地源热泵与建筑节能

简介： 在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其它大气污染物的排放,最大限度地减小空调设备对建筑物外观的影响。本文阐述了利用热泵供热比锅炉直接燃烧供热节能的原理，对主要的热泵供热形式，特别是地源热泵的技术特征、适用范围和经济性作了较详细的介绍。
关键字：热泵 建筑环境 节能

1、热泵与建筑供热空调

　　随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25-30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO₂, NOX等有害气体以及CO₂等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO₂排放的供热和空调新技术。

1.1 热泵原理与组成
热泵（制冷机）是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑空调系统由于必须有冷源（制冷机），如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。
热泵空调系统通常由制冷剂环路、室内环路和低温热源换热环路等环路组成。有的还设有加热生活热水的环路。不同类型的热泵，其制冷剂环路和室内环路基本相同，但其低温热源换热环路各有不同。如分体空调的室外机是空气源热泵的低温热源换热环路，而地热换热器则是地源热泵的低温热源换热环路。
将水从生活热水箱送到冷凝器去进行循环的封闭加压环路，是一个可供选择加热生活热水的环路。对于夏季工况，该循环可充分利用冷凝器排放的热量，不消耗额外的能量而得到热水供应；在冬季，其耗能也大大低于电热水器（参见图1）。

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图1地源热泵流程示意图

1.2 热泵特点
采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气）产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率（即为建筑物供热的热量与燃料发热量之比）最高可为100%。如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵从周围环境中吸收低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供热的一次能源消耗。供热用热泵的性能系数，即供热量与消耗的电能之比，现在可达到3~4。而用电阻加热设备把电能转化为热能的性能系数为1。
热泵是减少CO₂排放量的最经济有效的技术。现在全世界约有1.3亿台热泵在运行，总供热量约为每年4.7×10⁹ GJ，每年减少CO₂排放量约为1.3亿吨。随着热泵技术的进一步改进和发电效率的进一步提高，采用热泵技术供热使全世界CO₂排放量减少16%是有可能的。因此，它是建筑节能和减少CO₂排放的关键技术之一。除了减少矿物燃料的消耗以外，由于在大型电站中集中燃烧矿物燃料发电有利于采用先进技术除去或减少燃烧产物中的粉尘、SO₂和NOx等大气污染物，采用电动热泵供热与分散的锅炉房供热相比还可以大大减少燃煤产生的大气污染。
热泵能够充分利用可再生能源，是一项可持续发展技术。热泵利用的低温热源通常是环境（大气、地表水和大地）或各种废热。由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。如地源热泵冬季把大地中的热量升高温度后对建筑物供热，同时使大地的温度降低，即储存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中储存的热量以供冬季使用。这样大地就起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。
如上所述，地源热泵用地热换热器作为低温热源环路，不需要冷却塔和室外热交换装置；用制冷机组（热泵）取代了锅炉。因此对于建筑师来说，地源热泵供热空调系统还有一个重要的优点，就是去除了传统空调系统所需的锅炉房和冷却塔。这些设施对建筑空间的需求和限制，往往成为建筑师的难题。而地源热泵空调系统没有室外设施，对建筑物的外观无影响。因此这一技术特别适用于景观性建筑、古建筑以及难以设置冷却塔的空调项目，有利于保护这些建筑的立面及周边环境不被破坏，解决无处设置冷却塔或锅炉房的问题。例如在温州市世纪广场中心的标志性建筑的空调系统中采用了地源热泵作为冷热源，主要就是出于景观要求的考虑。

2、空调热泵的分类及技术分析

　　以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种，例如有利用建筑通风系统的热量（冷量）的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。本文主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵 (air source heat pump, ASHP) 和地源热泵（ground source heat pump, GSHP）两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵 (surface-water heat pump，SWHP)、地下水热泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合热泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。我国对热泵系统的术语尚未形成规范的用法。例如对地下水热泵系统有“地温空调”的商业名；而地下耦合热泵则在一些文献中称为“土壤源热泵”，或直接称为“地源热泵”。

2.1 空气源热泵
空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖；其性能系数（COP）一般在2～3。空气源热泵系统简单，初投资较低。空气源（风冷）热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和风冷热泵冷热水机组。
空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。此外，其所必需的室外机或冷却塔对建筑物有一定的影响或损坏作用。空气源热泵的制热量随室外空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热。而且，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。空气源热泵不适用于寒冷地区，在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区，已得到相当广泛的应用。

2.2 地源热泵
另一种热泵利用大地（土壤、地层、地下水）作为热源，可以称之为“地源热泵”。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。
2.2.1 地下水热泵
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。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入热泵换热，这样的系统称为开式环路。实际工程中更多采用闭式环路的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵的影响。由于地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外空气温度高，且具有较大的热容量，因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高，COP值一般在3~4.5，并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。
地下水热泵系统的应用也受到许多条件的限制。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。按常规计算，10,000 m²的空调面积需要的地下水量约为120 m³/hr。地下水热泵系统的经济性还与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但目前国内地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。再者，即使能够把抽取的地下水全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。
2.2.2 地表水热泵
地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液换热后再排入水体。其缺点是水质较差时在换热器中产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度；冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。
2.2.3 地下耦合热泵
地下耦合热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常称之为“闭路地源热泵”，以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器 (geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管形式是在地面开1~2米深的沟，每个沟中埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1~0.15 m的钻孔，在钻孔中设置1组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40~200 m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情。地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。设置地热换热器的主要费用是钻孔的费用。因此正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。由于影响因素很多，数学模型复杂，国内外已开发了一些地热换热器设计计算软件，可以避免盲目估算带来的失误。其中地下岩土的热物性对传热能力的影响很大，建议采用现场实测的方法确定地下岩土的热物性。我国的研究人员和工程技术人员近年来在消化吸收国外先进技术的基础上在地热换热器的设计理论方面进行了不懈的努力，山东建筑工程学院已于2001年建成闭路地源热泵示范工程并投入实际使用，为在我国推广应用这一新技术积累了宝贵的经验。

3、地源热泵空调系统的经济性分析

　　地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。如上所述，地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40-60％。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。
迄今为止制约地下耦合热泵系统在我国应用的障碍主要是在地下埋管的初投资较高，以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。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。根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在3~7年内收回，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。这里根据山东省的情况和现行的价格体系对地源热泵空调与传统空调方式的初投资及运行费用指标作一比较。

　　说明：冬、夏季运行天数分别按140天和90天计,每天运行10小时,运行负荷系数取0.7。
机房运行费用和冷却塔运行费用均指水泵等用电设备运行费用，表中为概算值。

4、结束语

　　在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO₂和其它燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。在本文所讨论的几种主要的热泵系统中，空气源热泵的初投资最少，但效率较低，且应用条件受一定的限制，仍将在部分冬季气候温和的地区得到较多的应用。地下水热泵和地表水热泵系统受水资源条件的制约，应用范围受到限制。地源热泵（地下耦合热泵系统）适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著。地源热泵在北美和欧洲的许多国家已得到广泛的应用，是一种成熟的技术；但我国在地源热泵的应用方面还刚刚起步。推广地源热泵技术需要政府的政策引导、对设计和施工人员的培训、所需设备和材料的配套以及提高公众对地源热泵技术的了解程度。在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低，对热泵空调系统的市场需求尚未形成。随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高，以上两个制约因素已不复存在，空调和供热已成为普通百姓的需求，并逐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经验，我国的地源热泵应用将得到较快的推广和发展。

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作者：方肇洪山东建筑工程学院地源热泵研究所所长，教授
刁乃仁山东建筑工程学院地源热泵研究所副所长，教授
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