论文关键词:地源热泵 节能 环保 可持续发展 研究
论文摘要:阐述了地源热泵技术的工作原理、分类及其应用意义，分析了地源热泵的特点及经济效益，介绍了地源热泵的发展历史以及国内对地源热泵的研究现状，提出地源热泵在我国节能、环保、可持续发展中具有广阔的前景。
1引言
当今社会由于经济的快速发展和人口急剧增长，世界性的生态破坏、环境污染和资源匿乏已经达到自然生态环境所能承受的极限;能源、资源、环境的制约，已成为阻碍各国未来经济发展的瓶颈。为缓解巨大的能源与环境压力，近年来节能减排已成为全社会发展的新主题。人们积极采取各种应对措施，将可再生能源列人国家能源发展的优先领域，使能源结构体系从以化石燃料为主体的能源时代过渡到可持续发展的能源时代。地源热泵技术的开发和应用，就是人们选择的应对措施之一。
地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源，实现向建筑物提供采暖、制冷和生活热水的高效节能环保型空调技术。地源能是一种洁净的可再生能源，它具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定(流量、温度)、使用方便、不受地域限制等优点。
热泵的理论基础源于卡诺循环，与制冷机相同，按照逆循环工作，即通过输入少量的高品位能源(如电能)，以地源能作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源。在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖，同时储存冷量，以备夏用;夏季通过热泵对室内进行降温，同时把室内的热量释放到地下，进行热量储存，以备冬用，大地在整个循环中起到了蓄热器的作用。地源热泵系统中70%能量是从大地中获得的可再生能源。以其作为主要能源供给，既节约大量能源，又有效地减少， :及粉尘的排放。这项技术与传统空调系统相比，优势在于它实现了节能与环保的统一。
2地源热泵系统工作环境及原理
2.1地源热泵的工作环境
距地下30~300 m之间的地层是一个恒温带，其温度源于地球表面太阳热辐射和地核热传导的综合作用，被人们称为综合平衡层又称地下浅层。温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低。地源热泵系统就是利用这一恒温带中的土壤、卵石、岩石中的地下含水层以及深层地表水作热泵的源与汇，向建筑物冬季供热、夏季供冷。
2.2地源热泵的结构和工作原理
2.2.1结构
地源热泵系统主要由室外地源换热系统、热泵机组和室内空调末端系统3部分组成。热泵机组为主动力部分，由制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等组成回路。其中压缩机是热泵系统的心脏，通过电能驱动压缩机，不断地压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处，且周而复始地进行循环;蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流人的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的;冷凝器是输出热量的设备，将从蒸发器中吸收的热量及压缩机消耗功所转化的热量，在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的;膨胀阀或称节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进人蒸发器的循环工质流量。
2.2.2供热原理
图1为地源热泵供热系统原理。其工作原理如下:首先在制冷回路内充注制冷剂。压缩机通入三相交流电高速旋转，将低温低压制冷剂气体吸入压缩机。经压缩后变成高压高温气体，该气体经冷凝器被冷却水冷却，又变成中压中温的制冷剂液体，该液体经过膨胀阀节流减压后送人蒸发器。由于蒸发器连接在压缩机的吸气口上，压缩机不停地吸入蒸发器的制冷剂气体，使得进人蒸发器的大量制冷剂压力减低，制冷剂进一步大量蒸发。
由于蒸发器另一侧与室外地源换热系统的地下潜水泵连接，所以当地下水大量流过蒸发器时，被蒸发的制冷剂带走地下水中的大量热量。这些低温热量通过被蒸发的制冷剂吸收变成了制冷剂热量，又被源源不断地吸人压缩机。经压缩机压缩之后，变成为80~90℃的高温气体，这些高温气体在通过冷凝器冷却的同时，把大量的热量传给了冷凝器另一侧，即室内空调末端系统，也称采暖系统。制冷剂气体被冷却的过程，也可以看做是将高温热量传递给冷却系统的过程，或者是对采暖系统的加热过程，采暖系统水温一般为50～60℃通过室内空调末端系统的风机盘管或暖气片向房间供热。
从能量转换角度来讲，热泵机组压缩机将电能变为机械能，再将机械能变成为热能。压缩机输出的总热能为压缩机电功率与压缩机吸收来自地下的热能之和，而地下热能远远大于压缩机的电功率。一般从地下水中提取的热能是压缩机电功率产生热能的4~5倍，因此热泵机组的能效比约为4.5，而电锅炉的能效比为0.9~0.98。
2.2.3制冷原理
图2是地源热泵制冷系统原理。热泵的制冷工作原理与图1所示相同，制冷剂回路保持不变。但通过转换阀门将室内空调末端系统(即制冷回路)连接在蒸发器的吸热端;室外地源换热系统连接在冷凝器的放热端。热泵机组制冷时，压缩机将吸热端吸人的低温低压制冷剂气体经压缩后变成高温高压制冷剂气体排人冷凝器后，被接在冷凝器侧地下水系统冷却变成中温中压制冷剂液体。制冷剂液体通过膨胀阀节流减压后，进人蒸发器进一步膨胀、蒸发、吸热，使制冷剂由液体变成气体又被压缩机吸热端吸人。再经压缩机压缩后，又变成高温高压制冷剂气体排人冷凝器，同时也将蒸发器侧的室内空调末端系统(即空调房间)的热量源源不断地经放热端的冷凝器排人地下水中。吸收了水中热量的制冷剂液体蒸发后又由液态变成气态被压缩机吸人、压缩、放热。周而复始、循环往复完成了制冷全过程。
将地源热泵系统制冷时产生的废热回收，可制成50--55℃生活用热水，节省用于制热水耗用的燃油或煤，对空气无污染，达到制热水不耗能的节能效果;同时由于制出的冷冻水可补充到回水系统中，以降低回水系统的回水温度，从而提高了制冷效率，降低了制冷系统的耗电量。
3地源热泵的分类
按照冷热源的不同，可将地源热泵系统分为以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵、以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统和以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统3类。
3.1土壤源热泵
土壤源热泵是利用地下岩土层中热量进行闭路循环的热泵系统。热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在密闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。冬季供热时，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土层中。
地下热交换器的布置形式主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3类。
垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层(小于30 m)，中层(30~100 m)和深层(大于100 m)3种。垂直埋管换热器热泵系统占地面积小、需要的管材少、泵耗能低，单位管长换热量高于水平埋管，但造价相对要高。水平埋管换热器有单管和多管2种形式，一般埋设深度为1.5-3.0 m。水平埋管换热器造价相对低，目前广泛使用。但需要较大场地、运行性能不稳定、泵耗能高、系统效率较低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限的情况。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器的20%~30%，但用管量会明显增加。这种方式的特点类似水平埋管换热器。
3.2地下水源热泵
地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。最常用的系统形式是采用一侧连接地下水，一侧连接热泵机组(板式换热器)。早期的地下水系统采用单井系统，即将地下水经过板式换热器换热后直接排放。其缺点是既浪费地下水资源，又容易造成地层塌陷，甚至引起地质灾害。后来产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵使用最多的是深为50 m以内的浅井，其优点是造价比土壤源热泵低、水井与水井之间很紧凑、占地面积小、技术比较成熟。缺点是可供的地下水有限、水处理要求严格、抽取的地下水全部回灌并且不能受到污染。现在更多采用的是1抽2回或2抽3~4回技术，这种技术目前沈阳等城市采用较多。
3.3地表水源热泵
地表水源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水源热泵主要分为闭路系统和开路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。地表水源热泵具有造价相对低廉、泵耗能低、维修方便以及运行费用少等优点。但这种地表水源热泵系统也受到自然条件的限制。在公用的河流中、管道或水中的其他设备容易受到损害。如果河流、湖泊过小或过浅，水的温度会随气候发生较大的变化，容易产生效率降低、制冷或供热能力降低的后果。这种技术沿海城市采用得较多。
4地源热泵系统的优势及经济效益
4.1充分利用自然资源实现高效节能
太阳能是取之不尽的可再生绿色能源，地表浅层相当于一个巨大的太阳能集热器，它收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。地源热泵在冬季就是利用这种储存于地表浅层的无限的能源作为热源;在夏季则以地表浅层恒定的地能温度作冷源，只需小功率的压缩机就可实现能量转换的空调系统。调研结果表明，使用地源热泵技术比风冷热泵节能40%，比电采暖节能70%，比燃气炉效率提高48%，所需制冷剂比一般空调减少50%，是真正意义上的高效节能。
4.2具有极大的环境效益
传统的供暖、空调方式分别解决冬季供暖和夏季制冷。其系统投资大、占地多，且对环境的影响很严重。大气是人类赖以生存的最基本环境要素之一。然而，由于冬季采用煤炭、燃油和天然气等作为燃料，燃烧产生的大量污染物，包括大量的， ， 等气体造成的大气污染，严重破坏着大气环境，降低了人们的生活质量。夏季使用的空调系统同样存在着:排放，作为重要的温室气体是造成全球性气候变化的主要因素之一.
将大量废热排人大气，产生了热岛效应，同时还产生令人难以忍受的噪音，使得外界空间环境条件更加恶化。而地源热泵则利用大地的蓄热能力，把夏季多余的热能排人大地留作冬季取用，把冬季多余的冷能留作夏季取用，源头上根除了空调系统对城市热岛的效应。地源热泵的污染物排放很低，系统所使用的制冷剂在工厂里注人并被完全密封，使用过程中绝无泄漏，用户任何时候均不必添补制冷剂，因而减少了对臭氧层的破坏。
热泵系统可以建造在居民区内，在冬季供暖时省去了锅炉和锅炉房，没有燃烧，没有排烟;也没有废弃物，不需要堆放燃料、废物的场地，不用远距离输送热量，极大限度地改善其他空调方式的及颗粒物等污染物的排放量;供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染。地源热泵所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染;地源热泵系统不直接消耗煤或燃油、天然气等矿物燃料，从而达到了绿色环保的要求。
4.3运行稳定可靠且使用寿命长
传统的空调系统不论是水冷还是风冷，换热环境均为大气，由于它的换热器必须置于暴露的空气中，故不可避免地受到环境条件变化的影响，降低换热效率和使用寿命，并且影响了建筑物的外观;而地源热泵以土壤作为热源的主要优点在于土壤温度的相对稳定，基本不受外界环境的影响;埋管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗;热泵系统设计简单，运动部件比常规系统少，且安装在室内，自动控制程度高，可无人值守;系统安全无燃烧设备，不存在爆炸、燃烧的隐患;由于系统不暴露在风雨中，因而维护简便，机组使用寿命均在20 a以上，地埋管换热器寿命可达40~50a;地源热泵系统的供冷、供热平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值;把地源热泵换热器埋于地下，也不会破坏建筑物的外观。
4.4经济效益分析
地源热泵系统的经济性是由多方面来确定的。不同地区、不同地质条件、不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。以地源热泵系统与其他能源方式的投资进行比较(以北方综合功能大厦为例)，结果见表1。
以北京100的家庭为例，冬季采暖125d总耗热量为:100x 125dx24 hx3 600x0.05 kW= 5 400万kJ，为获得这么多热量，选用不同的采暖方式，耗用的燃料、燃烧效率、能源成本均有不同。
统计可知，燃煤供暖最经济，但是由于北京地区已经限制燃煤使用，综合比较，地源热泵系统为最佳选择。
仅以燃油锅炉与地源热泵提供同样供热量为例，对地源热泵的环保特性分析比较，假设地源热泵的电力来源于燃油电厂。供热量为5 400 GJ的情况下，燃油电厂锅炉所需的燃油热量为4 050 GJ;而如果直接使用燃油锅炉，其热效率为80%，则需燃油热量为6 750 GJ。这两种供热情况排放对比见表2。
从表2看出，利用地源热泵， ， 和:的排放量分别减少了69% ， 93%和73%，因此其环保优势十分明显。
1套系统可以替换原来的锅炉加空调加生活用热水的3套系统;虽然初投资比常规燃煤锅炉房供暖系统高出1~3倍，比热电联产集中供热系统高出34%~50%。但根据国内外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在3~7 a内收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。初装费用确实比传统系统要高一些，主要是铺设地埋管换热器，费用贵在设计和安装上，而每年省下的能源费用支出，会很快抵消高出的系统安装费用，随着时间的推移，从能源消费的节省上可以很快收回投资。同时，系统近于免维护和维修，可节省大量开支。作为清洁能源之一，地源热泵也一直受到国家的政策支持。北京市的政策规定，北京市内建设的各类项目，供热制冷系统选用热泵系统的，将得到北京市固定资产投资中安排一次性补助，补助标准为50元/。
沈阳地区地下含水层透水性强，地面以下20 m之后基本为恒温12℃。自然地理及水文地质条件适合地源热泵技术的推广应用。由于地下含水层多为砂砾结构，透水性强，可保证在不影响和破坏地下含水层的前提下常压完全回灌。据统计，沈阳每年冬天有1.8亿的供热面积，所以发展热泵的空间广阔。到目前为止，沈阳已有地源热泵面积超过3 000万。根据辽宁省政府办公厅要求:凡具备应用地源热泵等可再生能源技术条件的新建、改建、扩建的建设项目，今后都必须采用“地热”供热制冷。机关办公场所、宾馆、商场、写字楼等耗能大户，应优先选用地源热泵。预计到2010年，沈阳市可实现地源热泵技术应用面积6 500万，占全市总供暖面积的30%左右。届时，每个采暖期节约标准煤将达126.55万t，减少排放2．5万t、烟尘1．9万t。
5结语
在我国全面建设资源节约型、环境友好型社会的进程中，地源热泵这一集节能、环保为一体的新技术，将越来越受到人们的重视与青睐。相信在不远的将来，经过国内工程技术人员的不懈努力并借鉴国外的成功经验，我国的地源热泵应用将得到进一步的推广和发展，它将为我国的可持续发展带来新的契机。
