簡介： 在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體CO2和其它大氣污染物的排放,最大限度地減小空調(diào)設(shè)備對建筑物外觀的影響。本文闡述了利用熱泵供熱比直接燃燒供熱節(jié)能的原理，對主要的熱泵供熱形式，特別是地源熱泵的技術(shù)特征、適用范圍和經(jīng)濟(jì)性作了較詳細(xì)的介紹。
關(guān)鍵字：熱泵 建筑環(huán)境 節(jié)能
1、熱泵與建筑供熱空調(diào)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)已成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國家中，供熱和空調(diào)的能耗可占到社會總能耗的25-30%。我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒產(chǎn)生的大量污染物，包括大量SO2, NOX等有害氣體以及CO2等溫室效應(yīng)氣體。大量燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的環(huán)境問題已日益成為各國政府和公眾關(guān)注的焦點。我國的供熱已經(jīng)歷了一家一戶的小煤爐到燃煤的轉(zhuǎn)變�，F(xiàn)在又進(jìn)一步禁止在城鎮(zhèn)建設(shè)中小型燃煤房，體現(xiàn)了政府對保護(hù)大氣環(huán)境的高度重視。因此，除了集中供熱的型式以外，急需發(fā)展其他的替代供熱方式。熱泵就是能有效節(jié)省能源、減少大氣污染和CO2排放的供熱和空調(diào)新技術(shù)。
1.1 熱泵原理與組成
熱泵（制冷機(jī)）是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機(jī)）和熱源（）。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機(jī)），如果讓它在冬季以熱泵的模式運(yùn)行，則可以省去和房，不但節(jié)省了初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，大大減輕了供暖造成的大氣污染問題。
熱泵空調(diào)系統(tǒng)通常由制冷劑環(huán)路、室內(nèi)環(huán)路和低溫?zé)嵩磽Q熱環(huán)路等環(huán)路組成。有的還設(shè)有加熱生活熱水的環(huán)路。不同類型的熱泵，其制冷劑環(huán)路和室內(nèi)環(huán)路基本相同，但其低溫?zé)嵩磽Q熱環(huán)路各有不同。如分體空調(diào)的室外機(jī)是空氣源熱泵的低溫?zé)嵩磽Q熱環(huán)路，而地?zé)釗Q熱器則是地源熱泵的低溫?zé)嵩磽Q熱環(huán)路。
將水從生活熱水箱送到冷凝器去進(jìn)行循環(huán)的封閉加壓環(huán)路，是一個可供選擇加熱生活熱水的環(huán)路。對于夏季工況，該循環(huán)可充分利用冷凝器排放的熱量，不消耗額外的能量而得到熱水供應(yīng)；在冬季，其耗能也大大低于電（參見圖1）。
? 圖1地源熱泵流程示意圖
1.2 熱泵特點
采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產(chǎn)生熱量，并通過若干個傳熱環(huán)節(jié)最終為建筑供熱。在和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比）最高可為100%。如果先利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫?zé)崮馨l(fā)電，然后利用電能驅(qū)動熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當(dāng)提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性能系數(shù)，即供熱量與消耗的電能之比，現(xiàn)在可達(dá)到3~4。而用電阻加熱設(shè)備把電能轉(zhuǎn)化為熱能的性能系數(shù)為1。
熱泵是減少CO2排放量的最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)�，F(xiàn)在全世界約有1.3億臺熱泵在運(yùn)行，總供熱量約為每年4.7×109 GJ，每年減少CO2排放量約為1.3億噸。隨著熱泵技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)電效率的進(jìn)一步提高，采用熱泵技術(shù)供熱使全世界CO2排放量減少16%是有可能的。因此，它是建筑節(jié)能和減少CO2排放的關(guān)鍵技術(shù)之一。除了減少礦物燃料的消耗以外，由于在大型電站中集中燃燒礦物燃料發(fā)電有利于采用先進(jìn)技術(shù)除去或減少燃燒產(chǎn)物中的粉塵、SO2和NOx等大氣污染物，采用電動熱泵供熱與分散的房供熱相比還可以大大減少燃煤產(chǎn)生的大氣污染。
熱泵能夠充分利用可再生能源，是一項可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。熱泵利用的低溫?zé)嵩赐ǔＪ黔h(huán)境（大氣、地表水和大地）或各種廢熱。由熱泵從這些熱源吸收的熱量屬于可再生的能源。如地源熱泵冬季把大地中的熱量升高溫度后對建筑物供熱，同時使大地的溫度降低，即儲存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中儲存的熱量以供冬季使用。這樣大地就起到了蓄能器的作用，進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。
如上所述，地源熱泵用地?zé)釗Q熱器作為低溫?zé)嵩喘h(huán)路，不需要冷卻塔和室外熱交換裝置；用制冷機(jī)組（熱泵）取代了。因此對于建筑師來說，地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)還有一個重要的優(yōu)點，就是去除了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)所需的房和冷卻塔。這些設(shè)施對建筑空間的需求和限制，往往成為建筑師的難題。而地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)沒有室外設(shè)施，對建筑物的外觀無影響。因此這一技術(shù)特別適用于景觀性建筑、古建筑以及難以設(shè)置冷卻塔的空調(diào)項目，有利于保護(hù)這些建筑的立面及周邊環(huán)境不被破壞，解決無處設(shè)置冷卻塔或房的問題。例如在溫州市世紀(jì)廣場中心的標(biāo)志性建筑的空調(diào)系統(tǒng)中采用了地源熱泵作為冷熱源，主要就是出于景觀要求的考慮。
2、空調(diào)熱泵的分類及技術(shù)分析
以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)有許多種，例如有利用建筑通風(fēng)系統(tǒng)的熱量（冷量）的熱回收型熱泵和應(yīng)用于大型建筑內(nèi)部不同分區(qū)之間的水環(huán)熱泵系統(tǒng)等。本文主要討論利用周圍環(huán)境作為空調(diào)冷熱源的熱泵系統(tǒng)。就其性質(zhì)來分，國外的文獻(xiàn)通常把它們分為空氣源熱泵 (air source heat pump, ASHP) 和地源熱泵（ground source heat pump, GSHP）兩大類。地源熱泵又可進(jìn)一步分為地表水熱泵 (surface-water heat pump，SWHP)、地下水熱泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合熱泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。我國對熱泵系統(tǒng)的術(shù)語尚未形成規(guī)范的用法。例如對地下水熱泵系統(tǒng)有“地溫空調(diào)”的商業(yè)名；而地下耦合熱泵則在一些文獻(xiàn)中稱為“土壤源熱泵”，或直接稱為“地源熱泵”。
2.1 空氣源熱泵
空氣源熱泵以室外空氣為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫?zé)嵩�，從室外空氣中吸收熱量，�?jīng)熱泵提高溫度送入室內(nèi)供暖；其性能系數(shù)（COP）一般在2～3�？諝庠礋岜孟到y(tǒng)簡單，初投資較低�？諝庠矗L(fēng)冷）熱泵目前的產(chǎn)品主要是家用熱泵空調(diào)器、商用單元式熱泵空調(diào)機(jī)組和風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組。
空氣源熱泵的主要缺點是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時熱泵的效率大大降低。此外，其所必需的室外機(jī)或冷卻塔對建筑物有一定的影響或損壞作用�？諝庠礋岜玫闹茻崃侩S室外空氣溫度降低而減少，這與建筑熱負(fù)荷需求趨勢正好相反。因此當(dāng)室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點溫度時，需要用電或其他輔助熱源對空氣進(jìn)行加熱。而且，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。在寒冷地區(qū)和高濕度地區(qū)熱泵蒸發(fā)器的結(jié)霜可成為較大的技術(shù)障礙。在夏季高溫天氣，由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低，同樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作�？諝庠礋岜貌贿m用于寒冷地區(qū)，在冬季氣候較溫和的地區(qū)，如我國長江中下游地區(qū)，已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。
2.2 地源熱泵
另一種熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源，可以稱之為“地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。
2.2.1 地下水熱泵
地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經(jīng)過換熱的地下水可以排入地表水系統(tǒng)，但對于較大的應(yīng)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(zhì)良好的地下水可直接進(jìn)入熱泵換熱，這樣的系統(tǒng)稱為開式環(huán)路。實際工程中更多采用閉式環(huán)路的熱泵循環(huán)水系統(tǒng)，即采用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環(huán)水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質(zhì)對熱泵的影響。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(tǒng)的效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3~4.5，并且不存在結(jié)霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國得到了迅速發(fā)展。
地下水熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用也受到許多條件的限制。首先，這種系統(tǒng)需要有豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為先決條件。按常規(guī)計算，10,000 m2的空調(diào)面積需要的地下水量約為120 m3/hr。地下水熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性還與地下水層的深度有很大的關(guān)系。如果地下水位較低，不僅成井的費(fèi)用增加，運(yùn)行中水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但目前國內(nèi)地下水回灌技術(shù)還不成熟，在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來的水經(jīng)過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內(nèi)，造成地下水資源的流失。再者，即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。
2.2.2 地表水熱泵
地表水熱泵系統(tǒng)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體量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词侵档每紤]的一種空調(diào)熱泵的型式。熱泵與地表水的換熱可采用開式循環(huán)或閉路循環(huán)的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環(huán)液換熱后再排入水體。其缺點是水質(zhì)較差時在換熱器中產(chǎn)生污垢，影響傳熱，甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。更常用的地表水熱泵系統(tǒng)采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱，可以避免水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問題。當(dāng)然，這種地表水熱泵系統(tǒng)也受到自然條件的限制。此外，由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當(dāng)環(huán)境溫度越低時熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數(shù)也會降低。一定的地表水體能夠承擔(dān)的冷熱負(fù)荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境的影響有時也需要預(yù)先加以考慮。深水湖在夏季會產(chǎn)生溫度的分層，湖底保持較低的溫度；冬季湖面結(jié)冰后會限制湖水溫度的下降。
2.2.3 地下耦合熱泵
地下耦合熱泵系統(tǒng)是利用地下巖土中熱量的閉路循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng)。通常稱之為“閉路地源熱泵”，以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)，或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環(huán)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(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地下耦合熱泵系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的特點是有一個由地下埋管組成的地?zé)釗Q熱器 (geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地?zé)釗Q熱器的設(shè)置形式主要有水平埋管和豎直埋管兩種。水平埋管形式是在地面開1~2米深的溝，每個溝中埋設(shè)2、4或6根塑料管。豎直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1~0.15 m的鉆孔，在鉆孔中設(shè)置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實。鉆孔的深度通常為40~200 m�，F(xiàn)場可用的地表面積是選擇地?zé)釗Q熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地?zé)釗Q熱器可以比水平埋管節(jié)省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情。地?zé)釗Q熱器所需埋管的總長度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負(fù)荷的情況作詳細(xì)的計算才能確定。設(shè)置地?zé)釗Q熱器的主要費(fèi)用是鉆孔的費(fèi)用。因此正確設(shè)計地?zé)釗Q熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性十分重要。由于影響因素很多，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，國內(nèi)外已開發(fā)了一些地?zé)釗Q熱器設(shè)計計算軟件，可以避免盲目估算帶來的失誤。其中地下巖土的熱物性對傳熱能力的影響很大，建議采用現(xiàn)場實測的方法確定地下巖土的熱物性。我國的研究人員和工程技術(shù)人員近年來在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上在地?zé)釗Q熱器的設(shè)計理論方面進(jìn)行了不懈的努力，山東建筑工程學(xué)院已于2001年建成閉路地源熱泵示范工程并投入實際使用，為在我國推廣應(yīng)用這一新技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗。
3、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析
地源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機(jī)多用。一套系統(tǒng)可以代替原來的加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊，省去了房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。如上所述，地源熱泵系統(tǒng)的另一個顯著的特點是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效節(jié)能的優(yōu)點。地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約40-60％。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，整個系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較－制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
迄今為止制約地下耦合熱泵系統(tǒng)在我國應(yīng)用的障礙主要是在地下埋管的初投資較高，以及政府、建筑設(shè)計人員和公眾對這一技術(shù)缺乏了解。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)國外的經(jīng)驗，由于地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低，增加的初投資可在3~7年內(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。這里根據(jù)山東省的情況和現(xiàn)行的價格體系對地源熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)方式的初投資及運(yùn)行費(fèi)用指標(biāo)作一比較。
冷熱源方式 及序號 項目 | 1 | 2 | 3 | 4 | |||||
地源熱泵 | 冷水機(jī)組與 燃?xì)?label class="lb" onclick="g('鍋爐');">鍋爐配套 | 冷水機(jī)組與 城市熱網(wǎng)配套 | 直燃式溴化鋰 冷熱水機(jī)組 | ||||||
冷熱水機(jī)組（元/kW冷量） | 600～800 | 560～700 | 560～700 | 950～1300 | |||||
燃?xì)?label class="lb" onclick="g('鍋爐');">鍋爐（元/kW熱量） |
| 400～520 |
|
| |||||
熱網(wǎng)（元/m2采暖面積） |
|
| 100 |
| |||||
冷卻塔（元/kW冷量） | 無 | 40～60 | |||||||
地下鉆孔及埋管（元/kW） | 800～1400 | 無 | |||||||
水泵、管道、控制等 | 基本相同(20～40元/m2) | ||||||||
建筑物空調(diào)末端 | 基本相同（100～160元/m2） | ||||||||
初投資概算比較 (冷指標(biāo)100W/m2) | |||||||||
初投資（元/m2空調(diào)面積） | 340 | 280 | 330 | 280 | |||||
運(yùn)行費(fèi)用比較 (熱指標(biāo)100W/m2) | |||||||||
季節(jié) | 夏季 | 冬季 | 夏季 | 冬季 | 夏季 | 冬季 | 冬、夏兩季 | ||
能源形式 | 電 | 電 | 天然氣 | 電 | 供熱網(wǎng) | 天然氣 | 輕柴油 | ||
單位 | kW.h | kW.h | m3 | kW.h | m2.季 | m3 | 升 | ||
價格（元） | 0.5 | 0.5 | 2.0 | 0.5 | 19.5 | 2.0 | 3.0 | ||
熱值 | 1000W | 1000W | 35600kW | 1000W |
| 35600kW | 43000kW | ||
效率 | 4.8 | 3.5 | 3.8 | 0.88 | 3.8 |
| 0.88 | 0.85 | |
燃料耗量 | /m2.h | 0.021 | 0.029 | 0.0263 | 0.0115 | 0.0263 |
| 0.0115 | 0.01 |
/m2.季 | 13.23 | 28.02 | 16.57 | 11.27 | 16.57 |
| 18.52 | 16.1 | |
燃料費(fèi)用（元/m2.季） | 6.6 | 14 | 8.29 | 22.54 | 8.29 | 19.5 | 37.04 | 48.3 | |
運(yùn)行費(fèi)用（元/m2.季） | 4.5元/m2.兩季 | ||||||||
冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用 | 無 | 2元/m2.季 | |||||||
全年運(yùn)行費(fèi)合計（元/m2） | 25.1 | 37.33 | 34.29 | 43.54 | 54.8 | ||||
費(fèi)用比例 | 1 | 1.49 | 1.37 | 1.73 | 2.18 | ||||
說明：冬、夏季運(yùn)行天數(shù)分別按140天和90天計,每天運(yùn)行10小時,運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)取0.7。
運(yùn)行費(fèi)用和冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用均指水泵等用電設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，表中為概算值。
4、結(jié)束語
在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體CO2和其它燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。在本文所討論的幾種主要的熱泵系統(tǒng)中，空氣源熱泵的初投資最少，但效率較低，且應(yīng)用條件受一定的限制，仍將在部分冬季氣候溫和的地區(qū)得到較多的應(yīng)用。地下水熱泵和地表水熱泵系統(tǒng)受水資源條件的制約，應(yīng)用范圍受到限制。地源熱泵（地下耦合熱泵系統(tǒng)）適用范圍廣，運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能和環(huán)保效益顯著。地源熱泵在北美和歐洲的許多國家已得到廣泛的應(yīng)用，是一種成熟的技術(shù)；但我國在地源熱泵的應(yīng)用方面還剛剛起步。推廣地源熱泵技術(shù)需要政府的政策引導(dǎo)、對設(shè)計和施工人員的培訓(xùn)、所需設(shè)備和材料的配套以及提高公眾對地源熱泵技術(shù)的了解程度。在供熱空調(diào)中應(yīng)用熱泵技術(shù)的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應(yīng)不足和人民群眾消費(fèi)水平較低，對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的市場需求尚未形成。隨著改革開放以來我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個制約因素已不復(fù)存在，空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求，并逐漸向農(nóng)村和南方擴(kuò)展，市場前景很好。通過政府部門、科研機(jī)構(gòu)和工程技術(shù)人員的共同努力，借鑒國外的成功經(jīng)驗，我國的地源熱泵應(yīng)用將得到較快的推廣和發(fā)展。
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作者：方肇洪山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所所長，教授
刁乃仁山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所副所長，教授
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