二十一世紀最有效的供暖、空調技術

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什么是地源熱泵
地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。
與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60％。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，地源熱泵空調系統(tǒng)在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。
地源熱泵國內外發(fā)展近況
地源熱泵的歷史可以追朔到1912年瑞士的一個專利，而地源熱泵真正意義的商業(yè)應用也只有近十幾年的歷史。如美國，截止1985年全國共有14,000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺，到目前為止已安裝了400，000臺，而且每年以10％的速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調總保有量的19％，其中有新建筑中占30％。美國地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國能源部、環(huán)保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協(xié)會，該協(xié)會在近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。美國計劃到2001年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標，屆時將降低溫室氣體排放1百萬噸，相當于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹1百萬英畝，年節(jié)約能源費用達4.2億美元，此后，每年節(jié)約能源費用再增加1.7億美元。
與美國的地源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源，地下土壤埋盤管（埋深<400米深）的地源熱泵，用于室內地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計，為家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96％，奧地利為38％，丹麥為27％。
美國特別看好中國市場，美國能源部和中國科技部于1997年11月簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中主要內容之一是“地源熱泵”，該項目擬在中國的北京、杭州和廣州3個城市各建一座采用地源熱泵供暖空調的商業(yè)建筑，以推廣運用這種“綠色技術”，緩解中國對煤炭和石油的依賴程度，從而達到能源資源多元化的目的。目前，這3個地源熱泵示范工程正在落實，有的已進入實施階段。與此同時，科技部委托的中國企業(yè)公司正醞釀將美國的地源熱泵技術及設備引進中國市場，這將促進我國地源熱泵的市場化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，并使我國地源熱泵的研究開發(fā)盡快跟上國際潮流。
我國的地源熱泵事業(yè)近幾年已開始起步，而且發(fā)展勢頭看好。天津大學、清華大學分別與有關企業(yè)結成產(chǎn)學研聯(lián)合體開發(fā)出中國品牌的地源熱泵系統(tǒng)，已建成數(shù)個示范工程，越來越多的中國用戶開始熟悉地源熱泵，并對其應用產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以預計中國的地源熱泵市場前景廣闊。之所以對中國的地源熱泵市場發(fā)展前景持樂觀態(tài)度，一方面是要節(jié)約常規(guī)能源、充分利用可再生能源的國內外大趨勢；另一方面，我國具有較好的熱泵科研與應用的基礎，早在50年代，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調機。重慶建筑大學、天津商學院等單位對地下埋盤管的地源熱泵也進行了多年的研究。在中國科學院廣州能源研究所等單位還多次召開全國性的有關熱泵技術發(fā)展與應用的專題研討會。我們有理由相信，在充分學習借鑒國外先進技術和運行經(jīng)驗的基礎上，在各級政府的有力支持下，中國的科技界與企業(yè)界攜手共進，依靠自己的力量完全有能力在不長的時間內開拓出具有中國特色的地源熱泵產(chǎn)業(yè)。
地源熱泵特點
1、屬可再生能源利用技術
地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)。地表淺層地熱資源可以稱之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。
2、屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術
地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。
據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調的運行費用。
3、環(huán)境效益顯著
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上，如果結合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調裝置減少25％的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
4、一機多用，應用范圍廣
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統(tǒng)；可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調。
此外，機組使用壽命長，均在15年以上；機組緊湊、節(jié)省空間；維護費用低；自動控制程度高，可無人值守。
當然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應用會受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會受到當?shù)氐叵滤Y源的制約，實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質產(chǎn)生污染。
工作原理與分類
熱泵工作原理
作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創(chuàng)造機器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié)能特點。
熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設備組成及功能是一樣的，對蒸氣壓縮式熱泵（制冷）系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成：
壓縮機起著壓縮和輸送循環(huán)工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統(tǒng)的心臟；
蒸發(fā)器是輸出冷量的設備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的；
冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的；
膨脹閥或節(jié)流閥對循環(huán)工質起到節(jié)流降壓作用，并調節(jié)進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質流量。
根據(jù)熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環(huán)工質不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復地進行循環(huán)。
熱泵分類
熱泵是需要冷凝器的熱量，蒸發(fā)器則從環(huán)境中取熱，此時從環(huán)境取熱的對象稱為熱源；相反制冷是需要蒸發(fā)器的冷量，冷凝器則向環(huán)境排熱，此時向環(huán)境排熱的對象稱為冷源。
蒸發(fā)器冷凝器根據(jù)循環(huán)工質與環(huán)境換熱介質的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。這樣熱泵或制冷機根據(jù)與環(huán)境換熱介質的不同，可分為水—水式，水—空氣式，空氣—水式，和空氣—空氣式共四類。
利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵?？諝庠礋岜糜兄凭玫臍v史，而且其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。但由于地區(qū)空氣溫度的差別，在我國典型應用范圍是長江以南地區(qū)。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，空氣源熱泵不僅運行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因為存在結霜問題，效率低下。
利用水作冷熱源的熱泵，稱之為水源熱泵。水是一種優(yōu)良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般水源熱泵的制冷供熱效率或能力高于空氣源熱泵，但由于受水源的限制，水源熱泵的應用遠不及空氣源熱泵。
地源熱泵工作原理及分類
地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。
地源熱泵供暖空調系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機組和室內采暖空調末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建筑物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。
地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點：（1）全年溫度波動小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費用40%左右。（2）冬季運行不需要除霜，減少了結霜和除霜的損失。（3）地源有較好的蓄能作用。
地源分類
地源按照室外換熱方式不同可分為三類：1.土壤埋盤管系統(tǒng)，2.地下水系統(tǒng)，3.地表水系統(tǒng)。
根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng)，地源又可分為閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)。
閉環(huán)系統(tǒng)如埋盤管方式
（垂直埋管或
水平埋管），地表水安置換熱器方式。
開環(huán)系統(tǒng)如抽取地下水或地表水方式。
此外，還有一種“直接膨脹式”，它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的一個換熱器（蒸發(fā)器）埋入地下進行換熱。

地源熱泵應用方式
地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。
家用系統(tǒng)
用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統(tǒng)進行冷熱供應，多用于小型住宅，別墅等戶式空調。
集中系統(tǒng)
熱泵布置在機房內，冷熱量集中通過風道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。
分散系統(tǒng)
用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。 
混合系統(tǒng)
將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。
南方地區(qū)，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。
分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實質上是一種水環(huán)路熱泵空調系統(tǒng)形式。
水環(huán)路熱泵空調系統(tǒng)
水環(huán)路熱泵(Water-Loop Heat Pump，簡稱WLHP)空調系統(tǒng)，它由許多臺水源熱泵空調機(WSHP)組成。這些機組由一個閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。
夏季運行：全部或大多數(shù)機組為供冷，熱量水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。
春季/秋季運行：對有內區(qū)與周邊區(qū)的建筑物，會出現(xiàn)內區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱，內區(qū)的熱量就可被周邊區(qū)所利用，即內區(qū)空調的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時，室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建筑物內部轉移，運行費用最少，節(jié)能效果明顯。
冬季運行：全部或大多數(shù)機組為供熱，供熱源（地源或加熱源）把熱量補充到水環(huán)路。
水環(huán)路熱泵空調系統(tǒng)除具有顯著節(jié)能特點外，還具有以下特點：
1、節(jié)省占地：不設大的冷凍機房，沒有冷卻塔系統(tǒng)。
2、能源費用單獨計量：由各部門、住戶或單位獨立承擔，能源費用計量簡單且公平，符合當前的能源費用獨立計量方法。
3、調節(jié)靈活：每臺熱泵空調機在任何時間可以選擇供冷或供熱。
4、靈活應用：能靈活充份地滿足建筑物各個區(qū)的需要，并隨時可以更改用途。
常見問題討論
1．為什么地源熱泵在美國、歐洲以及中國，尤其是近些年來為越來越多的用戶所認識，市場日趨活躍呢？
    一方面是由于全世界范圍內比以往更加關注能源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的問題，對于中國由于以燃煤為主的能源結構已經(jīng)造成了極為嚴重的大氣污染，因此，要實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，必須盡可能多地利用清潔的可再生能源，必須加大節(jié)能的力度，而既能在冬季供暖、又能在夏季制冷空調的地源熱泵系統(tǒng)是很好的一個選擇；另一方面是地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究，在技術上已經(jīng)非常成熟，而且經(jīng)過多年的示范與實踐，確認了地源熱泵系統(tǒng)的很多優(yōu)點：節(jié)約能源、舒適、安全、性能穩(wěn)定、清潔、使用靈活等。
2．水環(huán)路熱泵（WLHP）系統(tǒng)與地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)有什么異同？適用于什么場合？
兩者都可通過水源熱泵如水－空氣熱泵或水－水熱泵系統(tǒng)為建筑物提供熱量或冷量，區(qū)別是WLHP系統(tǒng)通常是指利用冷卻水塔和鍋爐保持全年冬夏兩季節(jié)的供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)，而GSHP系統(tǒng)則通常是指通過利用地下水、地下?lián)Q熱系統(tǒng)、地表水或者地下?lián)Q熱系統(tǒng)與冷卻塔、鍋爐相結合等形式維持供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)；此外，WLHP一般為分散式系統(tǒng)，而GSHP既可為分散式系統(tǒng)也可為集中式系統(tǒng)。
對于WLHP系統(tǒng)適用于什么場合，有研究認為，單純的供冷或單純的供熱選用水環(huán)路熱泵是不合理的；對同時具有制冷和制熱需要的空調建筑，當其內部余熱量較小或較大時，使用WLHP系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯，只有當機組排出的熱量與部分水源熱泵機組吸收的熱量相近時，才具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。對于某一特定建筑，設計者需根據(jù)建筑物的冷熱負荷曲線、使用特點、功能，所處環(huán)境等諸多因素綜合評價使用WLHP系統(tǒng)是否節(jié)能、合適。一般地說，以下幾種情況可考慮使用WLHP：①有低品位穩(wěn)定可靠的廢熱可以利用；②建筑物內同時有制冷和供熱的需要；制冷量不大，且又要求獨立計量電費，使用時間不一，個別房間或區(qū)域經(jīng)常需在夜間或節(jié)假日獨立使用的建筑。
地源熱泵系統(tǒng)的適用場合，對于分散式系統(tǒng)，類似于上述水環(huán)路熱泵系統(tǒng)的情況；而對于集中式系統(tǒng)，即集中為建筑物各房間提供冷水或熱水的情況，則適用范圍較廣，尤其適用于辦公樓、學校及別墅等。
3．對幾種地源熱泵系統(tǒng)在工程應用中的評述
1）直接利用地下井水的地源熱泵系統(tǒng)：其最大優(yōu)點是非常經(jīng)濟，占地面積小，但要注意必須符合下列條件：水質良好；水量豐富；符合標準。
2）地下埋管的地源熱泵系統(tǒng)：對于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：較小的土地占用，管路及水泵用電少，其缺點是鉆井費用較高；對于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應用廣泛，使用者易于掌握，其缺點有：占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。
3）地表水式熱泵：其優(yōu)點有：在10米或更深的湖中，可提供10℃的直接制冷，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、低運行費用，在溫暖地區(qū)，湖水可做熱源，其缺點有：在淺水湖中，盤管容易被破壞，由于水溫變化較大，會降低機組的效率。
4）鍋爐/冷卻塔與地下埋管相結合的混合型地源熱泵系統(tǒng)：適用于空間小，不能單獨采用地下埋管換熱系統(tǒng)的建筑，冷卻塔和閉環(huán)式系統(tǒng)相結合制冷，節(jié)省成本；事實證明該系統(tǒng)是高效率、低費用的。
4．地源熱泵的運行費用怎樣？經(jīng)濟性如何？
    這是用戶最關心，也是大家最容易提出的一個問題，然而，也是目前最難回答的一個問題。因為影響地源熱泵使用經(jīng)濟性的因素有很多，如電價、用戶或居民行為、氣候條件以及例如非正常的炎熱或寒冷季節(jié)等其它因素。尤其是在中國的應用時間還不長，實際運行經(jīng)濟性的總結工作還有待完成，目前，尚難于給出較準確的答案。由于美國等發(fā)達國家在地源熱泵的工程應用方面已至少有十余年的歷史，不妨先借鑒其經(jīng)驗。據(jù)世界環(huán)境保護組織EPA的一份有關空調未來的報告所得出的結論：地源熱泵技術在為家庭居民帶來舒適、可靠和高效節(jié)能的同時，將成為降低國家能源消耗和環(huán)境污染的一個主要力量。據(jù)EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說，可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調的運行費用。