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地源熱泵技術與建筑節能
作者: 收錄來源: 中國建設科技網【摘要】隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求。在發達國家中，供熱和空調的能耗可占到社會總能耗的25-30%。我國的能源結構主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒產生的大量污染物，包括大量SO2、NOX等有害氣體以及CO2等溫室效應氣體。大量燃燒礦物燃料所產生的環境問題已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。我國的供熱已經歷了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的轉變。現在又進一步禁止在城鎮建設中小型燃煤鍋爐房，體現了政府對保護大氣環境的高度重視。因此，除了集中供熱的型式以外，急需發展其他的替代供熱方式。熱泵就是能有效節省能源、減少大氣污染和CO2排放的供熱和空調新技術。
一、 熱泵與建筑供熱空調
隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求。在發達國家中，供熱和空調的能耗可占到社會總能耗的25-30%。我國的能源結構主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒產生的大量污染物，包括大量SO2、NOX等有害氣體以及CO2等溫室效應氣體。大量燃燒礦物燃料所產生的環境問題已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。我國的供熱已經歷了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的轉變。現在又進一步禁止在城鎮建設中小型燃煤鍋爐房，體現了政府對保護大氣環境的高度重視。因此，除了集中供熱的型式以外，急需發展其他的替代供熱方式。熱泵就是能有效節省能源、減少大氣污染和CO2排放的供熱和空調新技術。
熱泵（制冷機）是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。建筑的空調系統一般應滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統的空調系統通常需分別設置冷源（制冷機）和熱源（鍋爐）。建筑空調系統由于必須有冷源（制冷機），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節省了初投資，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題。
采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產生熱量，并通過若干個傳熱環節最終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發熱量之比）最高可為100%。但是，燃燒礦物燃料通常可產生1500-1800℃的高溫，是高品位的熱能，而建筑供熱最終需要的是20-25℃的低品位的熱能；直接燃燒礦物燃料為建筑供熱意味著大量可用能的損失。如果先利用燃燒燃料產生的高溫熱能發電，然后利用電能驅動熱泵從周圍環境中吸收低品位的熱能，適當提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性能系數，即供熱量與消耗的電能之比，現在可達到3-4；火力發電站的效率可達35-58%（高值為燃氣聯合循環電站）。采用燃料發電再用熱泵供熱的方式，在現有先進技術條件下一次能源利用率可以達到200%以上。因此，采用熱泵技術為建筑物供熱可大大降低供熱的燃料消耗，不僅節能，同時也大大降低了燃燒礦物燃料而引起的CO2和其他污染物的排放。
熱泵利用的低溫熱源通常可以是環境（大氣、地表水和大地）或各種廢熱。應該指出，由熱泵從這些熱源吸收的熱量屬于可再生的能源。
二、空調熱泵的分類及其優缺點
以建筑物的空調（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統有許多種，例如有利用建筑通風系統的熱量（冷量）的熱回收型熱泵和應用于大型建筑內部不同分區之間的水環熱泵系統等。這里主要討論利用周圍環境作為空調冷熱源的熱泵系統。就其性質來分，國外的文獻通常把它們分為空氣源熱泵 (air source heat pump, ASHP) 和地源熱泵（ground source heat pump, GSHP）兩大類。地源熱泵又可進一步分為地表水熱泵 (surface-water heat pump，SWHP)、地下水熱泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合熱泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。我國對熱泵系統的術語尚未形成規范的用法。例如對地下水熱泵系統有“地溫空調”的商業名；而地下耦合熱泵則在一些文獻中稱為“土壤源熱泵”，或直接稱為“地源熱泵”。
空氣源熱泵以室外空氣為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫熱源，從室外空氣中吸收熱量，經熱泵提高溫度送入室內供暖。空氣源熱泵系統簡單，初投資較低。空氣源熱泵的主要缺點是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時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，這與建筑熱負荷需求趨勢正好相反。因此當室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點溫度時，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱。此外，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發器上會結霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。在寒冷地區和高濕度地區熱泵蒸發器的結霜可成為較大的技術障礙。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，同樣可能導致系統不能正常工作。空氣源熱泵不適用于寒冷地區，在冬季氣候較溫和的地區，如我國長江中下游地區，已得到相當廣泛的應用。
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障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。
地下水源熱泵系統的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經過換熱的地下水可以排入地表水系統，但對于較大的應用項目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。最近幾年地下水源熱泵系統在我國得到了迅速發展。但是，應用這種地下水熱泵系統也受到許多限制。首先，這種系統需要有豐富和穩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之前，一定要做詳細的水文地質調查，并先打勘測井，以獲
取地下溫度、地下水深度、水質和出水量等數據。地下水熱泵系統的經濟性與地下水層的深度有很大的關系。如果地下水位較低，不僅成井的費用增加，運行中水泵的耗電將大大降低系統的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但目前國內地下水回灌技術還不成熟，在很多地質條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來的水經過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內，造成地下水資源的流失。此外，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棘手的課題。水資源是當前最緊缺、最寶貴的資源，任何對水資源的浪費或污染都是絕對不可允許的。國外由于對環保和使用地下水的規定和立法越來越嚴格，地下水熱泵的應用已逐漸減少。
地表水熱泵系統的一個熱源是池塘、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熱源是值得考慮的一種空調熱泵的型式。當然，這種地表水熱泵系統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，當環境溫度越低時熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數也會降低。一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數有關，需要根據具體情況進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態環境的影響有時也需要預先加以考慮。
地下耦合熱泵系統是利用地下巖土中熱量的閉路循環的地源熱泵系統。“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”（closed-loop ground source heat pump）以區別于地下水熱泵系統，或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉地下埋管中的流動，實現系統與大地之間的傳熱。在冬季供熱過程中，流體從地下收集熱量，再通過系統把熱量帶到室內。夏季制冷時系統逆向運行，即從室內帶走熱量，再通過系統將熱量送到地下巖土中。因此，地下耦合熱泵系統保持了地下水熱泵利用大地作為冷熱源的優點，同時又不需要抽取地下水作為傳熱的介質。它是一種可持續發展的建筑節能新技術。1998年美國能源部頒布法規，要求在全國聯邦政府機構的建筑中推廣應用地下耦合熱泵供熱空調系統。為了表示支持這種節能環保的新技術，美國總統布什在他的得克薩斯州的宅邸中也安裝了這種地源熱泵空調系統（見2001年5月18日參考消息）。
三、地源熱泵供熱空調系統的經濟性分析
地源熱泵系統可實現對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機多用。一套系統可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統。系統緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。地源熱泵系統的另一個顯著的特點是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效節能的優點。地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高約40-60%。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，整個系統的維護費用也較鍋爐－制冷機系統大大減少，保證了系統的高效性和經濟性。
迄今為止制約地下耦合熱泵系統在我國應用的障礙主要是在地下埋管的初投資較高，以及政府、建筑設計人員和公眾對這一技術缺乏了解。地源熱泵空調系統的經濟性取決于多種因素。不同地區，不同地質條件，不同能源結構及價格等都將直接影響到其經濟性。根據國外的經驗，由于地源熱泵運行費用低，增加的初投資可在3-7年內收回，地源熱泵系統在整個服務周期內的平均費用將低于傳統的空調系統。
四、結束語
在建筑供熱空調中采用熱泵技術可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應氣體CO2和其它燃燒產生的污染物的排放，是一種可持續發展的建筑節能新技術。在本文所討論的幾種主要的熱泵系統中，空氣源熱泵的初投資最少，但效率較低，且應用條件受一定的限制，仍將在部分冬季氣候溫和的地區得到較多的應用。地下水熱泵和地表水熱泵系統受水資源條件的制約，應用范圍受到限制。地源熱泵（地下耦合熱泵系統）適用范圍廣，運行費用低，節能和環保效益顯著。地源熱泵在北美和歐洲的許多國家已得到廣泛的應用，是一種成熟的技術；但我國在地源熱泵的應用方面還剛剛起步。推廣地源熱泵技術需要政府的政策引導、對設計和施工人員的培訓、所需設備和材料的配套以及提高公眾對地源熱泵技術的了解程度。在供熱空調中應用熱泵技術的主要制約因素曾經是電力供應不足和人民群眾消費水平較低，對熱泵空調系統的市場需求尚未形成。隨著改革開放以來我國經濟的發展和人民生活水平的提高，以上兩個制約因素已不復存在，空調和供熱已成為普通百姓的需求，并逐漸向農村和南方擴展，市場前景很好。通過政府部門、科研機構和工程技術人員的共同努力，借鑒國外的成功經驗，我國的地源熱泵應用將得到較快的推廣和發展。
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