曹琦:把握地源热泵高效节能运行的本质

    在能源形势十分紧张、建筑节能减排任务非常繁重的今天，以取之不竭、用之不尽《浅层地热能》利用的地源热泵技术就在中国大地遍地开花了。根据《工程建设与设计》杂志调查，我国地源热泵从20世纪80年代出现，到2005年我国31个省市已有3867个在运行的地源热泵项目，比2004年上升190.91%，到2006年更是比2005年上升了121.43%，达到了4696个项目[1][2]。地源热泵之所以有这样高速发展的态势，是和我国的能源环境形势严峻，中央、地方政府政策上引导、经济上扶持，和英美北欧等地源热泵先进技术国家进行频繁的技术交流、合作、引进，我国学者努力出版地源热泵书籍以及国家及时出台关于地源热泵有关设计施工规范标准、图集等等因素有很大关系。

    我国地源热泵工程快速发展应用的态势，让人欢欣鼓舞，也让人有些担忧。欢欣鼓舞的是我国地源热泵工程的规模、速度是顶冠全球的，值得中国人大大地骄傲、颂扬；担心的是地源热泵工程快速推动发展过程中，一些关键的、共同的基础问题还没有搞的十分清楚，介入地源热泵领域的工程建设单位行业背景复杂，造成了各行各业、一哄而起搞地源热泵的局面，结果鱼龙混杂，许多工程存在着严重的隐患。

    空调系统本应当是一个有机的系统整体，人们本应该像造物主创造一个健康的人一样，创造一个健康的空调系统，可是我们现在进行系统集成的理念不是从系统整体用“系统思考”的理念有目的地安排每一个子系统，而是按专业模块用“片面思考”的理念将各个子系统堆砌在一起，子系统之间貌合神离、缝隙很大，工作配合不协调，以至于在运行的中央空调系统、智能建筑系统95%都是不节能的。地源热泵空调系统并没有解决中央空调系统集成理念的问题，反而增加了一个关键的、更加难以琢磨的地下换热器子系统，加大了系统集成的难度，因此地源热泵空调系统出现的问题比普通空调系统更多。笔者从参观过的许多样板工程中证实了这种观点。地源热泵空调系统的性能应当是优良的。但这种优良性能必须在把握地源热泵高效节能的本质、把握空调系统的灵魂及其节能的精髓之后，在地源热泵空调系统的设计、施工、运行中赋予系统有优良性能的系统整体结构，才能涌现出来的。本文将在这两个方面进行初步探讨。

2．地下浅层岩土层的应用本质是特性能优良的蓄热体

    按照《浅层地热能勘查评价技术规范》（征求意见第二稿）标准定义，《浅层地热能（Shallow Geothermal Energy）》是指地表下一定深度范围（一般指恒温带至200m埋深）温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用的地球的内部热能资源[3] 。在推行地源热泵技术中，宣称浅层地温能就是一种新型、可再生的优质清洁能源，具有可再生、储量大、清洁环保和可用性强等特点；鼓动用地源热泵技术打开浅层地下热能宝库[4]；在许多生产厂家和一些论文在地源热泵原理叙述中也宣传地球是个大的太阳能集热器，几乎吸收47%辐射到地球表面的太阳能。这些论点集中到一点就是太阳不断给了我们《浅层地热能》，浅层地热能就像石油、煤炭等化石能源资源一样的，是一种可以用热泵开采出来的太阳能再生能源资源。

    显然《浅层地热能》一词，是我们制定规范的红线，是推行节能新理念的旗帜，是作为推广地源热泵空调系统的行动指南和考虑问题的基点；《浅层地热能》也是我们大规模应用地源热泵技术的大前提，弄清这个大前提，弄清地源热泵空调系统高效节能运行的本质，乃是健康地推广地源热泵空调系统的当务之急。

    我们每个人都有这样的切身经验：地球大气、土地、地下水的年平均温度是恒定的。根据这个事实，从能量平衡方程可以逻辑地证明地球吸收的太阳能加上地心散失的核能等于地球以红外长波辐射到背景温度为2.7K的太空中的能量，地球表面太阳能收支是平衡的。太阳能量辐射作用深度只有16 m左右，太阳没有给我们“浅层地热能”！地球生机勃勃的景象，乃是太阳能辐射到地球然后以红外长波辐射到太空、能量耗散流动过程参数的种种表象。

    岩土层在深度方向上的温度分布，本质是地心散失核能的热流通过热容、热阻很大的岩土层耗散流动过程造成的温度场，这是地球诞生45亿年来长期演化的结果。大量的科学研究证实，地心核能热流密度约为60~68mW/m²，这是地球0~200m浅层唯一可再生的自然能源。这个可再生能源对于地源热泵138~1380 W/m²能量采集密度来说，显然是太小了。地下恒温层只是无热源的温度场，所以，地源热泵应用中只能把它当作性能良好的蓄热体，不可能指望地心核能散失的能量可以创造代替化石能源持续供暖的奇迹。另外，地源热泵应用考虑的时间尺度也只是其20~25年的地源热泵生命周期之内，用亿万年地质年代的尺度来说事是毫无现实意义的。

    如果说地球0~200m浅层岩土层是一种资源的话，那它提供的是作为性能良好的、蓄热量巨大的蓄热体，而决非是《浅层地热能》。这是我们在健康地推行地源热泵空调系统时必须把握和遵守的大前提，一切事情应该根据这个大前提来展开。

    地源热泵空调系统是具有环保、节能、能源可再生、和谐美观、一机多用等等优点的环保绿色空调，但它的优点是人们在系统设计中赋予它一种结构运行机制才能显现的。这种机制就是将浅层岩土层作为性能良好的蓄热体，夏蓄热冬用、冬蓄冷夏用，蓄冷量、蓄热量再生循环利用的结构运行机制，给地源热泵空调系统造成一个稳定的、良好的、高效的工作运行环境。这才是地源热泵空调系统能够高效节能运行的本质。显然系统具有这种机制的关键在于地源热泵空调系统中年从地下取的热量和向地下放的热量基本平衡，保持地下岩土层在一定的温度范围内波动（笔者从系统的角度分析认为，这个幅度约为±3℃）。那种只采暖（某些北方地区工程）或只制冷（某些南方地区工程）的地源热泵空调系统不具备这种机制，系统短则2~3年长则5~6年失效不能运行不说，造成的地下岩土层的热污染，还可能带来如热岛、冷坑、冻土层深度下移、改变地上植被生长的自然规律等等一系列的环境问题。

    敬畏自然、适应自然，按自然规律办事，进而和自然和谐相处，这是千百年自然灾害史教会人们的生存哲学。只有把握住地源热泵空调系统中能量流动的客观规律，才能取得良好的节能减排效果。违背自然规律，必遭大自然的严厉惩罚。

3．改变理念，把握空调系统集成的灵魂及其节能的精髓

    无论是人们的生活经验，还是国家的HVAC标准[5][6]，都要求空调房间的温湿度控制在舒适的范围内。从能量方程证明，房间温度基本恒定是房间产生的冷（热）负荷，等于空调取（供）的冷（热）量，房间得失热量达到动态平衡出现的状态。而房间的冷（热）负荷是随时间、季节、气候、人员、设备工作状态等因素随机地变化的，因此HVAC房间空调取（供）的冷（热）量，也应该跟随冷（热）负荷变化，这是HVAC系统的主要任务。否则，就会出现供冷或供热季节，房间窗户大开以求舒适的大量浪费能源的人们熟知的现象。因此，“实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化”是中央空调系统的灵魂，在空调系统集成时，我们必须凸显这条红线。

    空调系统是人们效法自然创造的耗散人工系统，它应当是一个有机系统整体。生物系统是基因信息智慧创造的耗散自然系统，它就是一个有机系统整体。虽然基因信息智慧博大精深、玄妙无比是人类智慧不可企及的，但人类效法自然构成人工系统时也应当遵循能量在生物体内流动的法则。生物体内能量流动法则是“消耗最少的能量，维持机体的新陈代谢和基因遗传。”生物遵循这条法则，得以生长发育、传宗接代、物种长存。同样，法自然的人工系统的设计、施工、运行也应当遵守这条法则，才可能是健康、节能、持续、科学的。这个法则换成空调界熟悉的话语，那就是中央空调节能的精髓是“花最小的代价，实现实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化。”

    中央空调系统的灵魂是“实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化”，中央空调节能的精髓是“花最小的代价，实现实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化。”灵魂、精髓是笔者按有机系统整体、用“系统思考”的理念提出来的空调系统设计、施工、运行必须遵守的原则和必须凸显的两条红线。只有认真地贯彻“灵魂”、“精髓”这两条红线，空调系统的构成才可能是健康的、节能的、持续的、科学的。空调系统是一个有机系统整体，它的设计、施工、运行需要我们睁开双眼，看清系统整体及其组成模块，认真地依空调的目的安排每一个子系统。现代整体论的认识论认为，知识（理论）是人们察觉能力的基础。人们的观察渗透着理论，知识（理论）决定你能“看到”什么，你的知识范围，决定着你看问题的视野和高度，你的知识深浅决定着你察到觉事物的深浅、看问题的深度。从这个意义上讲，知识（理论）就是人们观察、认识世界的窗户。因此看清中央空调系统整体及其组成专业模块是需要转变理念、需要知识能力的。

    笔者曾对传统的按专业模块用“片面思考”的理念构成的3个空调水路系统[7]和按系统有机整体、用“系统思考”理念构成的1个空调水路系统变工况性能进行了对比计算，在有代表性的时均负荷率工况，传统理念构成的水路系统运行效率只有7.3~12.0%，“系统思考”理念构成的水路系统运行效率为43.2%，传统水路系统运行消耗的水泵输送动力是“系统思考”理念构成的水路系统的3.6~5.9倍。按系统有机整体、用“系统思考”理念构成的空调水路系统在空调设计、施工、运行的过程中是认真地凸显了“灵魂”、“精髓”的红线，表现出了传统系统不可企及的性能：高效、节能、价廉、简单，具有良好的静态、动态水力平衡性能等等。

    理念决定世界，因此要使空调系统节能减排效果显著，首先必须转变理念。水源热泵空调系统能够高效运行，是人们把握了系统的本质，在设计、施工、运行中赋予了系统节能的功能结构，于是系统在和外界进行物质、能量、信息的交换中，即和外界的关联中，涌现出了节能等一系列优良的属性来。系统科学原理告诉我们，系统的属性是由系统的结构决定的。如果系统没有预期的属性，是在作系统集成时，人们没有赋予系统应有的功能结构机制所致。

4．结论

1）．地下浅层岩土层的应用本质是性能优良的蓄热体；

2）．地源热泵空调系统能够高效节能运行的本质是将浅层岩土层作为性能良好的蓄热体，夏蓄热冬用、冬蓄冷夏用，蓄冷量、蓄热量再生循环利用的结构运行机制，给地源热泵空调系统造成一个稳定的、良好的、高效的工作运行环境。

3）．中央空调系统的灵魂是“实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化”，中央空调节能的精髓是“花最小的代价，实现实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化。”

4）．空调系统节能的属性是因为它有节能的整体结构。要使空调系统节能减排效果显著，必须转变现行的系统集成的理念。

作者简介：

曹琦，男，河南1940年2月生，教授，西安交通大学人居环境与建筑工程学院，建筑环境与设备工程系；  

研究方向：用“系统思考”的理念，研究空调系统节能、智能建筑节能技术；

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