可再生能源之春—地源热泵建筑更节能

      地源热泵是以大地为热源对建筑进行空气调节的节能新技术。在夏热冬冷地区，应用地源热泵系统可达到夏季制冷、冬季供暖的目的。地源热泵系统适用范围广泛，既可应用于宾馆、写字楼、医院和学校等社会机构，又可应用于居民住宅。地源热泵其实并不是一个新概念，早于1912 年就由瑞士的Zoelly 提出。

    之后几十年中，地源热泵基本处于实验研究状态，直到二十世纪六十年代才在欧美出现商业化产品。目前，在欧美发达国家，已有众多地源热泵应用实例。由于地源热泵可显着降低运营费用，已受到越来越广泛的关注。尽管还有一些不利因素限制了地源热泵的快速普及，如初投资较大，但随着科技的发展，限制地源热泵普及的因素已经或正在得到改善。因而，地源热泵被认为是最有前途的空调系统之一。 

    1 地源热泵的工作原理

    地源热泵对应的英文名称是 ground-source heat pumps(GSHPs)。顾名思义，“热泵”二字说明它是热泵的一种，具有热泵的共同特点，与空气源热泵类似；而“地源”二字则指明其能量来源，即来源于大地，这一点不同于空气源热泵。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时，大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器，只是因季节不同而功能不同。它们之间功能的转换由图中的四通阀门(换向阀)控制。可以看到，在地源热泵系统中，由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使大地热量基本平衡。

    2 地源热泵较传统空调系统具有的优势

    与传统空调系统相比，地源热泵系统在运行费用(主要包括能耗费用和维护费用)方面有较大优势。如在商业应用中，使用地源热泵的年均能耗折算成美元为0.97 $×ft-2，而传统空调的相应值为1.17 $×ft-2 ，节能达到17%；住宅应用中的能耗则减少32.4% 。地源热泵之所以能够如此显着地降低能耗，是由于地源热泵的热源－大地较传统空调系统的热源－空气具有明显优势：在夏季制冷时，大地较空气的温度低，这样有利于将热量排出室外；在冬季供热时，大地又较空气的温度高，这样又有利于将热量泵入室内。而且，大地的换热性能要远远优于空气。

    在维护费用方面，地源热泵的优势也较明显。Douglas Cane 等对25 个加拿大和美国的应用地源热泵的实例进行了跟踪调查，并按建筑类型统计了各个实例的年均费用，其中，最早投入运营的实例在1981 年，最晚的为1995 年，并且有20 个实例是在1990 年及之后投入运营的。这25 个实例中，只有3 个实例的维护由外部承包商完成。其余实例中，维护则由内部员工完成，这种情况下，人工费用仅限于工人工资，并称为“基本费用”。更为合理的内部工人雇佣费用还应包括一些日常管理费用和加班费，因而需要在基本费用基础上进行修正以补偿工人的日常管理费用和加班费。

    3 地源热泵的一些不足之处及部分解决方法

    地源热泵系统在运行费用方面有明显优势，但同时也有一些不利因素，这些因素制约了地源热泵的快速普及。其中最主要的制约因素是初投资较大，地源热泵的初投资不仅包括传统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋地盘管投资、埋地盘管敷设投资以及购买敷设盘管所需土地的使用权或所有权的投资。初投资成为影响地源热泵在发展中国家推广的重要因素之一。另一个制约地源热泵普及的重要因素是技术不是十分完善。比如，由于各地的地质结构相差很大，造成埋地盘管与土壤间的换热系数也相差很大。这在设计埋地盘管长度时将产生问题：若埋地盘管设计过长，将会造成大量初投资浪费；若设计过短，不但满足不了设计工况要求，还可能造成设备损坏。除此之外，还有管路防冻液的选取，变工况运行等问题需解决。 

    不过，地源热泵不足之处目前已得到部分解决。如混合型地源热泵系统即较好地解决了初投资高和埋地盘管长度设计困难等问题。由于在许多大型地源热泵的应用中，制冷所需的埋地盘管长度要远大于加热所需的盘管长度。在这种情况下，为降低初投资可用冷却塔代替一部分埋地盘管，即混合型地源热泵系统。即冷却塔只在冷负荷大于埋地盘管所能提供的冷负荷时才投入运行，其作用与埋地盘管类似，只不过冷却塔是将室内的热量排到大气中去，而埋地盘管是排到大地中去。

    4 地源热泵的前景展望

    从技术层面来说，我国自主研发、设计、制造、施工的地源热泵设施设备已走向成熟，可以做到与建筑本身同寿命，施工成本也逐渐下降，目前已较最早时期下降了约20%。湖北地大热能科技有限公司首创地源热泵技术“打包”成功推向市场，成为了集地源热泵设计、施工、维护、地源热泵地热井维修、地源热泵设备维修、地源热泵运营托管等为一体的系统服务提供商，目前已累计有20多个业主单位，成功实施了100多个项目，最长的项目已经运行了十几年。 

    我国淮河以南的广大地区建筑一般没有冬季采暖装置，而这些地区冬季气温较低。为改善冬季室内热环境，主要措施是采用局部采暖装置，如小型传统空调或电加热器等。前文的数据对比已说明，传统空调的运行费用远高于地源热泵系统；而电加热器则效率低且取暖面积十分有限。当前，我国经济高速增长，社会购买力大大增强，地源热泵的高初投资对其应用的影响将越来越小。随着科技的发展，地源热泵的技术将更加成熟而其使用成本将下降。因此，如果能采取恰当的营销策略，地源热泵必将拥有广阔的市场前景。