簡論地源熱泵技術的開發和利用

賀建榮

【摘 要】開發和利用地源熱泵技術，既可以在冬季取暖，也可以在夏季制冷。它是利用地表水、地下低溫水以及吸收太陽能和地熱能等低品位熱資源，采用熱泵原理，輸入少量高品位電能，實現低品位熱能向高品位熱能轉換的取暖制冷體系，真正做到了節能減排，環保效應，顯著。

【關鍵詞】地源熱泵；地下低溫水；供熱制冷；節能減排

每當我們談起太陽能利用，就會想到地面上陽光普照，以及很多建筑物房頂上星星點點 散布著的太陽能接收板和太陽能熱水器。其實，在我們腳底下的泥土中也有一個巨大的太陽能集熱器。據有關專家測算，淺層地下的土壤（砂石）中和地下水收集了約47%的太陽輻射熱能，約為人類每年消耗的能耗的500多倍，只是尚未被人們重視和開發利用而已。而努力推廣使用地源熱泵技術，就可以將淺層地下熱能開發出來，作為我們冬季取暖、夏季制冷的新能源，真正做到節能減排，其環保效應相當顯著。

1 地源熱泵技術發展和利用概況

地源熱泵最早開創于20世紀初，是一名瑞士科學家的一項發明專利。近年來，歐洲的地源熱泵理與技術已高度發達，此類設備已在德、法、美、日等發達國家推廣使用。在我國，地源熱泵技術也已于20世紀50年代在上海、天津、黑龍江、福建等地推廣使用。20世紀70年代初，廣東豐順縣建立了我國第一座地熱發電試驗站，利用熱泵將地下水升溫至91攝氏度進行發電，裝機容量為300Kw，自1984年4月投產至今，已正常運行了近31年。統計資料表明，沈陽已有138個建設項目采用了地源熱泵技術供暖，總供熱面積達373萬平方米。北京市政府早已于2006年下發了熱泵發展意見，由市政府投資補助熱泵技術的推廣應用。重慶也已經實施利用長江水為冷、熱源，為全市約1.85億平方米的建筑提供熱能。

2 地源熱泵技術原理及其設備

通常，一座新型環保節能地源熱泵供熱站的核心構件是水井、壓縮機和換熱器，它們配套使用，相當于一個地熱吸收放大器。其中，水井，它的功能是通過抽水井吸取地下水，經地源熱泵升溫，給建筑物內的散熱器供熱后，仍由回水井返回地下。一般水井深度在50～100米，此間地下水溫常年保持在10～12攝氏度，能給地源熱泵系統提供穩定熱源；壓縮機是熱泵系統的心臟，就像一個能量放大器，12攝氏度左右的地下水經壓縮機升溫后送進換熱器；換熱器是能量傳輸裝置，經升溫放大的熱能使供暖系統里不斷循環的水升溫至45攝氏度，最高時可達85攝氏度左右，在壓力作用下，整個系統能不斷地從低溫環境吸熱，再向供熱系統放熱，如此循環往復；到了夏季，地源熱泵之所以能起制冷作用，則是一個相反的過程：熱泵從室內吸取熱量，通過回水井將熱量釋放到地下水中去。

3 地源熱泵供熱制冷的優缺點及其經濟效益

3.1 優點

1）高效節能：每消耗1千瓦電能，可產出4千瓦熱功率，取暖用電是電鍋爐耗電量的1/4，制冷用電量是分體式空調耗電量的1/2。

2）節能環保：以1000萬平方米供暖面積計算，可替代標準煤37萬噸，或輕柴油22萬噸，或天然氣12.6億立方米。每個采暖季可減排煙氣50億立方米、顆粒物1.6萬噸、二氧化碳94萬噸、二氧化硫8800噸、氮氧化物6400噸。

3）一機多能：一套地源熱泵系統可實現供暖、制冷和生活用熱水三聯供，節省建筑空間和降低造價。

4）運行過程穩定可靠：由于水體溫度一年四季相對穩定，其波動范圍遠小于空氣的變動，因此，是很好的熱泵熱源和制冷空調冷源，熱泵機組運行更可靠、更穩定，確保了整個系統的高效性和經濟性。

5）可實現分戶計量：小型地源熱泵每一臺都可與用戶電表連接，費用很容易計算，對于寫字樓、公寓、商鋪等公共場所非常適用；而大型的中央空調系統通常是公攤計算，無論空調是否開啟，一樣計算費用。

6）可分期投入使用：開發商不需要一次性購買所有的空調設備，只需將公共的管路系統及輔助設備配置好，后期的空調機組可根據具體情況分期投入空調設備，緩解了開發商的資金壓力。

7）自控運行：地源熱泵機組由于工況穩定，所以可以設計簡單的系統，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低，自動控制程度高，使用壽命可達15年以上。

8）可同時制冷制熱：系統中不同的功能區可以同時制冷或制熱，大大提高了人體的舒適性，滿足現代群體中的個性要求，如綜合建筑內區發熱大，通常冬季有時還要制冷，地源熱泵系統很容易做到，而常規中央空調系統必須采用四管制的末端才可以滿足要求。

3.2 缺點

1）地源熱泵技術的節能和經濟效益受到不同地區、不同用戶及國家能源政策和燃料價格的影響，波動較大。

2）相對而言，其一次性資金投入較大，其運行費用因用戶不同而有差異。

3）受當地地下水資源狀況的制約。立項前應首先摸清當地水資源（地下水含量和水質等）狀況，由地質專家經過驗證，通過該地區《水資源論證》后方可進行地源熱泵工程項目設計和施工。比如，如果經專家檢測發現該地區地下水系統內貯水量不足、泥沙過多或過細，是不適宜采用地源熱泵技術的。另外，回灌措施是否恰當，也是地源熱泵技術設計的重點，應予以特別關注；當地源熱泵機組采用地下水作為熱源水時應采用封閉式系統，即經熱泵升溫并供建筑物內的散熱器供熱后的地下水，通過回水井返回地下時，這種回灌水不得對地下水資源造成污染，還要嚴格防止因過度抽取地下水而造成地面塌陷，因此，設計時應采取人工回灌技術，就是通過另設的一套凈化水裝置，把將要回灌的溫水作凈化處理，然后再通過回水井返回地下。

3.3 地源熱泵供熱制冷技術的經濟效益

據有關部門對國內已投產的地源熱泵供熱站測算，與電、煤鍋爐供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%左右的電能或70%～90%煤的燃燒熱能轉化為熱量供用戶使用，而地源熱泵要比電鍋爐供熱節省2/3以上的電能，比燃煤鍋爐節省1/2能量再加上地源熱泵的能源（地下水）溫度比較穩定，供熱、制冷系數高，其運行費用僅為普通中央空調的50%～60%。

4 地源熱泵供熱制冷實例

新疆烏魯木齊水磨溝區環衛清運隊辦公區原燃煤鍋爐房，是一座始建于20世紀50年代的老式磚混結構鍋爐房，建筑面積不足20平方米，幾經大修，早已不能正常使用了。水磨溝區政府決定投資改造這個鍋爐房，于2007年下半年大膽采用了地源熱泵技術，兩口井（抽水井和回水井）加一個機組（一臺壓縮機、一個換熱器）就是這座供熱站的全部設備。這個地源熱泵供熱站已正常運作至今，為該社區環衛清運隊辦公區正常供暖，供暖面積達3400平方米，供暖效果較理想。據“司爐工”劉師傅介紹說：“現在不用加煤、看溫度表了，只需將注意力投入到一塊與熱泵相連的微電腦觸摸控制屏上，開機、控溫、停機，觸摸幾下就行了，比以前輕松多了。”據測算，往年該供熱站一個采暖季的全部費用需14～15萬元，如今按地源熱泵的節能效果計算，一個采暖季只需電費和維護費（含人工工資）不到10萬元，且人員可以從原先的6人縮減為2人，經濟效益十分顯著。

[責任編輯：侯天宇]