簡論地源熱泵技術(shù)的開發(fā)和利用

賀建榮

【摘 要】開發(fā)和利用地源熱泵技術(shù)，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?zé)崮艿鹊推肺粺豳Y源，采用熱泵原理，輸入少量高品位電能，實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)換的取暖制冷體系，真正做到了節(jié)能減排，環(huán)保效應(yīng)，顯著。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵；地下低溫水；供熱制冷；節(jié)能減排

每當(dāng)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(diǎn)點(diǎn) 散布著的太陽能接收板和太陽能熱水器。其實(shí)，在我們腳底下的泥土中也有一個巨大的太陽能集熱器。據(jù)有關(guān)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(fā)利用而已。而努力推廣使用地源熱泵技術(shù)，就可以將淺層地下熱能開發(fā)出來，作為我們冬季取暖、夏季制冷的新能源，真正做到節(jié)能減排，其環(huán)保效應(yīng)相當(dāng)顯著。

1 地源熱泵技術(shù)發(fā)展和利用概況

地源熱泵最早開創(chuàng)于20世紀(jì)初，是一名瑞士科學(xué)家的一項(xiàng)發(fā)明專利。近年來，歐洲的地源熱泵理與技術(shù)已高度發(fā)達(dá)，此類設(shè)備已在德、法、美、日等發(fā)達(dá)國家推廣使用。在我國，地源熱泵技術(shù)也已于20世紀(jì)50年代在上海、天津、黑龍江、福建等地推廣使用。20世紀(jì)70年代初，廣東豐順縣建立了我國第一座地?zé)岚l(fā)電試驗(yàn)站，利用熱泵將地下水升溫至91攝氏度進(jìn)行發(fā)電，裝機(jī)容量為300Kw，自1984年4月投產(chǎn)至今，已正常運(yùn)行了近31年。統(tǒng)計(jì)資料表明，沈陽已有138個建設(shè)項(xiàng)目采用了地源熱泵技術(shù)供暖，總供熱面積達(dá)373萬平方米。北京市政府早已于2006年下發(fā)了熱泵發(fā)展意見，由市政府投資補(bǔ)助熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用。重慶也已經(jīng)實(shí)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(shù)原理及其設(shè)備

通常，一座新型環(huán)保節(jié)能地源熱泵供熱站的核心構(gòu)件是水井、壓縮機(jī)和換熱器，它們配套使用，相當(dāng)于一個地?zé)嵛辗糯笃?。其中，水井，它的功能是通過抽水井吸取地下水，經(jīng)地源熱泵升溫，給建筑物內(nèi)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(tǒng)提供穩(wěn)定熱源；壓縮機(jī)是熱泵系統(tǒng)的心臟，就像一個能量放大器，12攝氏度左右的地下水經(jīng)壓縮機(jī)升溫后送進(jìn)換熱器；換熱器是能量傳輸裝置，經(jīng)升溫放大的熱能使供暖系統(tǒng)里不斷循環(huán)的水升溫至45攝氏度，最高時可達(dá)85攝氏度左右，在壓力作用下，整個系統(tǒng)能不斷地從低溫環(huán)境吸熱，再向供熱系統(tǒng)放熱，如此循環(huán)往復(fù)；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(nèi)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(yōu)缺點(diǎn)及其經(jīng)濟(jì)效益

3.1 優(yōu)點(diǎn)

1）高效節(jié)能：每消耗1千瓦電能，可產(chǎn)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(diào)耗電量的1/2。

2）節(jié)能環(huán)保：以1000萬平方米供暖面積計(jì)算，可替代標(biāo)準(zhǔn)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(jī)多能：一套地源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)供暖、制冷和生活用熱水三聯(lián)供，節(jié)省建筑空間和降低造價。

4）運(yùn)行過程穩(wěn)定可靠：由于水體溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動范圍遠(yuǎn)小于空氣的變動，因此，是很好的熱泵熱源和制冷空調(diào)冷源，熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、更穩(wěn)定，確保了整個系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

5）可實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量：小型地源熱泵每一臺都可與用戶電表連接，費(fèi)用很容易計(jì)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(diào)系統(tǒng)通常是公攤計(jì)算，無論空調(diào)是否開啟，一樣計(jì)算費(fèi)用。

6）可分期投入使用：開發(fā)商不需要一次性購買所有的空調(diào)設(shè)備，只需將公共的管路系統(tǒng)及輔助設(shè)備配置好，后期的空調(diào)機(jī)組可根據(jù)具體情況分期投入空調(diào)設(shè)備，緩解了開發(fā)商的資金壓力。

7）自控運(yùn)行：地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)費(fèi)用低，自動控制程度高，使用壽命可達(dá)15年以上。

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

3.2 缺點(diǎn)

1）地源熱泵技術(shù)的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益受到不同地區(qū)、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(yùn)行費(fèi)用因用戶不同而有差異。

3）受當(dāng)?shù)氐叵滤Y源狀況的制約。立項(xiàng)前應(yīng)首先摸清當(dāng)?shù)厮Y源（地下水含量和水質(zhì)等）狀況，由地質(zhì)專家經(jīng)過驗(yàn)證，通過該地區(qū)《水資源論證》后方可進(jìn)行地源熱泵工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工。比如，如果經(jīng)專家檢測發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地下水系統(tǒng)內(nèi)貯水量不足、泥沙過多或過細(xì)，是不適宜采用地源熱泵技術(shù)的。另外，回灌措施是否恰當(dāng)，也是地源熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，應(yīng)予以特別關(guān)注；當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組采用地下水作為熱源水時應(yīng)采用封閉式系統(tǒng)，即經(jīng)熱泵升溫并供建筑物內(nèi)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(yán)格防止因過度抽取地下水而造成地面塌陷，因此，設(shè)計(jì)時應(yīng)采取人工回灌技術(shù)，就是通過另設(shè)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(shù)的經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)有關(guān)部門對國內(nèi)已投產(chǎn)的地源熱泵供熱站測算，與電、煤鍋爐供熱系統(tǒng)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(zhuǎn)化為熱量供用戶使用，而地源熱泵要比電鍋爐供熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃煤鍋爐節(jié)省1/2能量再加上地源熱泵的能源（地下水）溫度比較穩(wěn)定，供熱、制冷系數(shù)高，其運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50%～60%。

4 地源熱泵供熱制冷實(shí)例

新疆烏魯木齊水磨溝區(qū)環(huán)衛(wèi)清運(yùn)隊(duì)辦公區(qū)原燃煤鍋爐房，是一座始建于20世紀(jì)50年代的老式磚混結(jié)構(gòu)鍋爐房，建筑面積不足20平方米，幾經(jīng)大修，早已不能正常使用了。水磨溝區(qū)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(shù)，兩口井（抽水井和回水井）加一個機(jī)組（一臺壓縮機(jī)、一個換熱器）就是這座供熱站的全部設(shè)備。這個地源熱泵供熱站已正常運(yùn)作至今，為該社區(qū)環(huán)衛(wèi)清運(yùn)隊(duì)辦公區(qū)正常供暖，供暖面積達(dá)3400平方米，供暖效果較理想。據(jù)“司爐工”劉師傅介紹說：“現(xiàn)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(jī)、控溫、停機(jī)，觸摸幾下就行了，比以前輕松多了?！睋?jù)測算，往年該供熱站一個采暖季的全部費(fèi)用需14～15萬元，如今按地源熱泵的節(jié)能效果計(jì)算，一個采暖季只需電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)（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(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

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