发展低碳经济 地源热泵大有作为

秦铁正 贾湛 彭津琴

一、地源热泵系统简介[1][2]

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。它是利用水源热泵的一种形式，即利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。地源热泵机组的能量流动是利用其所消耗的能量 （如电能）将吸取的全部热能（即电能+吸收的热能）一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂（如R22）压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到5kW以上的热量或4kW以上冷量。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

室外地能换热系统按照室外换热方式不同可分为三类：其一为土壤埋盘管系统，其二为地下水系统，其三为地表水系统。又可根据循环水是否为密闭系统分为闭环（如垂直埋管方式、水平埋管方式、地表水安置换热器方式。）和开环系统（如抽取地下水或地表水方式）。水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。

地源热泵机组装置主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，其工作原理是：由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。见图1。

图1 地源热泵工作原理图

在目前我国利用较多的是水源热泵，就是以地下水作为冷热"源体"，冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。夏季制冷原理如图2所示，冬季供热原理如图3所示。

图2 夏季供冷原理图

图3 冬季供热原理图

与传统暖通空调系统相比，传统暖通空调系统需要很多辅助系统或设备来完成一个完整的暖通空调功能，如冷却塔等。而水源热泵系统只是通过与地下水的热交换来完成制冷或制热的效果。只应用一个硬件系统，通过在不同季节进行冷凝器和蒸发器的转换，就可以完成制冷与制热功能的转换。而且它无须任何人工资源，彻底取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。

二、地源热泵技术发展[1]

“地源热泵”的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。80年代初开始，美国、加拿大开展了冷暖联供地源热泵方面的研究工作，上世纪80年代后期，地源热泵技术发展趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10%。美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。

在我国，对地源热泵的研究起始于50年代，1965年天津大学研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。1998年是我国在该领域的一个里程碑，从这一年开始，国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台，同时也相继成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。近年来该项技术成了国内建筑节能及暖通空调界热门的研究课题，并开始大量应用于工程实践，与此相关的热泵产品应运而生，掀起了一股“地热空调”的热潮。在工程应用方面，地下水地源热泵系统数量最多，应用范围最广，主要采用“异井抽灌”和“单井抽灌”技术。“第三届2010中日热泵与蓄热技术交流会”信息披露，我国地源热泵应用情况呈逐年上升趋势，截止2009年，我国地源热泵使用总面积已达1.39亿平方米，市场相关产品销售总额已超过16亿人民币。并且市场份额也正逐年从外资品牌占有大量市场份额向国有自主品牌渐成主导转变。

三、地源热泵技术性能特点[2]

在地源热泵（变频空调中央机组）项目的工程咨询服务的过程中，我们对天津大学热能与制冷工程技术中心以及对其地源热泵技术应用典型工程（津蓟高速公路起点收费站闭式地源热泵空调系统、建筑面积3.2万平米的天津海泰科技楼凿井开式循环系统、建筑面积9万平米的天津万顺商务楼地热直供结合尾水再利用的热泵供热系统等工程）进行了深入的考察和调研，归纳总结发现，地源热泵的应用可以根据每个工程个体的基础条件不同而选择不同系统类型，但所有地源热泵系统均体现了如下技术性能特点：

1、可再生能源利用

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵正是利用地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。

2、经济有效节能

地能或地表浅层地热资源的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，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此可以节能并节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达 3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60%。

3、环境效益显著

地源热泵系统在运行中没有燃烧，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气。地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。

4、一机多用，应用范围广

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。

5、节水

以水为载体吸收或向其释放热量，从而达到供暖或制冷的作用。既不消耗水资源，也不对其造成污染。

6、系统维护费用低

在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，其地下部分可保证50年，地上部分可保证30年，因此地源热泵是免维护空调，节省了维护费用，使用户的投资在3年左右即可收回。此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。

当然，象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约。实际上地源热泵并不需要开采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染。

综上，地源热泵上述优异的技术性能特点，使其具备了成为节能减排、发展低碳经济有效手段的卓越潜质。

四、地源热泵发展前景广阔

（一）我国适宜发展地源热泵[3]

我国国土面积巨大，从北到南可划分为五个主要气候区，其中对冷热量都有需求的地区占绝大部分；同时中国浅层地表能量蕴藏丰富，适宜大力发展地源热泵供暖空调系统。据专家测算，目前我国发电装机容量为5．08亿千瓦，百米内地下水每年可采集的低温能量约为2．2×108千瓦，相当于其43%，近百米内的土壤每年可采集的低温能量相当于1.5×1012千瓦，则是其2950倍，故而利用浅层地能进行能量转换的地源热泵供暖空调系统在我国有着相当大的市场发展空间。

（二）鼓励发展的政策背景为地源热泵的发展助力、加油

地源热泵作为一项可持续发展的建筑节能技术受到世界各国政府的重视，纷纷出台扶持政策促进其发展。我国也是如此。《中国人民共和国可再生能源法》、《节约能源法》对建筑节能提出了新要求；《建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》和《可再生能源建筑应用专项资金治理暂行办法》明确要加强对混合能源技术、热泵技术等的应用研究；《建筑节能治理条例》也明确提出要大力推广和普及地源热泵技术；《产业结构调整指导目录(2011年本）》进一步明确“地热能利用技术开发与设备制造”是新能源的鼓励类；北京、沈阳等数十个省市还相继出台了地方关于建筑中采用地源热泵技术的补贴政策。一系列相关法律及鼓励扶政策的出台，为地源热泵发展营造了良好的政策环境，业内人士预计，在国家鼓励发展的政策背景下，地源热泵技术将迎来难能可贵的发展机遇，将进入高速发展时期。

（三）地源热泵应用前景广阔[4]

建筑，被公认为现今全球能耗大户，节能建筑将成为未来全球普遍关注的热点。目前，我国城乡既有建筑总面积约400亿平方米，其中城镇约为160亿平方米，在城镇中居住建筑面积约为105亿平方米，其中能达到建筑节能标准的仅占5%，其余95%都是未来需要陆续进行节能改造的高能耗建筑；同时，我国每年新增房屋建筑面积约20亿平方米，预计到2020年底，我国新增的房屋面积将近300亿平方米，新增城镇民用建筑面积将为100亿～150亿平方米。第七届“中外绿色人居论坛”披露，早在2009年，建筑能耗已经占到中国社会总能耗的30%，是世界同纬度国家的3倍之多！而在建筑能耗中制冷、采暖等消耗的能源又是建筑能耗中的大户（一般中央空调能耗占整个建筑总能耗的50%，商场和综合大楼更是达到60%以上）。因此，降低建筑能耗中采暖、制冷的能耗是降低建筑能耗的一个必须解决的问题。地源热泵系统和常规的供热空调系统相比大约节能50%，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统，如果全国每年在1亿平方米建筑中推广应用地源热泵系统供暖空调，则每个采暖季可替代374万吨左右标煤，或25亿立方米左右天然气，削减约6.4万吨氮氧化物、933万吨二氧化碳、约16万吨颗粒物的排放。因此，发展地源热泵系统是我国建筑节能发展的需要,是地源热泵最大的应用潜力市场和地源热泵市场将呈现蓬勃兴盛局面的必然性的所在。

总之，建筑节能的发展，为地源热泵应用提供广阔的用武空间，业内人士预计到2020年，我国的地源热泵市场规模将比目前增长5～8倍。我们坚信，在倡导节能减排、发展低碳经济的今天和未来，有着高效、节能、低碳、环保等卓越性能的地源热泵将大有作为，发展前景广阔。

1.地源热泵--建筑节能新技术 作者：刁乃仁，方肇洪.建筑热能通风空调，2004，23(3）：18-23

2.地源热泵供暖空调的绿色技术 作者：张峰珠?

3、地源热泵在中国[C].作者：殷平.现代空调(3）.北京：中国建筑工业出版社，2001：1-8

4、地源热泵应用前景广阔 作者：徐伟、张时聪中国建设报