徐 伊 萌

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

伴隨我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一次能源消耗量急劇增加，我國(guó)成為能源消耗量最大的國(guó)家?，F(xiàn)有建筑物多采用空調(diào)設(shè)備調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣環(huán)境，易消耗大量能源，對(duì)環(huán)境造成危害。其中，在夏季制冷季，室內(nèi)向室外空氣的排熱使得室外溫度持續(xù)增高，室外溫度增高又迫使人們加大室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率，繼而向室外排放更多的熱空氣，循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致了電能的巨大消耗。

應(yīng)用于建筑環(huán)境領(lǐng)域的地源熱泵技術(shù)是以大地或水為冷熱源的空調(diào)技術(shù)，在大地和室內(nèi)之間“轉(zhuǎn)移”能量，遵循卡諾定理。需要從外部供給熱泵較小的耗功來(lái)維持建筑室內(nèi)所需要的溫度。確保能源應(yīng)用的可持續(xù)性，提高可再生能源的利用率，對(duì)地源熱泵的研究和應(yīng)用有著重要的意義。本文闡述了國(guó)內(nèi)外地源熱泵的研究現(xiàn)狀，介紹了地源熱泵的三種類(lèi)型和其原理技術(shù)，提出了現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了地源熱泵目前存在的主要問(wèn)題，為地源熱泵的應(yīng)用和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 地源熱泵的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

國(guó)外學(xué)者和企業(yè)對(duì)地源熱泵技術(shù)進(jìn)行了較早的研究和應(yīng)用，國(guó)外的相關(guān)發(fā)展歷程可分為三個(gè)階段：1)瑞士人Zoelly早在1912年就提出了利用土壤作為熱泵熱源的設(shè)想。一直到二戰(zhàn)結(jié)束，地源熱泵才興起研究熱潮，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)能源價(jià)格低廉，這一階段并沒(méi)有持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間就結(jié)束了。2)第二階段是在1973年“能源危機(jī)”出現(xiàn)之后，出于需求，歐美國(guó)家對(duì)于地源熱泵的研究達(dá)到高潮。在政府的支持下，美國(guó)多所高校和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了一系列的實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬并形成了現(xiàn)在的地源熱泵的理論基礎(chǔ)。3)第三階段是在20世紀(jì)90年代之后，地源熱泵進(jìn)入了全面應(yīng)用的新時(shí)代，歐美國(guó)家全面推廣，地源熱泵成為了家用熱泵的主力。地源熱泵的應(yīng)用在歐美國(guó)家取得了良好的效果并已進(jìn)入成熟階段，截至2015年，地源熱泵的裝機(jī)容量占全球地?zé)岙a(chǎn)能的68.3%。

地源熱泵技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展歷程呈現(xiàn)出“起步晚、增長(zhǎng)快”的特點(diǎn)，2005年后進(jìn)入了高速發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著改革開(kāi)放后經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)的建筑產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，建筑能耗增加，亟需尋找可再生能源以減輕傳統(tǒng)石化能源消耗引起的環(huán)境污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)高校和企業(yè)開(kāi)始關(guān)注地源熱泵技術(shù)。20世紀(jì)90年代，北京、上海、天津、重慶、山東等地高校研究人員對(duì)土壤源熱泵進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，論證了地源熱泵技術(shù)在我國(guó)實(shí)施的適宜性，是地源熱泵推廣應(yīng)用的重要依據(jù)。90年代中后期，地源熱泵技術(shù)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的公共建筑和居住建筑。2005年起，我國(guó)《可再生能源法》頒布實(shí)施，國(guó)家提出了“十一五”期間節(jié)能降耗和污染減排的具體目標(biāo)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》頒布實(shí)施，2008年國(guó)務(wù)院發(fā)布《公共機(jī)構(gòu)節(jié)能條例》和《民用建筑節(jié)能條例》[1]，這些國(guó)家政策、法律、規(guī)范的實(shí)施，大力促進(jìn)了地?zé)崮茉醇夹g(shù)尤其是地源熱泵技術(shù)在建筑領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。截至2014年年底，全國(guó)地源熱泵總利用面積約3.6億m2，2010年以來(lái)的年平均增長(zhǎng)率達(dá)28%。2016年國(guó)家能源局發(fā)布的《國(guó)家能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》目標(biāo)中，“2020年地?zé)崮芾靡?guī)模達(dá)到7 000萬(wàn)t標(biāo)煤以上”[2]。

2 地源熱泵的分類(lèi)

目前，應(yīng)用于建筑環(huán)境領(lǐng)域的地源熱泵技術(shù)是熱泵的一種，遵循卡諾定理，是以大地或水為冷熱源對(duì)建筑物進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的空調(diào)技術(shù)，地源熱泵系統(tǒng)在大地和室內(nèi)之間“轉(zhuǎn)移”能量。需要從外部供給熱泵較小的耗功來(lái)維持建筑室內(nèi)所需要的溫度。地源熱泵可分為地表水源熱泵、地下水源熱泵和土壤源熱泵三種類(lèi)型。在一次2004年的調(diào)查數(shù)據(jù)中顯示：地下水源熱泵所占比例為65.06%、土壤源熱泵占30.12%、地表水源熱泵占4.82%。近些年來(lái)，隨著土壤源熱泵的飛速發(fā)展，其所占比例日漸升高。

2.1 地表水源熱泵

地表水源熱泵機(jī)組通過(guò)布置在水底的閉合換熱系統(tǒng)與江河、湖泊、海水等進(jìn)行冷熱交換[3]。按照熱交換的原理，地表水源熱泵系統(tǒng)可以分為閉路、開(kāi)路系統(tǒng)兩種形式。開(kāi)路式系統(tǒng)在熱交換過(guò)程中地表水進(jìn)入熱泵設(shè)備內(nèi)部，因此開(kāi)路式系統(tǒng)對(duì)地表水水質(zhì)要求較高。閉路式系統(tǒng)不同于開(kāi)路式系統(tǒng)，熱交換過(guò)程中避免了地表水與熱泵設(shè)備的直接接觸。在大連、青島等城市均有采用海水源熱泵的建筑投入實(shí)際運(yùn)行中并在不斷探索研究中。不僅在建筑行業(yè)，交通、石油等行業(yè)也紛紛投入水源熱泵的建設(shè)應(yīng)用中。但這種地表水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)受到自然條件的限制，寒冷地區(qū)一般只采用閉路系統(tǒng)，在冬季北方地區(qū)應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行防凍處理[3]。而我國(guó)南方地區(qū)氣候溫暖，擁有眾多江河湖泊，為推廣地表水源熱泵提供便利。相比于其他兩種熱泵類(lèi)型，地表水源熱泵的研究較少。

2.2 地下水源熱泵

地下水源熱泵系統(tǒng)從水井或廢棄的礦井中抽取地下水作為熱源，利用熱泵技術(shù)，輸入少量高位電能，實(shí)現(xiàn)冷熱量由低熱能向高位能的轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到為用戶(hù)供熱或供冷的目的[4]。地下水源熱泵系統(tǒng)在使用時(shí)具有一定局限性，適合于地下水資源充沛的地區(qū)，并且要得到當(dāng)?shù)刭Y源管理部門(mén)的允許才可以合理開(kāi)采利用地下水。近幾年，地下水的水質(zhì)處理及地下水的回灌技術(shù)成為研究的主要內(nèi)容，一些城市專(zhuān)門(mén)成立了專(zhuān)家組來(lái)攻克有關(guān)地下水的研究課題。我國(guó)地下水源熱泵發(fā)展出現(xiàn)了地下水質(zhì)惡化和地下水超量開(kāi)采的嚴(yán)峻問(wèn)題，雖然地下水源熱泵并不是導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題的主要原因，但也會(huì)加深這個(gè)問(wèn)題的嚴(yán)重性。地下水作為珍貴的水資源，應(yīng)當(dāng)?shù)玫奖Ｗo(hù)和儲(chǔ)存，所以地下水源熱泵具有很大的限制性。

2.3 土壤源熱泵

土壤源熱泵利用了地下土壤溫度的穩(wěn)定性這一特點(diǎn)。10 m以下的土壤溫度全年保持在12 ℃～20 ℃的恒溫，相對(duì)于地上溫度變化幅度小。土壤源熱泵除了室外管路系統(tǒng)，還有熱泵工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和室內(nèi)空調(diào)管路系統(tǒng)為主要組成部分。它的工作原理是：冬天，從地下土壤吸取熱量輸送到地上為用戶(hù)進(jìn)行供暖；夏天，吸收室內(nèi)熱量輸送到地下再釋放到土壤中，這樣可以保證土壤溫度保持平衡，減小對(duì)地下土壤的破壞程度，也避免了污染室外空氣。

土壤源熱泵有水平埋管、垂直埋管和螺旋型埋管三種埋管方式。水平埋管形式適用于有足夠空間的場(chǎng)所，埋管深度在1.2 m～3 m之間，采用單層或多層串、并聯(lián)水平平鋪埋管方式，水平埋管安裝方便、投入低，但相對(duì)來(lái)說(shuō)它的應(yīng)用效果差，不僅占用面積大還會(huì)在很大程度上受到地面溫度的影響。垂直埋管形式適用于10 m～100 m深度的U形垂直埋管或套管，該類(lèi)型占地面積小，地下溫度穩(wěn)定不易受影響，熱泵效果運(yùn)行良好，但初投資過(guò)高[5]。螺旋型埋管結(jié)合了水平埋管和垂直埋管的優(yōu)勢(shì)，解決了占地面積大和造價(jià)高的問(wèn)題，但螺旋型埋管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易施工，后期維護(hù)困難，且系統(tǒng)運(yùn)行阻力大。

3 地源熱泵的特點(diǎn)

3.1 地源熱泵的優(yōu)點(diǎn)

1)充分利用可再生能源。地源熱泵技術(shù)是一種理想的綠色技術(shù)，利用的是地球表面淺層地?zé)豳Y源。地表淺層資源采集了47%的太陽(yáng)能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于人類(lèi)每年實(shí)際應(yīng)用的能量。地源熱泵技術(shù)符合政策上可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。2)節(jié)能效率高。地源熱泵的COP(Coefficient of Performance)值達(dá)到了4以上，也就是說(shuō)消耗1 kW·h的能量，用戶(hù)可得到4 kW·h以上的熱量或冷量。3)維護(hù)費(fèi)用低。地源熱泵系統(tǒng)安裝在地下，不受室外環(huán)境的影響，后期維護(hù)費(fèi)用低，且自動(dòng)控制程度高，無(wú)需專(zhuān)人值守，可遠(yuǎn)程操控。4)環(huán)境污染小。地源熱泵的利用避免了燃燒各類(lèi)不可再生能源，因此也不會(huì)向室外釋放各類(lèi)有害氣體，減輕了對(duì)環(huán)境的污染，提升了空氣質(zhì)量指數(shù)。

3.2 地源熱泵的局限

1)初期投資高。地源熱泵的初期投入較高，后期回收利益周期較長(zhǎng)，“高投資、慢回報(bào)”投資會(huì)使許多公司望而卻步，這不利于地源熱泵的推廣應(yīng)用。

2)地源熱泵從設(shè)計(jì)到施工都有較高要求，雖然現(xiàn)在做暖通的公司很多，但是真正擁有專(zhuān)業(yè)地源熱泵安裝施工技術(shù)的公司并不多。而地源熱泵的安裝需要有專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員參與其中。

3)負(fù)責(zé)后期運(yùn)行維護(hù)的技術(shù)人員水平亟需提高。后期維護(hù)地源熱泵系統(tǒng)的管理人員水平有限，并沒(méi)有相應(yīng)的學(xué)歷和知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)地源熱泵投入實(shí)際應(yīng)用后的觀察改善無(wú)實(shí)際作用。地源熱泵的操控還需引進(jìn)高技術(shù)水平人員，這才有利于地源熱泵系統(tǒng)后期的維護(hù)和實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著能源應(yīng)用結(jié)構(gòu)的迫切改革需求，對(duì)石化能源的應(yīng)用將會(huì)逐漸減小，而清潔的可再生能源將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的主流。地源熱泵擁有的眾多優(yōu)點(diǎn)非常適合應(yīng)用于新的能源結(jié)構(gòu)中。地源熱泵系統(tǒng)存在一定局限性和可發(fā)展性，可把地源熱泵系統(tǒng)與其他類(lèi)型的熱泵系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，如太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)，結(jié)合兩類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，摒棄缺點(diǎn)，優(yōu)化系統(tǒng)，形成更高效、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的熱泵系統(tǒng)。此外，地源熱泵的推廣還需國(guó)家和政府的支持，讓更多的人了解地源熱泵，更多的科研院所和企業(yè)投入地源熱泵的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)。綜上所述，地源熱泵系統(tǒng)還有巨大的發(fā)展空間和發(fā)展前景，發(fā)展地源熱泵也是勢(shì)在必得的事情，地源熱泵技術(shù)的完善也有利于節(jié)能減排和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

[1] 陳 俊.淺述淺層地?zé)崮艿膽?yīng)用和發(fā)展前景[J].中國(guó)水運(yùn)月刊,2013(2):196.

[2] 楊 揚(yáng),張潔明,王曉晨,等.淺析我國(guó)地源熱泵現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].區(qū)域供熱,2017(1):120-123.

[3] 徐 偉,劉志堅(jiān).中國(guó)地源熱泵技術(shù)發(fā)展與展望[J].建筑科學(xué),2013,29(10):26-33.

[4] 仉安娜,唐遠(yuǎn)明.環(huán)保節(jié)能地源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2008,28(12):34-37.

[5] 楊衛(wèi)波,董 華.土壤源熱泵系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究狀況及其發(fā)展前景[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2003,22(3):52-55.