北京建筑大學      李贊   李德英   聶金哲

摘   要：我國傳統能源面臨的緊缺危機越來越凸顯，熱泵作為一種通過消耗少量高品位能源，把低品位熱量上升為高品位熱量的特殊裝置而受到了人們的青睞。本文首先介紹我國地緣熱泵的發展背景，并全面闡述了地源熱泵系統分類、系統技術等，從而闡述了地源熱泵技術在中國發展趨勢。

關鍵詞：地源熱泵；供熱技術；節能減排；展望

       0   引言

       目前，能源問題、環境問題是國際上面臨的兩大問題。要解決這兩大問題除使能源有效利用外，還應開發新型能源。因此許多國家正在積極開發清潔能源和可重新使用能源，如太陽能、地熱能、核能、風能等等，作為世界上人口最多的發展中國家，我國能源的開發利用面臨著經濟發展和環境保護的巨大壓力，能源已經成為我國可持續發展的關鍵。

       地源熱泵（Groundsourceheatpump）也稱為地熱熱泵（Geothermalheatpump），它是以地源能（土壤、地下水、地表水、低溫地熱水和污水）作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季供暖供熱的低溫熱源，同時是實現供暖、制冷和生活用水的一種系統。它用來替代傳統的用制冷機和鍋爐進行空調、供暖和供熱的模式，是改善城市大氣環境和節約能源的一種有效途徑，也是國內地熱能利用的一個新發展方向^[1]。近年來，地源熱泵技術已經成為國內建筑節能及暖通空調界的熱門研究課題，并規模化應用于工程實踐，逐漸向市場化、產業化發展。

       地源熱泵技術在中國應用時間不長，但推廣應用速度非常快，幾乎以每年20%以上的速度增長，尤其在上海世博場館中大面積推廣，取得了很好的節能效果。隨著該技術的推廣應用和深入研究，我國已掌握了地源熱泵的全套技術，并在淺層地熱能勘查評價規范、鉆孔熱反應測試技術、高效地下熱交換井以及太陽能與地源熱泵技術的聯合應用等方面都取得了一些新進展，這些成果的取得將為實現我國2050年的節能減排目標提供技術保障。

       1   中國地源熱泵技術應用

       目前，我國每年使用地源熱泵系統的項目已超過2000個，建筑面積近8000萬m²。其中，北京市的地源熱泵項目已達700多個，建筑面積達1800萬m²；河北省達到920萬m²；遼寧省沈陽市達到3400萬m^2[2]。另外，山東、天津、甘肅、江蘇、內蒙古、吉林、江西等省(市、區)采用地源熱泵為城市建筑供暖和制冷的面積迅速增加。資料顯示，2005年我國地源熱泵應用面積為3000萬m²，2007年應用面積達到7000萬m²，而地源熱泵系統在城市示范工程中的單體規模已達80萬m²。2008年，我國熱泵行業的年銷售額超過50億元，并連續多年實現20%以上的持續增長，僅2008年我國使用該技術，實現二氧化碳減排1987萬噸^[3]。預計到2020年全國利用地源熱泵供暖和制冷面積將達到2億m²，到2030年預計為4億m²，到2050年將達到10億m²。
2010年上海世博場館和2008年的北京奧運會場館為我國地源熱泵技術應用最成功的典型。2010年上海世博會主題是“城市，讓生活更美好”，為體現世博會節能環保的理念，在世博能源規劃中，夏季供冷系統優化集成了江水源熱泵、水(冰)蓄冷技術和地源熱泵技術，冬季供熱則集成了江水源熱泵和天然氣鍋爐的技術組合。世博場館采用熱泵技術的總建筑面積達86.8萬m²，其中，世博軸采用了江水源熱泵與地源熱泵技術，建筑面積為24.8萬m²；世博中心采用了江水源熱泵與冰/水蓄冷技術，建筑面積為14萬m²；世博演藝中心采用了江水源熱泵與冰蓄冷技術，建筑面積為8萬m²；浦西新能源中心采用了江水源熱泵技術，建筑面積為40萬m²。“世博軸”位于黃浦江邊，地下地上各2層，占地面積13.6萬m²，總建筑面積24.8萬m²，是世博園區最大的單體項目和世博園區的標志性建筑之一，也是世博會的入園主通道與核心區域。該建筑的空調系統由同濟大學和南京豐盛新能源科技股份有限公司作為技術支持和承建單位，采用了江水源熱泵結合土壤源熱泵的復合系統，實現空調冷熱源100%采用可再生能源。該空調系統中江水源熱泵承擔2/3負荷，土壤源熱泵承擔1/3負荷。江水源熱泵系統采用3臺1000冷噸的單冷離心機組，土壤源熱泵系統采用了5臺350冷噸螺桿機組，總裝機容量4750冷噸。經過測算，每年可節約運行費用約530萬元，節能率約40%，可節電約660萬kW·h，相當于節約煤炭2640t，節水26400t，減少5440t二氧化碳的排放量。土壤源熱泵根據項目所在地的巖土熱物性實驗結果，因地制宜的利用了6000根建筑樁基布置土壤換熱器形成能源樁，這一技術創新性的將建筑樁基與空調系統結合起來，節省了投資和土地，達到了運行高效節能^[4]。

       2   土壤熱交換器地源熱泵

       土壤熱交換器地源熱泵是利用地下巖土中熱量閉路循環的地源熱泵系統。通常稱之為“閉路地源熱泵”，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。地下耦合熱泵系統在結構上的特點是有一個由地下埋管組成的地熱換熱器。地熱換熱器的設置形式主要有水平埋管和垂直埋管兩種。現場可用的地表面積是選擇地熱換熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地熱換熱器可以比水平埋管節省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情。管溝或豎井中的熱交換器成并聯連接，再通過集管進入建筑中與建筑物內的水環路相連接。在液體溫度較低時，系統中需加入防凍液，北方地區應用時應特別注意[5]。

       3   地下水地源熱泵

       地下水源熱泵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。水質良好的地下水可直接進入熱泵換熱，之后將井水回灌地下，這樣的系統稱為開式系統。由于可能導致管路阻塞，更重要的是可能導致腐蝕發生，通常不建議在地源熱泵系統中直接應用地下水。開式系統在適當的地下水條件和建筑物參數下是一個有吸引力的選擇方式，但必須謹慎的使用。

       實際工程中更多采用閉式環路的熱泵循環水系統，即采用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質對熱泵的影響。通常系統包括帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運行，根據溫度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消開式系統在性能上的優勢。由于地下水溫常年基本恒定，夏季比室外空氣溫度低，冬季比室外空氣溫度高，且具有較大的熱容量，因此地下水熱泵系統的效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3~4.5，并且不存在結霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統在我國得到了迅速發展。

       4   地表水地源熱泵

       地表水地源熱泵系統由潛在水面以下、多重并聯的塑料管組成的熱交換器，取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區需要進行防凍處理。

       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型式。熱泵與地表水的換熱可采用開式循環或閉路循環的形式。開式循環是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環液換熱后再排入水體。但水質較差時在換熱器中會產生污垢，影響傳熱，甚至影響系統的正常運行。更常用的地表水熱泵系統采用閉路循環，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環液通過盤管與水體換熱，可以避免水質不良引起的污垢和腐蝕問題。在實際工程中，有大量的應用特性可以幫助我們決定以上系統中的哪一種形式最適宜選擇。其中包括可用地下水含量、可用地表水面積、現場土地面積、潛在熱回收能力、建筑物高度和規模、機房面積和當地規劃要求等。

       5   結語

       隨著國家對可再生能源應用以及建筑節能的不斷重視，地源熱泵這項技術必將引起政府更高層次的重視，地源熱泵的使用將保持快速增長趨勢，總量持續增長，技術含量不斷提高，熱源類型不斷增加，產業規模持續擴大，市場價格逐漸降低，為節能減排的貢獻率不斷增加。
目前，世界各國都比以往更加關注能源、環境與可持續發展問題，而以燃煤為主的能源結構已經造成了極為嚴重的大氣污染。因此，要實現經濟的可持續發展，必須盡可能多的利用清潔的可再生能源，必須加大節能力度，所以地源熱泵系統是一個很好的選擇；一方面，經過多年的研究，地源熱泵系統在技術上已經趨于成熟，而且經過示范和時間，確認了地源熱泵系統具有節能環保、自然資源再利用、舒適安全、性能穩定、清潔、使用靈活等很多優點。為了改變能源結構形式，實現能源及環境可持續發展，發展地源熱泵系統勢在必行。

參考文獻

       [1] 朱照華.地源熱泵研究[D].重慶:重慶建筑大學.2000．

       [2] 淺層地熱能引領節能新潮流[J].中國建設信息:供熱制冷.2010,(2).

       [3] 李元普.我國地源熱泵技術發展現狀與趨勢[J].中國建設信息:供熱制冷.2009,(5).

       [4] 馬宏權,龍惟定.世博園區江水源熱泵技術應用[J].建設科技.2010,(12):58–64.

       [5] 張文麗.新型能源在供熱方面的應用[J].中國科技博覽，2012(37):546–546.

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
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