地源熱泵系統的推廣優勢及存在的問題

房海濤

（太原鐵路局太原房建段，山西 太原 030045）

地源熱泵系統在世界范圍內為人們提供了新的清潔可再生能源。通過使用環境中的免費能源，不僅降低了消耗投資，而且減少了對石化燃料的依賴程度，節能環保效果顯著[1]。國家建設部提出的各地在建設可再生能源方面要抓好的6個方面工作中，第2項就是地源熱泵系統在建筑中的推廣應用[2]。地源熱泵系統受到越來越多的關注，其優勢十分明顯，推廣應用的前景非常廣闊。

1 地源熱泵系統的定義、類型、組成及工作原理

1.1 定義

地源熱泵系統（通常還被稱為地能系統、地緣系統或地熱熱泵系統等）是以地源能（土壤、地下水、地表水、低溫地熱水）作為熱源或熱匯，實現制冷、采暖以及提供生活熱水的空調系統。

1.2 類型

根據文獻對地源熱泵系統的分類，可分為土壤源耦合式熱泵系統（又稱為閉環地源熱泵、地埋管地源熱泵系統等）、地下水熱泵系統和地表水熱泵系統3類。

1.3 組成

地源熱泵系統主要由室外地熱能交換系統、水源熱泵機組和室內空調末端系統3個部分組成。

1.4 工作原理

為方便介紹地源熱泵系統的工作原理，下面以地埋管地源熱泵系統為例進行闡述。熱泵機組采用的是水—空氣水源熱泵機組。

1.4.1 夏季制冷工況工作原理

在夏季，水源熱泵機組做制冷運行。循環的結果是土壤作為熱匯，通過地埋管換熱器，不斷吸收由水源熱泵機組從室內取出的多余熱量。具體過程為：通過壓縮機的作用，冷凝器中的制冷劑把壓縮機做功所轉化的熱量以及蒸發器中制冷劑從空調房間內吸收的熱量一起“搬運”至地埋管換熱器中的換熱介質（水或防凍水溶液），再在循環水泵的作用下，利用地埋管換熱器將這些熱量傳遞給土壤。

1.4.2 冬季制熱工況工作原理

在冬季，水源熱泵機組做制熱運行。循環的結果是土壤作為熱源，通過埋地管換熱器，不斷地向室內轉移熱量。具體過程為：換向閥換向使得埋地管換熱器中的換熱介質從土壤中吸收熱量，并將傳遞給蒸發器中的制冷劑，在冷凝器中，通過壓縮機的作用，制冷劑將所吸收的熱量和壓縮機耗功所轉化的熱量一起轉移到室內。

2 地源熱泵系統的推廣優勢

2.1 傳統的空氣源熱泵優、缺點

我國目前大量使用的熱泵仍然是空氣源熱泵，環境中的空氣作為冷熱源，雖然取之不盡，但隨季節、晝夜變化而波動，會導致熱泵機組無法穩定運行。在夏季，大氣溫度高時，迫切需要制冷空調，但大氣溫度的升高影響著冷凝器向大氣環境的排熱效果，在特殊情況下，制冷機組甚至都無法起動[4]。在冬季，由于環境溫度低，蒸發器難以從環境得熱，會出現融霜的現象。

雖然空氣源熱泵具有投資低、系統的制造、安裝和使用簡單方便、使用不受限制等優點。但缺點也很多，如冬季融霜、噪聲污染大、低性能系數、能耗較大、無存貯效應、須輔助加熱等。

2.2 地源熱泵系統的推廣優勢

隨著在世界范圍內日益突出的環境和能源問題，人們更加重視利用可再生能源的地源熱泵，地源熱泵的研究和應用發展更加迅速，全球范圍內地源熱泵裝機容量連續地增長，年增長率達10%～30%，且應用范圍日益擴大[4]。

地源熱泵與傳統空調技術和能源利用技術相比，無論是在技術、經濟還是應用前景方面，優勢都十分明顯，主要表現在以下9個方面。

2.2.1 屬于清潔、可再生能源利用技術

地源熱泵利用地球表面淺層地熱資源作為冷熱源，而這些地表淺層的地熱能量占到了太陽輻射到地球能量的47%，這相當于人類每年使用能量的500多倍，是一種近乎取之不盡的清潔、可再生能源。

2.2.2 節能、經濟有效

地表淺層地熱資源（通常不超過400 m深）是很好的熱泵冷熱源，因為它的溫度隨環境溫度約等于年平均氣溫，晝夜、四季波動小，相對穩定，而且夏季時候低于環境空氣溫度，冬季高于環境溫度空氣。因此，熱泵機組能更可靠、更穩定地運行，系統運行的高效性和經濟性得到了保障。這種特性還使得地源熱泵系統比空氣源空調系統運行效率高40%，節能和節省運行費用40%左右[3]。根據美國環境保護署的資料顯示，地源熱泵在適宜的熱源條件下比空氣源熱泵系統節能（和相應的污染排放量）44%，而與住宅電采暖和標準空氣源空調設備組成的系統相比，節能72%[5]。

2.2.3 環境效益顯著

首先，在污染物排放方面，節能減排效果非常明顯。地源熱泵比傳統空氣源熱泵減排至少40%，比純電供暖減排70%以上。如果與太陽能、風能、工業余熱等能源措施結合，節能減排效果將更明顯。其次，與傳統空調機組相比可減少50%的制冷劑充灌量。通過改善熱泵性能，降低工質泄露與使用新工質，推廣其應用可降低電力消耗、緩解熱島現象[5]。此外，該裝置屬于自含式系統，大大降低了制冷劑泄漏的可能性，而且系統運行起來不會產生廢棄物，無任何污染，熱量輸送方便，可直接建在居民區內。最后，地源熱泵還具有噪聲污染小，對住宅等建筑周圍環境影響小的優點。

2.2.4 應用場合廣泛、功能多樣

不管是在北方嚴寒地區還是在南方熱帶地區都可采用地源熱泵系統，一機多用，一套系統即相當于傳統的制冷空調、供熱鍋爐和生活熱水加熱3套裝置或系統。地源熱泵系統不僅能夠為辦公樓、學校、賓館、醫院、車站、機場、超市、別墅、居民小區等各種用途的建筑提供供暖和空調，還可以在夏季免費提供生活熱水，冬季獲得熱水的費用也可節省一半[5]。此外，還可應用于路橋除冰融雪、體育場的草坪加熱等。

2.2.5 運行和維護費用低

地源熱泵系統的高效節能特點使得它的運行費用低，比其他各種采暖和制冷設備節能30%～70%，而且系統的使用壽命在25年以上，折舊費和維修費也大大低于傳統空調[4]。此外，地源熱泵機械部件少、維護工作量少、系統自控程度高，可實現無人值守。根據美國地源熱泵協會的研究，平均維護費用約為傳統系統的三分之一[5]。

2.2.6 能全年滿足溫、濕度要求

地源熱泵系統機組不受外管網的影響，可獨立控制供熱和制冷的時間，能全年滿足溫、濕度要求，特別適合像醫院這樣有特殊要求的建筑物。

2.2.7 設計靈活多樣、特性明顯

地源熱泵系統在設計上可實現靈活多樣，既可以安裝在新建筑中，也可用于既有建筑的改造。此外，形式上可以利用單一的地源系統，還可以與工業余熱、太陽能系統、風能系統等結合，成為混合型熱源系統。機房占地更少，可直接利用建筑中現存管路，實現同時供暖和制冷而不需要四管系統。

2.2.8 系統可靠耐用，運行靈活

地源熱泵系統的自動控制水平很高，隨著負荷及用戶要求，系統變負荷能力強，易于管理。此外，地源熱泵運行部件相對較少，且都安裝于室內或埋于地下，避免了室外與惡劣環境的直接接觸，機組耐用，系統可靠性高。地下管路壽命可達25～50年，地源熱泵機組本身壽命至少在20年以上[5]。

2.2.9 改善了建筑外觀和造型

傳統的空調系統換熱器須置于室外環境中，會破壞建筑的外觀，而地源熱泵系統的換熱器埋于地下，且遠離主建筑物，而且地源熱泵系統通常沒有室外壓縮機和冷卻塔，從而改善了建筑外觀和造型。

3 地源熱泵系統推廣應用所面臨的問題

3.1 觀念方面

由于傳統空調和能源利用技術相對成熟，人們在選擇地源熱泵時擔心技術有風險，地源熱泵系統的推廣面臨阻力。此外，政府（能源和環保部門）對地源熱泵的技術優勢、認識水平和節能意識有待提高。從世界各發達國家幾十年的地源熱泵發展經驗看，只有政府把地源熱泵的應用納入節能減排、能源應用、環境保護政策，當地的電力部門能認識到地源熱泵對削減電網尖峰負荷的作用時，地源熱泵才能得到蓬勃發展[5]。

3.2 環境影響方面

目前，地下水回灌技術尚不成熟，勢必影響到地下水熱泵系統的進一步推廣。此外，土壤源熱泵系統因需要鉆井，必然會影響到土壤的熱、濕及鹽分遷移。因此，須做進一步的研究和論證，采取措施減小對環境的不利影響。

3.3 設計安裝方面

3.3.1 與其他技術的配合存在困難

地源熱泵技術是暖通空調技術與鉆井技術結合的綜合技術，兩者缺一不可，這要求工程組織者和工程技術人員能夠合理協調，做好充分的技術、經濟分析[4]。

3.3.2 設計、安裝不恰當

地源熱泵系統往往因為設計和安裝不恰當，導致無法發揮最大優勢，甚至會出現技術經濟性能不佳、事故頻發等情況，這就要求設計和施工人員必須訓練有素，經驗豐富。

3.4 經濟、效益方面

3.4.1 較高的初始投資

由于鉆井費用可占到整個地源熱泵系統投資的近50%，投資者對于系統的投資回收期認識不夠，最終可能會選擇傳統的空調形式。

3.4.2 較高的安裝維護費用

目前地源熱泵系統的安裝費較高，與電制冷、天然氣加熱系統的1 kW·h 130～270元相比，地源熱泵的1 kW·h 190～310元顯然是高的；它的回收期一般為5～8年[4]。地源熱泵系統的維護較為困難，推廣應用會受到影響。

3.5 政策、措施方面

3.5.1 政策、科研和財政方面的支持力度有待提高

無論是研究開發、技術咨詢、標準制定、制造安裝，還是人員培訓和售后服務等，政府、科研機構和企業在每個環節的支持力度都至關重要。

3.5.2 缺乏規范和標準，政策和措施有待完善

目前，我國缺乏相應的規范和標準，設計單位通常不會采用地源熱泵技術，政府在政策導引、激勵和強制措施等方面還需做更多努力。一些成功推廣了地源熱泵技術的國家采取的激勵辦法和強制措施有：資金補貼、稅收優惠、技術宣傳、咨詢和服務、電價優惠、標準和規范強制等[4]。

3.6 實際應用方面

3.6.1 受到地域和土壤特性的限制

土壤特性受地域變化影響大，同一研究成果可能在不同的地方就完全不適用，必須進行修正甚至重新研究。此外，還可能會受到地下水資源的制約。

3.6.2 受到電力資源的影響

地源熱泵主要采用的是電力驅動的熱泵，當地電力資源是否充裕、電力價格是否經濟合理等都成為制約其推廣應用的一個重要因素。

4 推廣地源熱泵技術的相關建議

①從理論和實踐上對地源熱泵技術（主要包括經濟、技術、環境等方面）進行全面、科學、權威的評價和論證，以利于相關使用決策。②制定鼓勵使用地源熱泵技術的激勵措施。包括給予研制者科研經費補貼，減免可再生能源技術和設備提供商營業稅，給予地源熱泵等新能源技術使用者減免稅收、貼息貸款等激勵措施。還可嘗試獎勵節能減排、征收碳排放稅等措施。③在政策上進行合理的制度改革，合理規劃和安排包括地熱能在內的可再生能源使用范圍，給予新型可再生能源應有的地位。④盡快制定和完善相應的規范和標準，使地源熱泵技術的推廣應用有規范、標準可依。⑤進一步完善理論研究、制造安裝、人員培訓、技術咨詢、售后服務等方面的體系。⑥對于政府投資工程，可強制使用技術比較成熟的地源熱泵等新能源技術。

5 結束語

發展地源熱泵技術是調整和改變我國能源結構和能源消耗的有效途徑。目前，我國地源熱泵應用發展迅速，隨著相關技術和措施的不斷完善，地源熱泵系統的推廣應用必將為可再生能源的利用進一步開拓新的空間，具有十分廣闊的發展空間。

[1]Kadir Bakirci.Evaluation of the performance of a groundsource heat-pump system with series GHE(ground heat exchanger)in the cold climate region[J].Energy，2010，35:3088-3096.

[2]申潔.地源熱泵系統的工作原理和特點及應用[J].山西建筑，2010（10）：187-188.

[3]蔣能照，劉道平，等.水源地源水環熱泵空調技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]趙軍，戴傳山.地源熱泵技術與建筑節能應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.