地源熱泵是以大地為熱源對(duì)建筑進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的節(jié)能新技術(shù)。在夏熱冬冷地區(qū)，應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)可達(dá)到夏季制冷、冬季供暖的目的。地源熱泵系統(tǒng)適用范圍廣泛，既可應(yīng)用于賓館、寫字樓、醫(yī)院和學(xué)校等社會(huì)機(jī)構(gòu)，又可應(yīng)用于居民住宅。地源熱泵其實(shí)并不是一個(gè)新概念，早于1912 年就由瑞士的Zoelly 提出[1]。之后幾十年中，地源熱泵基本處于實(shí)驗(yàn)研究狀態(tài)，直到二十世紀(jì)六十年代才在歐美出現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)品[2]。目前，在歐美發(fā)達(dá)國家，已有眾多地源熱泵應(yīng)用實(shí)例。由于地源熱泵可顯著降低運(yùn)營費(fèi)用，已受到越來越廣泛的關(guān)注。盡管還有一些不利因素限制了地源熱泵的快速普及，如初投資較大，但隨著科技的發(fā)展，限制地源熱泵普及的因素已經(jīng)或正在得到改善。因而，地源熱泵被認(rèn)為是最有前途的空調(diào)系統(tǒng)之一。

 

  1 地源熱泵的工作原理

 

  地源熱泵對(duì)應(yīng)的英文名稱是 ground-source heat pumps(GSHPs)。顧名思義，“熱泵”二字說明它是熱泵的一種，具有熱泵的共同特點(diǎn)，與空氣源熱泵類似；而“地源”二字則指明其能量來源，即來源于大地，這一點(diǎn)不同于空氣源熱泵。地源熱泵系統(tǒng)示意圖見圖1。夏季制冷時(shí)，大地作為排熱場(chǎng)所，把室內(nèi)熱量以及壓縮機(jī)耗能通過埋地盤管排入大地中，再通過土壤的導(dǎo)熱和土壤中水分的遷移把熱量擴(kuò)散出去。冬季供熱時(shí)，大地作為熱泵機(jī)組的低溫熱源，通過埋地盤管獲取土壤中熱量為室內(nèi)供熱。兩個(gè)換熱器都既可作冷凝器又可作蒸發(fā)器，只是因季節(jié)不同而功能不同。它們之間功能的轉(zhuǎn)換由圖中的四通閥門(換向閥)控制。可以看到，在地源熱泵系統(tǒng)中，由于冬季從大地中取出的熱量可在夏季得到補(bǔ)償，因而可使大地?zé)?/a>量基本平衡。

  2 地源熱泵較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)

 

  與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行費(fèi)用(主要包括能耗費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用)方面有較大優(yōu)勢(shì)。如在商業(yè)應(yīng)用中，使用地源熱泵的年均能耗折算成美元為0.97 $×ft-2，而傳統(tǒng)空調(diào)的相應(yīng)值為1.17 $×ft-2 [3]，節(jié)能達(dá)到17%；住宅應(yīng)用中的能耗則減少32.4% [4]。地源熱泵之所以能夠如此顯著地降低能耗，是由于地源熱泵的熱源－大地較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的熱源－空氣具有明顯優(yōu)勢(shì)：在夏季制冷時(shí)，大地較空氣的溫度低，這樣有利于將熱量排出室外；在冬季供熱時(shí)，大地又較空氣的溫度高，這樣又有利于將熱量泵入室內(nèi)。而且，大地的換熱性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于空氣。

 

  在維護(hù)費(fèi)用方面，地源熱泵的優(yōu)勢(shì)也較明顯。Douglas Cane 等[3]對(duì)25 個(gè)加拿大和美國的應(yīng)用地源熱泵的實(shí)例進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，并按建筑類型統(tǒng)計(jì)了各個(gè)實(shí)例的年均費(fèi)用，其中，最早投入運(yùn)營的實(shí)例在1981 年，最晚的為1995 年，并且有20 個(gè)實(shí)例是在1990 年及之后投入運(yùn)營的。這25 個(gè)實(shí)例中，只有3 個(gè)實(shí)例的維護(hù)由外部承包商完成。其余實(shí)例中，維護(hù)則由內(nèi)部員工完成，這種情況下，人工費(fèi)用僅限于工人工資，并稱為“基本費(fèi)用”。更為合理的內(nèi)部工人雇傭費(fèi)用還應(yīng)包括一些日常管理費(fèi)用和加班費(fèi)，因而需要在基本費(fèi)用基礎(chǔ)上進(jìn)行修正以補(bǔ)償工人的日常管理費(fèi)用和加班費(fèi)。表1 即是在基本費(fèi)用基礎(chǔ)上進(jìn)行修正后的數(shù)值。而在由外部承包商完成維護(hù)的實(shí)例中，為補(bǔ)償工人管理費(fèi)用、加班費(fèi)和外部承包商利潤，還應(yīng)在表1的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。表2 即是在表1 基礎(chǔ)上進(jìn)行修正后的數(shù)值。表1 和表2 中數(shù)值的單位為$×ft-2(1$×ft-2 約合0.89 元×m2)。

 

  為了說明地源熱泵在維護(hù)費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)，下面將其與其它類型空調(diào)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行比較。其它類型空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)取自ASHRAE 于1983 年對(duì)342 個(gè)實(shí)例的調(diào)查結(jié)果[5]，如表3。

 

  表3 分別列出地源熱泵考慮工人管理費(fèi)及加班費(fèi)和考慮外部承包商利潤兩種維護(hù)費(fèi)用情況。其中部分?jǐn)?shù)據(jù)與表1 和表2 不一致，是由于表3 中的數(shù)據(jù)都為最近五年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(這樣更能反映地源熱泵近期的應(yīng)用狀況）。由于不能確定來自ASHRAE 的數(shù)據(jù)是基本費(fèi)用、考慮了工人管理費(fèi)及加班費(fèi)還是考慮了外部承包商利潤，并且由于ASHRAE 數(shù)據(jù)是1983 年的調(diào)查結(jié)果，所以表3 中進(jìn)行的比較可能并不合適。但是，如果考慮到自1983 年以來的通貨膨脹(必然顯著提高維護(hù)費(fèi)用)，那么表3 的比較還是有依據(jù)的，可以充分說明地源熱泵在維護(hù)費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)。

 

  從表 3 的比較可以看到，即使是地源熱泵最不具優(yōu)勢(shì)的運(yùn)營方式(由外部承包商負(fù)責(zé)維護(hù))，也比傳統(tǒng)的最具優(yōu)勢(shì)的空調(diào)系統(tǒng)(分體式空氣熱泵)的年均維護(hù)費(fèi)用低22.8%。若將地源熱泵在能耗方面節(jié)約費(fèi)用17%計(jì)算在內(nèi)，則地源熱泵平均可比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)降低運(yùn)行費(fèi)用近40%。

 

  3 地源熱泵的一些不足之處及部分解決方法

 

  地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行費(fèi)用方面有明顯優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也有一些不利因素，這些因素制約了地源熱泵的快速普及。其中最主要的制約因素是初投資較大，地源熱泵的初投資不僅包括傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)所需的地面上管路和設(shè)備的投資，還包括埋地盤管投資、埋地盤管敷設(shè)投資以及購買敷設(shè)盤管所需土地的使用權(quán)或所有權(quán)的投資。初投資成為影響地源熱泵在發(fā)展中國家推廣的重要因素之一[6]。另一個(gè)制約地源熱泵普及的重要因素是技術(shù)不是十分完善。比如，由于各地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相差很大，造成埋地盤管與土壤間的換熱系數(shù)也相差很大。這在設(shè)計(jì)埋地盤管長(zhǎng)度時(shí)將產(chǎn)生問題：若埋地盤管設(shè)計(jì)過長(zhǎng)，將會(huì)造成大量初投資浪費(fèi)；若設(shè)計(jì)過短，不但滿足不了設(shè)計(jì)工況要求，還可能造成設(shè)備損壞。除此之外，還有管路防凍液的選取，變工況運(yùn)行等問題需解決。

 

  不過，地源熱泵不足之處目前已得到部分解決。如混合型地源熱泵系統(tǒng)即較好地解決了初投資高和埋地盤管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)困難等問題。由于在許多大型地源熱泵的應(yīng)用中，制冷所需的埋地盤管長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于加熱所需的盤管長(zhǎng)度。在這種情況下，為降低初投資可用冷卻塔代替一部分埋地盤管，即混合型地源熱泵系統(tǒng)[2]，其示意圖見圖2。圖中，冷卻塔只在冷負(fù)荷大于埋地盤管所能提供的冷負(fù)荷時(shí)才投入運(yùn)行，其作用與埋地盤管類似，只不過冷卻塔是將室內(nèi)的熱量排到大氣中去，而埋地盤管是排到大地中去。

 

  4 地源熱泵的前景展望

 

  地源熱泵系統(tǒng)由于運(yùn)行費(fèi)用較低，在歐美發(fā)達(dá)國家已有很多應(yīng)用實(shí)例，目前較多應(yīng)用在商業(yè)系統(tǒng)。我國見于文獻(xiàn)的地源熱泵的最早應(yīng)用是在1987 年，用于上海的一幢六層辦公樓的制冷與供熱。這個(gè)地源熱泵系統(tǒng)是由美國設(shè)計(jì)制造、運(yùn)抵上海后安裝的[6]。

 

  我國淮河以南的廣大地區(qū)建筑一般沒有冬季采暖裝置，而這些地區(qū)冬季氣溫較低。為改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境，主要措施是采用局部采暖裝置，如小型傳統(tǒng)空調(diào)或電加熱器等。前文的數(shù)據(jù)對(duì)比已說明，傳統(tǒng)空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)高于地源熱泵系統(tǒng)；而電加熱器則效率低且取暖面積十分有限。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，社會(huì)購買力大大增強(qiáng)，地源熱泵的高初投資對(duì)其應(yīng)用的影響將越來越小。隨著科技的發(fā)展，地源熱泵的技術(shù)將更加成熟而其使用成本將下降。因此，如果能采取恰當(dāng)?shù)臓I銷策略，地源熱泵必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景。