北京建筑大学 李赞 李德英 聂金哲
摘 要：我国传统能源面临的紧缺危机越来越凸显，热泵作为一种通过消耗少量高品位能源，把低品位热量上升为高品位热量的特殊装置而受到了人们的青睐。本文首先介绍我国地缘热泵的发展背景，并全面阐述了地源热泵系统分类、系统技术等，从而阐述了地源热泵技术在中国发展趋势。
关键词：地源热泵；供热技术；节能减排；展望
0 引言
目前，能源问题、环境问题是国际上面临的两大问题。要解决这两大问题除使能源有效利用外，还应开发新型能源。因此许多国家正在积极开发清洁能源和可重新使用能源，如太阳能、地热能、核能、风能等等，作为世界上人口最多的发展中国家，我国能源的开发利用面临着经济发展和环境保护的巨大压力，能源已经成为我国可持续发展的关键。
地源热泵（Groundsourceheatpump）也称为地热热泵（Geothermalheatpump），它是以地源能（土壤、地下水、地表水、低温地热水和污水）作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季供暖供热的低温热源，同时是实现供暖、制冷和生活用水的一种系统。它用来替代传统的用制冷机和锅炉进行空调、供暖和供热的模式，是改善城市大气环境和节约能源的一种有效途径，也是国内地热能利用的一个新发展方向[1]。近年来，地源热泵技术已经成为国内建筑节能及暖通空调界的热门研究课题，并规模化应用于工程实践，逐渐向市场化、产业化发展。
地源热泵技术在中国应用时间不长，但推广应用速度非常快，几乎以每年20%以上的速度增长，尤其在上海世博场馆中大面积推广，取得了很好的节能效果。随着该技术的推广应用和深入研究，我国已掌握了地源热泵的全套技术，并在浅层地热能勘查评价规范、钻孔热反应测试技术、高效地下热交换井以及太阳能与地源热泵技术的联合应用等方面都取得了一些新进展，这些成果的取得将为实现我国2050年的节能减排目标提供技术保障。
1 中国地源热泵技术应用
目前，我国每年使用地源热泵系统的项目已超过2000个，建筑面积近8000万m2。其中，北京市的地源热泵项目已达700多个，建筑面积达1800万m2；河北省达到920万m2；辽宁省沈阳市达到3400万m2[2]。另外，山东、天津、甘肃、江苏、内蒙古、吉林、江西等省(市、区)采用地源热泵为城市建筑供暖和制冷的面积迅速增加。资料显示，2005年我国地源热泵应用面积为3000万m2，2007年应用面积达到7000万m2，而地源热泵系统在城市示范工程中的单体规模已达80万m2。2008年，我国热泵行业的年销售额超过50亿元，并连续多年实现20%以上的持续增长，仅2008年我国使用该技术，实现二氧化碳减排1987万吨[3]。预计到2020年全国利用地源热泵供暖和制冷面积将达到2亿m2，到2030年预计为4亿m2，到2050年将达到10亿m2。
2010年上海世博场馆和2008年的北京奥运会场馆为我国地源热泵技术应用最成功的典型。2010年上海世博会主题是“城市，让生活更美好”，为体现世博会节能环保的理念，在世博能源规划中，夏季供冷系统优化集成了江水源热泵、水(冰)蓄冷技术和地源热泵技术，冬季供热则集成了江水源热泵和天然气锅炉的技术组合。世博场馆采用热泵技术的总建筑面积达86.8万m2，其中，世博轴采用了江水源热泵与地源热泵技术，建筑面积为24.8万m2；世博中心采用了江水源热泵与冰/水蓄冷技术，建筑面积为14万m2；世博演艺中心采用了江水源热泵与冰蓄冷技术，建筑面积为8万m2；浦西新能源中心采用了江水源热泵技术，建筑面积为40万m2。“世博轴”位于黄浦江边，地下地上各2层，占地面积13.6万m2，总建筑面积24.8万m2，是世博园区最大的单体项目和世博园区的标志性建筑之一，也是世博会的入园主通道与核心区域。该建筑的空调系统由同济大学和南京丰盛新能源科技股份有限公司作为技术支持和承建单位，采用了江水源热泵结合土壤源热泵的复合系统，实现空调冷热源100%采用可再生能源。该空调系统中江水源热泵承担2/3负荷，土壤源热泵承担1/3负荷。江水源热泵系统采用3台1000冷吨的单冷离心机组，土壤源热泵系统采用了5台350冷吨螺杆机组，总装机容量4750冷吨。经过测算，每年可节约运行费用约530万元，节能率约40%，可节电约660万kW·h，相当于节约煤炭2640t，节水26400t，减少5440t二氧化碳的排放量。土壤源热泵根据项目所在地的岩土热物性实验结果，因地制宜的利用了6000根建筑桩基布置土壤换热器形成能源桩，这一技术创新性的将建筑桩基与空调系统结合起来，节省了投资和土地，达到了运行高效节能[4]。
2 土壤热交换器地源热泵
土壤热交换器地源热泵是利用地下岩土中热量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。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和垂直埋管两种。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。管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。在液体温度较低时，系统中需加入防冻液，北方地区应用时应特别注意[5]。
3 地下水地源热泵
地下水源热泵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，之后将井水回灌地下，这样的系统称为开式系统。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。开式系统在适当的地下水条件和建筑物参数下是一个有吸引力的选择方式，但必须谨慎的使用。
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。通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行，根据温度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。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。
4 地表水地源热泵
地表水地源热泵系统由潜在水面以下、多重并联的塑料管组成的热交换器，取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。
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。但水质较差时在换热器中会产生污垢，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。在实际工程中，有大量的应用特性可以帮助我们决定以上系统中的哪一种形式最适宜选择。其中包括可用地下水含量、可用地表水面积、现场土地面积、潜在热回收能力、建筑物高度和规模、机房面积和当地规划要求等。
5 结语
随着国家对可再生能源应用以及建筑节能的不断重视，地源热泵这项技术必将引起政府更高层次的重视，地源热泵的使用将保持快速增长趋势，总量持续增长，技术含量不断提高，热源类型不断增加，产业规模持续扩大，市场价格逐渐降低，为节能减排的贡献率不断增加。
目前，世界各国都比以往更加关注能源、环境与可持续发展问题，而以燃煤为主的能源结构已经造成了极为严重的大气污染。因此，要实现经济的可持续发展，必须尽可能多的利用清洁的可再生能源，必须加大节能力度，所以地源热泵系统是一个很好的选择；一方面，经过多年的研究，地源热泵系统在技术上已经趋于成熟，而且经过示范和时间，确认了地源热泵系统具有节能环保、自然资源再利用、舒适安全、性能稳定、清洁、使用灵活等很多优点。为了改变能源结构形式，实现能源及环境可持续发展，发展地源热泵系统势在必行。
参考文献
[1] 朱照华.地源热泵研究[D].重庆:重庆建筑大学.2000．
[2] 浅层地热能引领节能新潮流[J].中国建设信息:供热制冷.2010,(2).
[3] 李元普.我国地源热泵技术发展现状与趋势[J].中国建设信息:供热制冷.2009,(5).
[4] 马宏权,龙惟定.世博园区江水源热泵技术应用[J].建设科技.2010,(12):58–64.
[5] 张文丽.新型能源在供热方面的应用[J].中国科技博览，2012(37):546–546.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年2月刊总第2期。
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