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1、地源热泵技术的适用性方肇洪1. 地源热泵的原理和分类以建筑物空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种。这种热泵系统的一个热源是建筑的内部环境，另一个热源是建筑外的环境。按建筑外环境的介质的特点来分，通常把它们分为空气源热泵和地源热泵两大类。空气源热泵以室外空气为一个热源。它的系统简单，初投资较低，但在冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低，应用受到气候条件的制约。另一种热泵利用大地（地下岩土、地表水、地下水）作为热源，可以称之为“地源热泵”。离地表15 m以下的地层中在未受干扰时常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又远低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大
2、提高。此外，地源热泵系统在冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。地源热泵（Ground Source Heat Pump）是一个广义的术语，它包括以地下水、地表水和地下岩土作为热源和热汇的热泵系统。地源热泵系统又可进一步分为地表水热泵（Surface Water Heat Pump）、地下水热泵（Ground Water Heat Pump）和地埋管地源热泵（Ground-Coupled
3、Heat Pump）系统。地埋管地源热泵系统在我国的一些文献中称为“土壤源热泵”，或直接称为“地源热泵”；在国家标准地源热泵系统工程技术规范（GB50336-2005）中规定的术语为“地埋管地源热泵”系统。11、地下水热泵系统在地表以下一定深度处，地下水的温度几乎是恒定的，略高于当地的年平均气温，因此地下水热泵的效率大大高于空气源热泵，而且它的工况不受室外空气温度的影响。但它的应用也受到一定的限制。首先，这种抽取地下水的热泵系统需要有丰富的地下水为先决条件；如果地下水位较低，水泵的耗电量增加，也将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但在很多地质条件下回灌的速度大大
4、低于抽水的速度，造成地下水资源的流失。即使能够把抽取的地下水全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。2005年颁布的国家标准地源热泵工程技术规范要求地下水热泵系统抽取的地下水需100地回灌到同一个含水层。实际工程经验表明对于大多数地质条件100回灌是很难实现的。再就是大量抽取地下水造成地下水位降低，地面下陷，可能危及建筑物的安全以及引发其他地质灾害。欧洲和北美国家对采用地下水热泵技术都有严格的立法限制。我国总体来说是水资源缺乏的国家，地下水热泵系统在我国经过近十多年的上升发展趋势以后，其局限性也已被更多地认识。因此推广这种地下水热泵技术应慎重。1.2、地表水热泵系统地表水热泵就是
5、利用江、河、湖、海中的地表水作为热泵机组的热源和热汇。当建筑物的周围有大量的地表水体可以利用时，可通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组或将热泵机组的热量释放到地表水体中。近年来，利用污水处理厂的经处理的二次水或直接利用原生污水的热泵系统也引起人们的关注，这类热泵系统就其特点来说也可归于地表水热泵系统。地表水热泵系统的一个热源是河溪、湖泊或近海中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。当然，这种地表水热泵系统也受到可以利用的地表水资源条件的限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时
6、热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响也需要预先加以考虑。根据热泵机组与地表水连接方式的不同，可将地表水热泵分为两类：即开式地表水热泵系统和闭式地表水热泵系统。开式地表水热泵系统和地下水热泵系统近似，即从水体底部将水通过管道和水泵输送到热泵机组中，进行热量交换后，然后通过排水管道又将其输送回地表水体中。闭式地表水热泵系统就是通过放置在湖中或河流中的换热器与热泵机组连接，吸热或放热均通过换热器内的循环介质进行。当热泵机组处于寒冷地区时，在冬季制热工况时，置于水
7、体内的热交换器内应采用防冻液作为循环介质。在开式地表水热泵系统的供冷工况中，地表水的作用与冷却塔近似，而且不需要消耗风机的电能，因此初投资比较低。开式系统存在的最大缺点是热泵机组的结垢堵塞问题。在冬季制热模式时，当湖水温度较低时，机组换热器会有冻结的危险，因此开式系统只能用于相对温暖气候的地区或热负荷很小的寒冷地区的供热。与开式系统相比，闭式地表水热泵系统的优点是机组结垢的可能性降低。这主要是由于在热泵机组换热器内的循环介质为干净的水或防冻液；另外闭式系统湖水环路循环泵的耗电量明显低于开式系统。地表水热泵系统的特点与空气源热泵相似，即环境热源的温度均随室外气候的变化而变化。当室外温度降低时，热
8、泵的供热量及效率也随之降低，而此时所需的热负荷确增加。因此，在极端情况下，机组往往不能满足要求，而且采用地表水热泵系统需要一定的自然水体，这也使得地表水热泵系统的应用受到一定的限制。海水源热泵已成为近年来关注的热点之一，但在我国大规模应用海水源热泵的技术还不够成熟。技术方面的主要困难在于海水对设备的腐蚀以及海洋生物在管道中滋生引起的堵塞。此外，在北方地区（例如大连、青岛）由于冬季海水的温度较低，因此系统的效率较低；大规模的取水构筑物也增加了系统的初投资。1.3、地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统是利用地下岩土作为热源或热汇，它是由一组埋于地下的高强度塑料管（地埋管换热器）与热泵机组构成。在夏
9、季，水或循环液通过管路进行循环，将热泵释放的热量排到地下岩土层；冬季循环介质将岩土层的热量提取出来经热泵释放给室内环境。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，效率大大提高，且又不受地下水资源的限制，它在欧、美的一些发达国得到了广泛的应用。根据布置形式的不同，地下埋管换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。水平埋管方式的优点是在软土地区造价较低，但缺点是占地面积大，通常不太适合中国地少人多的国情。竖直地埋管换热器也就是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地埋管换热器。由于竖直地埋管换热器具有占地少、工
10、作性能稳定等优点，因此已成为工程应用中的主导形式。竖直埋管的方式的钻孔直径通常为0.110.15m，深度40150m；在钻孔中插入高密度聚乙烯(PE)的U型管，然后用回填材料把钻孔密封，再把各U型管连接成地埋管换热器。2. 地埋管地源热泵系统的特点关于地下水热泵和地表水热泵系统将在其他章节中论述；以下将讨论地埋管地源热泵系统的技术和应用。我国的地埋管地源热泵技术借鉴了欧美的先进经验，自上世纪90年代起先是进行理论和实验室研究，2000年以后开始小规模的示范。该技术在我国的实际应用起步比较晚，大体从2005年起才进入商业应用阶段。但是由于节能和环保两大主题的要求和政府的大力推动，地埋管地源热泵技
11、术在近年来在我国得到了迅猛的发展。我国每年的应用总量和单个项目的规模都已经大大超过欧美的应用地源热泵技术的主要国家。基于这样的背景，以及我国特有的国情，地埋管地源热泵技术在我国的应用也显示了一些独特的特点。利用地埋管地源热泵技术可以为建筑物提供冷量和热量，达到供暖和空调的目的。它的效益表现在以下几个方面：（1）地源热泵利用清洁的电能实现供热和空调，废除了污染严重的中小型燃煤锅炉。在大型的火电厂中，由于便于采用先进技术，不但能源的利用率提高，而且可以做到对有害气体进行严格集中处理，使SO2, NOX的排放量大大减少，有效改善城市中的大气环境。在我国推广应用地源热泵技术的一个主要的目的是为了废除燃
12、煤锅炉房，改善大气环境，这是与发达国家不同的。从另一个角度来说，应用地源热泵技术的首要的对象是寒冷地区没有合适热源的建筑物。应该指出，采用热电联产技术的城镇集中供热方式本身也是一种成熟的节能技术，鉴于我国的特点，在可以预见的未来集中供热仍将是我国寒冷和严寒地区解决城镇供热需求的基本手段。（2）地源热泵系统机组效率高，节省运行费用。地下岩土的温度全年比较恒定，在夏季地下岩土温度比室外环境空气温度低，因此是热泵很好的冷源；在冬季地下岩土的温度远高于室外大气温度。因此，在冬夏两种工况下热泵的性能系数都高于空气源热泵。采用地源热泵供暖的费用约为采用电锅炉供暖的1/3。地源热泵系统夏季将室内多余的热量释
13、放给地下岩土层蓄存起来，冬季再将热量从地下抽取出来送到室内。这样，地源热泵系统利用了地下岩土作为蓄热体，能量循环利用，是一种可持续发展的建筑供热空调节能技术。由于地源热泵系统节能高效的特点，供热和空调的运行费用会有明显的降低。与传统的供热空调系统相比，地埋管地源热泵系统所增加的初投资可以在3-7年内收回。（3）传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。地源热泵既可供冷，又可供暖，一套设备代替了原来的锅炉和制冷机两套系统。热泵机组同时还可提供生活热水，因此一机多用，节省了建筑空间及设备的初投资。从这个意义上说，地源热泵系统特别适合于同时有供热和供冷两种需求的应用场合。（4）由于地
14、埋管地源热泵系统可以取消传统空调系统的锅炉和冷却塔，因此不影响建筑的外观。这对于重视建筑本体和环境美观的场合，例如标志性建筑和历史性建筑等，可以成为重要的考虑因素。（5）对于电力系统来说，采用地源热泵技术实现供热和制冷，由于提高了系统的性能系数（特别是与直接电采暖相比），因此可以缓解冬夏两个供电高峰；而且由于冬夏的供热和空调都采用电力，因此电力系统全年的运行效率得到显著提高。这也是在美国地源热泵的研究得到电力公司大力支持的一个原因。与任何实用技术一样，应用地埋管地源热泵技术也有它的限制条件，因而有它的适用范围。这些限制条件主要是：（1）地埋管地源热泵系统的初投资较高仍然是制约其推广应用的主要障
15、碍。地埋管换热器可以看作是一种蓄热式换热器，但地下岩土不是热的良导体，因此为了满足建筑的冷热负荷，往往需要很大的传热面积。与传统的空调系统相比，设置地埋管换热器增加了初投资。埋管的费用与地质条件有密切的关系，在硬岩或砾石层等复杂地层中钻孔的费用可以比在土层中钻孔的费用高5-10倍。地埋管换热器的投资可占整个建筑供热空调系统初投资的1/31/2。与传统的锅炉（热网）加冷水机组的供热空调系统相比，或与空气源热泵系统相比，地埋管地源热泵系统的初投资稍有增加，约10-40%。而与单纯的集中供热或燃气锅炉供热系统相比，地埋管地源热泵系统的初投资就要高出1-2倍。具备供热和供冷两重功能但初投资偏高，这就决
16、定了在我国地埋管地源热泵技术现在还主要应用于公共建筑和高端的住宅上。不过相对于发达国家而言，我国的劳动力成本要低很多，这反而成为我国推广地源热泵技术的一个相对的优势条件。我国原来就有庞大的地质钻探队伍，进行地埋管换热器钻孔和埋管施工的技术和资金的门槛不高，随着地源热泵技术的应用市场不断扩大，地埋管换热器施工市场已经很快进入了充分竞争的状态，近年来设置地埋管换热器的成本已经呈现快速下降的态势。2、设置地埋管换热器需要一定的土地。在我国华北地区设置竖直埋管换热器需要的土地面积约为建筑供热空调面积的2030。地埋管换热器通常埋设在地面1.5米以下，因此埋设了地埋管换热器的土地仍可以用作绿地、停车场甚
17、至是小区的道路等。但在建筑容积率大的城镇地区以及旧建筑改造的项目中，缺少可用于埋管的土地的因素往往成为制约地埋管地源热泵技术应用的主要瓶颈。在欧美发达国家，住宅多为分散小型的建筑，设置地埋管换热器的土地往往不成问题。在我国的城镇，住宅多为多层或高层楼房，建筑的容积率很高，埋管占地的因素仍成为推广应用地埋管地源热泵技术的主要制约条件。为了节省地埋管换热器的占地，已经开发了在地下停车库的下面钻孔埋管和结合建筑桩基埋管的地源热泵系统。3、地源热泵系统对系统全年冷热负荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源热泵系统中地下岩土在全年起到蓄热器的作用，对热量夏蓄冬供。但在北方严寒地区，冬季供热的负荷和时间远大于
18、夏季空调的负荷和时间，系统多年运行以后地下的平均温度将逐年降低，影响系统的性能甚至使系统失效。在南方则相反，夏季空调负荷占主导地位，地下的平均温度将逐年升高，同样影响系统的性能。应该指出，在地埋管换热器所涉及的地层中存在地下水渗流时，对消除或缓解地埋管换热器中由于冷热负荷不平衡而引起的冷量或热量的累积有一定的帮助。但现有的数学模型和分析还只能对这一现象提供定性的判断；由于在实际工程中很难得到现场比较可靠的水文地质资料，特别是地下水渗流定量的资料，因此现在还难以给出地下水渗流对缓解地下冷量或热量累积的定量的结论。总之，由于地埋管换热器作为蓄热式换热器的运行特点，对全年冷热负荷平衡有一定的要求，这
19、是地埋管地源热泵系统的一个独特的特点，常常被只熟悉传统空调系统的设计人员所忽视。在推广应用地源热泵技术的过程中应该地源热泵系统对地下环境的长期影响给以充分的重视。我国幅员辽阔，地理跨度大，各地气候差异明显。我国从华北到长江流域的中部地区，夏季气候炎热需要供冷，冬季也需要供暖，全年既有空调冷负荷，也有热负荷，全年供热空调耗能量较大，是应用地源热泵技术的最有利地区。应用地源热泵技术夏季可将建筑物内产生的热量蓄存于地下岩土中，冬季将蓄存于地下的热量提取出来给建筑物供暖，能源的利用率高，节能效果明显。在属于寒冷气候的华北地区，特别是一些公共建筑项目，对供热和空调都有较高的需求，地埋管换热器中全年的冷热
20、负荷比较平衡，具有推广应用地源热泵技术的理想气候条件。对于冬暖夏热的长江流域地区，可采用冷却塔或地表水系统作为辅助散热装置，组成地源热泵复合系统，将明显降低系统的初投资，减少地埋管的占地，并解决全年冷热负荷不平衡的问题。我国南方地区气候炎热，空调冷负荷较大，但没有供热的需求，则空气源或地表水热泵系统是合适的技术。在有足够热负荷的场合，例如有很大的热水供应需求的场合，也可以应用地源热泵技术将建筑物内空调排放的热量蓄存于地下岩土中，同时全年将这些热量提取出来制取生活热水，实现了可再生能源的利用，达到节能的目的。在我国的东北和西北的寒冷地区，冬季供热的负荷大、持续时间长，而夏季很少或没有供冷的需求。
21、这些地区还同时存在地下原始温度低，因此在供热工况下浅层岩土可利用温差小的问题。即使在寒冷地区的很多居住建筑中也往往只要求解决冬季的供热问题，而不要求夏季供冷。此时地埋管换热器中全年的吸热和排热将呈现严重的不平衡，系统多年的运行将导致地下平均温度的逐年下降，使系统失效。在这样的条件下应用地源热泵技术应采取非常谨慎的态度。对于独栋住宅这样的小型项目还是可以通过适当加大地埋管换热器，并依靠非供热季地下岩土层中的传热实现地下温度的自然恢复。对于较大的项目，必须考虑适当的辅助热源以实现地埋管换热器全年负荷的基本平衡。比较现实的方法是太阳能季节性蓄热和地源热泵的复合系统，但由于进一步增加系统的初投资，国内
22、还很少有实际应用的例子。3 地源热泵的应用情况和适用性我国幅员辽阔，应用地源热泵技术的项目众多，现在还没有正式的统计数字。从建设部公布的2006-2008年三批共212项可再生能源建筑应用示范项目的统计中可以得到一些信息。在212个示范项目中，共有144个与地源热泵有关的项目，其示范工程总面积1578万m2。其中采用地埋管地源热泵技术的有47项，示范工程总面积337万m2，占地源热泵示范总面积的21.4%。国内已经完成的有代表性的地埋管地源热泵工程有：北京中关村用友软件源园一期（18.5万m2）、南京朗诗国际街区（9.1万m2）、北京山水文园E区（12.1万m2）、西安都市之门（2.9万m2）
23、和济南奥林匹克体育中心（6.2万m2）等。地埋管地源热泵技术在我国工程应用的历史还很短，相关的研究、检测和评价工作还没有跟上，因此现在还没有见到具有研究价值或权威的关于地埋管地源热泵系统的效率和经济性的长期实测数据。国外在50年代已开始了地源热泵技术的应用，到90年代成为一项成熟的应用技术。地源热泵技术的应用在中国研究刚刚起步，但是近年来在政府的支持和推动下，经过我国地源热泵技术的研究人员和工程技术人员的不懈努力，地源热泵技术在我国的应用发展迅猛，已经成为世界上发展最快、应用规模最大的市场。因此，地源热泵的研究在我国有着广阔的应用前景，也必将产生巨大的经济效益和社会效益。随着我国能源政策的制定
24、，节能已经成为当前我国的重要工作之一。地源热泵技术作为环保节能的新技术必将在我国得到广泛的应用。推广应用地源热泵技术应该因地制宜，结合项目的不同特点，采用最适合的形式。应用地下水热泵系统时应充分考虑保护和合理利用地下水资源，经适当的审查批准后方可采用。在有合适的地表水资源条件的地方可推广地表水源（包括海水源、污水源）热泵系统。在热用户靠近污水处理厂的场合，可以考虑采用污水源热泵系统给建筑供热和空调。在沿海城市，可以考虑采用大规模的海水源热泵实行住宅小区的集中供热和空调，以提高系统的经济性。地埋管地源热泵系统受资源条件的制约相对较少，随着国家经济实力的不断增强和节能环保要求的不断提高，地埋管地源
25、热泵系统将成为各种地源热泵系统中的主要形式。在供热已成为基本的生活需求的我国寒冷地区，对城市热网达不到的或比较分散的建筑，地源热泵供热将成为优先的选择。4 在农村应用地源热泵技术的可行性十六届五中全会通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议，提出了建设社会主义新农村的重大历史任务，其中重要的一项就是加强村庄规划和人居环境治理。长期以来北方农村住宅一般都靠火炕、火炉取暖，供暖质量无法保证；同时这种供热方式的效率很低，不仅浪费了大量的能源和污染了大气环境，而且随着煤炭等矿物燃料价格的上涨，也加重了农村居民的消费负担。此外，在一些地区煤炭等矿物燃料变得越来越紧缺，也使得改变北方
26、农村传统的采暖方式成为一个紧迫的课题。在这种背景下，有必要探讨在农村推广应用地源热泵技术的可能性和需要的相应政策和技术措施。具备供热和供冷两重功能但初投资偏高，这就决定了在我国地埋管地源热泵技术现在还主要应用于公共建筑和高端的住宅上。在这个意义上说，系统造价高在相当一段时间内会是在我国农村应用地埋管地源热泵技术的主要障碍。但是，这个障碍只是暂时的。随着广大农村地区经济的发展和人们生活水平的提高，特别是当更多的人感受到地源热泵系统在其整个生命周期内的经济性时，其初投资高的障碍将被打破。采用地埋管地源热泵系统的第二个制约因素是设置地埋管换热器需要一定面积的土地。鉴于我国地少人多的国情，集中供热仍将
27、是我国北方城市中的主流供热方式。在农村地区的情况则大不相同。农村人口的居住相对分散，城镇的规模也较小，从技术经济的角度看，发展热电联产和集中供热技术受到限制。同时，由于农村地区的建筑容积率低，基本不存在缺少土地埋设地埋管换热器的问题。这就为应用地埋管地源热泵技术创造了极佳的条件。这也是为什么在德国、瑞士和奥地利等一些欧洲国家中广泛采用地源热泵系统采暖的原因。美国的地埋管地源热泵系统主要也是应用在农村地区。从这个意义上说，在我国农村地区推广应用地源热泵供热技术的前景将是更好于城市，我们应该积极为此创造条件。采用地埋管地源热泵系统的第三个制约因素是必须考虑地埋管换热器中全年吸热和放热的平衡。在北方
28、地区的一些应用中往往只要求冬季供热，此时采用地源热泵加地板辐射采暖技术结合的系统是一种经济合理的方案；但这种系统也会造成比较严重的全年冷热负荷不平衡。在地埋管换热器运行的过程中地表和周围的岩土将向地埋管换热器传热，补充热量，但由于其几何尺度很大，这种传热是非常缓慢的过程。此外，地下水的渗流也有利于地埋管换热器的传热，并有利于减弱或消除地埋管换热器吸放热不平衡的现象。研究表明，这种导热和对流的传热对缓解地下冷热负荷不平衡的作用都与系统的几何尺寸有很大关系。尺度小的系统能够容易地得到热量的补充而恢复其功能，而对于由数百甚至数千个埋管组成的地埋管换热器，“地温”难以恢复，冷热负荷不平衡的影响将严重得
29、多。由此可以得到启示，对于分散的和小型的地源热泵应用项目，地下冷热负荷不平衡的影响较轻，问题相对容易解决。这是在农村地区推广应用地源热泵技术的又一个相对有利的条件。综上所述，利用热泵技术只用电力这种容易供应的清洁能源，可以满足供热、空调和热水供应的需求，大大提高居民的生活质量。地源热泵技术更具有节能和环保的突出优点。在技术特点上，地埋管地源热泵技术更适合于分散、小型和建筑容积率低的项目；因此它特别适合在农村地区推广应用。在我国农村推广应用地埋管地源热泵技术的主要障碍在于它的初投资偏高。在我国大部分的农村地区经济发展水平还远低于城镇，因此在相当长的一段时间内“享受”这种节能、环保而又高档的空调系
30、统仍将超出大多数居民的承受能力。应对的办法是，首先在沿海和经济发达地区的农村推广应用这一技术，积累经验，并逐步降低系统的成本。同时，随着政府对新农村建设的重视，在政策上不断向农村和农民倾斜，政府也可以出台促进地源热泵技术应用的优惠政策，例如把一部分节能减排的经费用于支持（补贴）在农村推广应用地源热泵技术，政府一次投入，国家和居民都长期受益。地埋管地源热泵空调系统在技术上是非常适合在我国相当多气候条件的农村地区推广应用的；节能环保的紧迫要求和新农村建设的需要也已把这项工作提上了议事日程。相信通过政府、工程技术人员和社会各界的共同努力，地源热泵这种新技术一定能够在不太长的时间内在我国广大的农村地区被广泛接受，并开花结果。方肇洪 山东建筑大学 教授。山东方亚地源热泵空调技术有限公司董事长。E-mail: 13606408831. 手机：13606408831
