地源熱泵供暖空調(diào)的綠色技術(shù)在建筑中的應(yīng)用（一）
時(shí)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(shù)，它充分發(fā)揮了淺層巖體的儲(chǔ)冷儲(chǔ)熱作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供暖和制冷，是一種典型的綠色技術(shù)。本文對(duì)地源熱泵技術(shù)進(jìn)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(diǎn)，對(duì)其與常規(guī)空調(diào)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)及投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)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(shù)在中國(guó)的發(fā)展前景和展望。
關(guān)鍵詞：地源熱泵 供暖空調(diào) 冷熱源 綠色技術(shù)
近年來隨著資源和環(huán)境的問題日益嚴(yán)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(hù)環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對(duì)的一個(gè)重要問題。地源熱泵空調(diào)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(jī)組向建筑物供冷供熱而實(shí)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(diào)系統(tǒng)。
在中國(guó)，煤作為主要能源, 煤炭在我國(guó)能源體系中占主導(dǎo)地位，長(zhǎng)期以來，煤炭在我國(guó)能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占有絕對(duì)主導(dǎo)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(guó)能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)的農(nóng)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(yán)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?xì)獠膳却胧?但都存在運(yùn)行費(fèi)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(diào)方式將逐步受到制約。從降低運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)省能源、減少排放CO2排放量來看,地源熱泵技術(shù)是一個(gè)不錯(cuò)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(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)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(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時(shí),它還可供應(yīng)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(xiàn)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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物、環(huán)境的能量交換。
在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將由風(fēng)機(jī)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(shí)再通過冷凝器內(nèi)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(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過風(fēng)機(jī)盤管，以13℃以下的冷風(fēng)的形式為房間供冷。
在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動(dòng)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(nèi)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(shí)再通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的冷凝，由風(fēng)機(jī)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(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以35℃以上熱風(fēng)的形式向室內(nèi)供暖。
系統(tǒng)實(shí)際上是指通過將傳統(tǒng)的空調(diào)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(jìn)行熱交換，或是通過中間介質(zhì)（如防凍液）作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過在淺層巖土中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)利用低溫位淺層地能對(duì)建筑物內(nèi)供暖或制冷的一種節(jié)能、環(huán)保型的新能源利用技術(shù)。該技術(shù)可以充分發(fā)揮淺層地表得儲(chǔ)能儲(chǔ)熱作用，達(dá)到環(huán)保、節(jié)能雙重功效，而被譽(yù)為“21世紀(jì)最有效的空調(diào)技術(shù)”。
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(xiàn)中。開放式地下水熱泵系統(tǒng)在20世紀(jì)30年代被成功應(yīng)用。20世紀(jì)50年代歐洲和美國(guó)掀起了研究地源熱泵（GSHP）的第一次高潮，美國(guó)愛迪生電子學(xué)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(jì)70年代，世界石油危機(jī)使得人們關(guān)注節(jié)能、高效用能，地源熱泵的研究進(jìn)入了又一次高潮，這時(shí)瑞典的研究人員開始將塑料管應(yīng)用在閉式環(huán)路地源熱泵系統(tǒng)上，地源熱泵的推廣應(yīng)用迅速展開。
經(jīng)過近50年的發(fā)展地源熱泵技術(shù)在北美和歐洲已非常成熟，是一種被廣泛采用的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。針對(duì)地源熱泵機(jī)組、地?zé)釗Q熱器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝有一整套標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、計(jì)算方法和施工工藝。在美國(guó)地源熱泵系統(tǒng)占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的20%，是美國(guó)政府極力推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。到1997年底，美國(guó)有超過3萬臺(tái)GSHP系統(tǒng)在家庭、學(xué)校和商業(yè)建筑中應(yīng)用，每年約提供8000～11000GWh的終端能量，另據(jù)地源熱泵協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有600多所學(xué)校安裝有GSHP。目前美國(guó)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(dá)40萬臺(tái)【2】～【3】。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，北美對(duì)地源熱泵應(yīng)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(guó)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(guó)氣候條件與美國(guó)比較相似，所以北美的方式對(duì)我國(guó)更具借鑒意義。
在我國(guó)，地源熱泵的研究起始于20世紀(jì)80年代，最近5年該項(xiàng)技術(shù)成了國(guó)內(nèi)建筑節(jié)能及暖通界熱門的研究課題，也開始應(yīng)用于工程實(shí)踐，與此相關(guān)的熱泵產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，掀起了一股"地?zé)峥照{(diào)"的熱潮。在研究領(lǐng)域，過去幾年里國(guó)內(nèi)許多大學(xué)先后建立了地源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了地下埋管換熱器與地面熱泵設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)。研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：
?。?）地下埋管換熱器的傳熱模型和傳熱研究；
（2）夏季瞬態(tài)工況數(shù)值模擬的研究；
（3）熱泵裝置與部件的仿真模型的理論和實(shí)踐研究；
（4）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷工質(zhì)替代研究；
?。?）其他能源如太陽能、水電等與地?zé)嵩绰?lián)合應(yīng)用的研究；
?。?）地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工；
（7）地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能和運(yùn)行特性的研究；
?。?）地源熱泵系統(tǒng)與埋地?fù)Q熱器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能匹配方面機(jī)組整體性能的研究；
?。?）土壤熱物性及土壤導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)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(guó)范圍內(nèi)舉行了各種交流探討會(huì)。中國(guó)制冷學(xué)會(huì)第二專業(yè)委員會(huì)主辦了“全國(guó)余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”；1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國(guó)應(yīng)用與發(fā)展問題專家研討會(huì)”【4】；中國(guó)能源研究會(huì)地?zé)釋I(yè)委員會(huì)于1994年9月6日至8日在北京召開了第四次全國(guó)地?zé)崮荛_發(fā)利用研討會(huì)；從90年代開始，每屆全國(guó)暖通制冷學(xué)術(shù)年會(huì)上都有“熱泵應(yīng)用”的專題；2000年6月19～23日，中美地源熱泵技術(shù)交流會(huì)在北京召開，會(huì)議介紹了地源熱泵技術(shù)，國(guó)外的應(yīng)用狀況和在中國(guó)的推廣；山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所與山東建筑學(xué)會(huì)熱能動(dòng)力專業(yè)委員會(huì)聯(lián)合發(fā)起并承辦“國(guó)際地源熱泵新技術(shù)報(bào)告會(huì)”于2003年3月17日在山東建筑工程學(xué)院舉行，加強(qiáng)了國(guó)內(nèi)外地源熱泵先進(jìn)技術(shù)的交流。在工程應(yīng)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(shù)正被越來越多的人們所了解。
