地源热泵与建筑节能的探讨

　　摘要：本文利用热泵供热比锅炉直接燃烧供热节能的原理，对主要的热泵供热形式，特别是地源热泵的技术特征、适用范围和经济性作了较详细的介绍。
　　关键词：热泵，建筑环境，节能
　　1、热泵与建筑供热空调
　　随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%左右。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2,NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调新技术。
　　地源热泵用地热换热器作为低温热源环路，不需要冷却塔和室外热交换装置；用制冷机组（热泵）取代了锅炉。因此对于建筑师来说，地源热泵供热空调系统还有一个重要的优点，就是去除了传统空调系统所需的锅炉房和冷却塔。这些设施对建筑空间的需求和限制，往往成为建筑师的难题。而地源热泵空调系统没有室外设施，对建筑物的外观无影响。因此这一技术特别适用于景观性建筑、古建筑以及难以设置冷却塔的空调项目，有利于保护这些建筑的立面及周边环境不被破坏，解决无处设置冷却塔或锅炉房的问题。
　　2、空调热泵的分类及技术分析
　　以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种，例如有利用建筑通风系统的热量（冷量）的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。本文主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵(airsourceheatpump,ASHP)和地源热泵（groundsourceheatpump,GSHP）两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵(surface-waterheatpump，SWHP)、地下水热泵(groundwaterheatpump,GWHP)和地下耦合热泵(ground-coupledheatpump,GCHP)。我国对热泵系统的术语尚未形成规范的用法。例如对地下水热泵系统有“地温空调”的商业名；而地下耦合热泵则在一些文献中称为“土壤源热泵”，或直接称为“地源热泵”。
　　2.1空气源热泵
　　空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖；其性能系数（COP）一般在2～3。空气源热泵系统简单，初投资较低。空气源（风冷）热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和风冷热泵冷热水机组。
　　2.2地源热泵
　　另一种热泵利用大地（土壤、地层、地下水）作为热源，可以称之为“地源热泵”。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。
　　2.2.1地下水热泵
　　地下水源热泵系统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，这样的系统称为开式环路。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。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。
　　2.2.2地表水热泵
　　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体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的型式。由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。
　　2.2.3地下耦合热泵
　　地下耦合热泵系统是利用地下岩土中热量的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。我国的研究人员和工程技术人员近年来在消化吸收国外先进技术的基础上在地热换热器的设计理论方面进行了不懈的努力，山东建筑工程学院已于2001年建成闭路地源热泵示范工程并投入实际使用，为在我国推广应用这一新技术积累了宝贵的经验。
　　3、地源热泵空调系统的经济性分析
　　地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。如上所述，地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40％-60％。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。
　　迄今为止制约地下耦合热泵系统在我国应用的障碍主要是在地下埋管的初投资较高，以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。
　　4、结束语
　　在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其它燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高，空调和供热已成为普通百姓的需求，并逐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经验，我国的地源热泵应用将得到较快的推广和发展。

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