地源热泵的优越性及前景展望

  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[1]。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[2]。目前，在欧美发达国家，已有众多地源热泵应用实例。由于地源热泵可显著降低运营费用，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。地源热泵系统示意图见图1。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 [3]，节能达到17%；住宅应用中的能耗则减少32.4% [4]。地源热泵之所以能够如此显著地降低能耗，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[3]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。表1 即是在基本费用基础上进行修正后的数值。而在由外部承包商完成维护的实例中，为补偿工人管理费用、加班费和外部承包商利润，还应在表1的基础上进行修正。表2 即是在表1 基础上进行修正后的数值。表1 和表2 中数值的单位为$×ft-2(1$×ft-2 约合0.89 元×m2)。

 

  为了说明地源热泵在维护费用方面的优势，下面将其与其它类型空调系统的维护费用进行比较。其它类型空调系统的数据取自ASHRAE 于1983 年对342 个实例的调查结果[5]，如表3。

 

  表3 分别列出地源热泵考虑工人管理费及加班费和考虑外部承包商利润两种维护费用情况。其中部分数据与表1 和表2 不一致，是由于表3 中的数据都为最近五年的统计结果(这样更能反映地源热泵近期的应用状况）。由于不能确定来自ASHRAE 的数据是基本费用、考虑了工人管理费及加班费还是考虑了外部承包商利润，并且由于ASHRAE 数据是1983 年的调查结果，所以表3 中进行的比较可能并不合适。但是，如果考虑到自1983 年以来的通货膨胀(必然显著提高维护费用)，那么表3 的比较还是有依据的，可以充分说明地源热泵在维护费用方面的优势。

 

  从表 3 的比较可以看到，即使是地源热泵最不具优势的运营方式(由外部承包商负责维护)，也比传统的最具优势的空调系统(分体式空气热泵)的年均维护费用低22.8%。若将地源热泵在能耗方面节约费用17%计算在内，则地源热泵平均可比传统空调系统降低运行费用近40%。

 

  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[6]。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[2]，其示意图见图2。图中，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

 

  地源热泵系统由于运行费用较低，在欧美发达国家已有很多应用实例，目前较多应用在商业系统。我国见于文献的地源热泵的最早应用是在1987 年，用于上海的一幢六层办公楼的制冷与供热。这个地源热泵系统是由美国设计制造、运抵上海后安装的[6]。

 

  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。