò)程中，熱泵的壓縮機(jī)需要一定量的高位電能驅(qū)動(dòng)，其蒸發(fā)器吸收的是低位熱能，但熱泵輸出的熱量是可利用的高位熱能，在數(shù)量上是其所消耗的高位熱能和所吸收低位熱能的總和。熱泵輸出功率與輸入功率之比稱為熱泵性能系數(shù)，即COP值（Coefficientof?Performance）。
2.2?地（水）源熱泵機(jī)組的工作原理
是利用水與地能（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”。具有高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠、可自動(dòng)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 地源（地埋管）熱泵工作原理圖
2.3地源熱泵與空氣源熱泵比較
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?，從室外空氣中吸收熱量，?jīng)熱泵提高溫度送入室內(nèi)供暖；其性能系數(shù)（COP）一般在2～3?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)簡(jiǎn)單，初投資較低?？諝庠矗L(fēng)冷）熱泵目前的產(chǎn)品主要是家用熱泵空調(diào)器、商用單元式熱泵空調(diào)機(jī)組和風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組。
空氣源熱泵的主要缺點(diǎn)是在夏季高溫制冷和冬季寒冷天氣制熱時(shí)效率大大降低。此外，其所必需的室外機(jī)或冷卻塔對(duì)建筑物有一定的影響。空氣源熱泵的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。而且，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?？諝庠礋岜貌贿m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。
三、地源熱泵系統(tǒng)的分類及其優(yōu)缺點(diǎn)
3.1地下水源熱泵系統(tǒng)(Groundwaterheatpumps,GWHPs)，
地下水源熱泵系統(tǒng)也就是通常所說(shuō)的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)，通過(guò)建造抽水井群將地下水抽出，通過(guò)二次換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。
其最大優(yōu)點(diǎn)是非常經(jīng)濟(jì)，占地面積小，但要注意打井區(qū)域必須符合下列條件：1.水質(zhì)良好；2.水量豐富；3.回灌可靠；4.符合標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 地下水源熱泵系統(tǒng)示意圖
3.2地下耦合熱泵系統(tǒng)（Ground-coupleheatpumps，GCHPs）。
地下耦合熱泵系統(tǒng)也稱埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)，還有另外一個(gè)術(shù)語(yǔ)叫Groundheatexchanger，即地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)。這一閉式系統(tǒng)方式，通過(guò)中間介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質(zhì)在埋于土壤內(nèi)部的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行熱交換的目的。
3.2.1?水平埋管地源熱泵系統(tǒng)（Horizontalground-coupledheatpump）
對(duì)于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)有：安裝費(fèi)用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應(yīng)用廣泛，使用者易于掌握，其缺點(diǎn)有：占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。
圖3.1 串聯(lián)式水平埋管示意圖
圖3.2 并聯(lián)式水平埋管示意圖
3.2.2?垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)（Verticalboreholeground-coupledheatpump）
對(duì)于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)有：較小的土地占用，管路及水泵用電少；其缺點(diǎn)是鉆井費(fèi)用較高；
垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊形式叫：樁基換熱器（或叫做能量樁，Energy Piles），即在樁基里布設(shè)換熱管道。
圖3.3 垂直埋管示意圖
3.3 螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（slinky ground-coupled heat pump）
3.3.1長(zhǎng)軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)
圖3.4長(zhǎng)軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)示意
3.3.2長(zhǎng)軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（盤(pán)旋布置埋管地源熱泵系統(tǒng)）
圖3.5長(zhǎng)軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)示意
3.3.3螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊布置形式叫：溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)，也有學(xué)者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。
圖3.6溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)示意
3.2?地表水熱泵系統(tǒng)（Surface-waterheatpumps,SWHPs）
通過(guò)直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫(kù)水以及海水作為熱泵冷熱源。歸屬于水源熱泵方式。
其優(yōu)點(diǎn)有：在10米或更深的湖中，可提供10℃的湖水直接制冷，比地下埋管系統(tǒng)投資要小，水泵能耗較低，高可靠性，低維修要求、低運(yùn)行費(fèi)用，在溫暖地區(qū)，湖水可做熱源。
其缺點(diǎn)有：在淺水湖中，盤(pán)管容易被破壞，由于水溫變化較大，會(huì)降低機(jī)組的效率。
圖3.7地表水直接抽取示意圖
3.8地表水間接換熱示意
2.4單井換熱熱井(Standingcolumnwellheatpumps,SCW)
也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國(guó)外常稱為'熱井'。這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護(hù)套，直徑和孔徑一致；地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設(shè)施。熱泵機(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一部分在地下水位以下進(jìn)入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過(guò)埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機(jī)組供水。這一方式主要應(yīng)用于巖石地層，典型孔徑為150mm，孔深450m。
該系統(tǒng)適用于巖石地質(zhì)地區(qū)，該地區(qū)巖石鉆孔費(fèi)用高，而與巖石直接換熱，大大提高換熱效率，節(jié)省鉆孔、埋管費(fèi)用。須得注意分析具體地質(zhì)情況，做好隔熱、封閉、過(guò)濾、實(shí)際換熱量測(cè)算等具體工作。
3.9單井換熱熱井示意圖
四、中國(guó)地源熱泵發(fā)展存在的障礙
4.1政府政策支持與財(cái)政補(bǔ)貼稍顯薄弱
地源熱泵是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保的技術(shù)體系，但目前來(lái)講在房地產(chǎn)應(yīng)用推廣中投資還是相對(duì)較高，開(kāi)發(fā)商不愿意在自己的系統(tǒng)中使用這種技術(shù)，政府在政策上的支持力度還是稍顯單薄，鼓勵(lì)與補(bǔ)貼政策也還不很明確。建議應(yīng)象國(guó)外機(jī)構(gòu)一樣對(duì)此類系統(tǒng)設(shè)立專項(xiàng)基金給予支持。地源熱泵的市場(chǎng)需要政府從可持續(xù)發(fā)展的角度，綜合能源、環(huán)保和資源等各個(gè)方面的考慮，調(diào)整政策，促使其健康有序的發(fā)展。
4.2對(duì)地源熱泵系統(tǒng)研發(fā)還不夠深入
地源熱泵作為一種新的科學(xué)技術(shù)，目前在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、宣傳材料、系統(tǒng)圖集方面還有所欠缺，同時(shí)在科研上還有一些問(wèn)題沒(méi)有取得突破。比如：土壤源地源熱泵系統(tǒng)的地下溫度場(chǎng)的計(jì)算方法不統(tǒng)一；海水源地源熱泵系統(tǒng)海水取水口的設(shè)置；地下水地源熱泵的地下管井的設(shè)計(jì)與施工、水源的探測(cè)開(kāi)采、供水過(guò)濾、水質(zhì)防腐處理、取水回灌的成套技術(shù)等問(wèn)題都還沒(méi)有較好的解決方法；對(duì)于已經(jīng)完成并且運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)，對(duì)其能效性能缺乏正確的評(píng)估體系也是影響其正常發(fā)展的原因之一。
“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目中對(duì)地源熱泵系統(tǒng)擬解決的問(wèn)題有：地下水地源熱泵采用抽水和回灌方式對(duì)地下生態(tài)環(huán)境的影響；地下水地源熱泵的成井技術(shù)和取水技術(shù)與回灌技術(shù)，維護(hù)與保養(yǎng)技術(shù)，取水溫度的計(jì)算方法研究;采用土壤源地源熱泵的地下水文地質(zhì)條件；不同的布孔密度對(duì)應(yīng)的不同綜合傳熱系數(shù)的計(jì)算方法；地源熱泵系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)體系；污水、海水源地源熱泵的取水設(shè)備開(kāi)發(fā)，污水換熱技術(shù)及專用換熱器開(kāi)發(fā)等。
4.3國(guó)內(nèi)陸源熱泵產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題
國(guó)內(nèi)陸源熱泵產(chǎn)品生產(chǎn)商的產(chǎn)品型號(hào)不全，可靠性不高。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水一水熱泵的廠家已經(jīng)超過(guò)20個(gè)，但是產(chǎn)品的性能和質(zhì)量令人擔(dān)憂。大部水一水熱泵產(chǎn)品未進(jìn)行正確、嚴(yán)格的設(shè)計(jì)計(jì)算，也未經(jīng)過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，因此產(chǎn)品的性能與產(chǎn)品樣本差異較大，導(dǎo)致工程失敗的例子屢見(jiàn)不鮮。國(guó)產(chǎn)水一水熱泵的質(zhì)量亟待提高，產(chǎn)品規(guī)格、型號(hào)、性能參數(shù)各異，難以評(píng)價(jià)。且目前國(guó)內(nèi)用于地源熱泵系統(tǒng)的產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)較少，難以滿足工程的需要。
4.4缺乏必要的宣傳推廣活動(dòng)
已經(jīng)成熟的技術(shù)沒(méi)有得到及時(shí)廣泛的推廣和普及，也給此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用造成了一些障礙。地源熱泵工程設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)技術(shù)含量較高的技術(shù)，目前僅掌握在少數(shù)科研單位手中，各大設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)人員還沒(méi)有完全掌握。地源熱泵的推廣應(yīng)用，目前缺乏各個(gè)專業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域人們的共同配合，缺少?gòu)恼摺⒅鳈C(jī)設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理等各個(gè)方面的共同參與。
4.5中國(guó)地源熱泵的市場(chǎng)潛力和發(fā)展趨勢(shì)
目前，我國(guó)城鄉(xiāng)共有建筑總面積約400億m2，其中城鎮(zhèn)約為160億m2，在城鎮(zhèn)中居住建筑面積約為105億m2，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m2，預(yù)計(jì)到2020年底，我國(guó)新增的房屋面積將近300億m2，新增城鎮(zhèn)民用建筑面積將為100一150億m2。隨著人民生活水平提高，我國(guó)采暖線也將逐步南移，采暖面積會(huì)逐步增大，新建建筑將有70億m2以上需要供暖。
據(jù)專家測(cè)算，目前我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為5.08億kW，百米內(nèi)陸下水每年可采集的低溫能量約為22×108kW，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1.5×1012kW，則是其2950倍，淺層地能的應(yīng)用仍然有相當(dāng)大的市場(chǎng)發(fā)展空間。如果全國(guó)每年在1億m2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m3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?；诖朔N情況，建設(shè)部提出，在“十一五”期間，推廣淺層地能使其使用面積達(dá)到2.4億m2。
為了順應(yīng)國(guó)家大力發(fā)展可再生能源的號(hào)召，當(dāng)前政府、技術(shù)研究、工程設(shè)計(jì)與安裝以及設(shè)備制造商等部門(mén)應(yīng)共同努力做好以下幾方面工作：建議國(guó)家建立專項(xiàng)基金，鼓勵(lì)地源熱泵的推廣應(yīng)用;調(diào)查現(xiàn)有的地源熱泵工程，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)；收集現(xiàn)有的用于地源熱泵的全國(guó)水文地質(zhì)資料，建立基本資料庫(kù);建立專業(yè)的地源熱泵用管井設(shè)計(jì)和施工隊(duì)伍，完善地埋管換熱器的安裝和施工隊(duì)伍，適當(dāng)時(shí)候建立專項(xiàng)設(shè)計(jì)施工資質(zhì)管理制度；開(kāi)展國(guó)家級(jí)和城市級(jí)的地源熱泵(海水源、污水源、余熱熱源)工程示范，以得到正確可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行，然后開(kāi)發(fā)適合國(guó)情、因地制宜的地源熱泵機(jī)組，完善產(chǎn)品系列和規(guī)格；加強(qiáng)政府對(duì)地源熱泵工程的質(zhì)量監(jiān)管，防止一哄而起，杜絕假冒偽劣，保證地源熱泵在建筑中應(yīng)用中健康發(fā)展；開(kāi)發(fā)地源熱泵和其它能源互相補(bǔ)充的技術(shù)體系，拓寬其發(fā)展方向。
