运用地源热泵技术实现建筑物污染控制和节能

近几年来，大中城市为改善大气环境，大力推广使用包括可再生能源的清洁能源。随着人们生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且需要夏季空调降温，地源热泵技术提供了这一问题的有效解决方案。

◆空调系统介绍

(1)传统的中央空调有空气源热泵(风冷机组)+辅助电加热和水冷冷水机组+锅炉两种形式。空气源热泵(风冷机组)和水冷冷水机组在制冷时都是把房间的热量向室外空气排放，受室外气温因素影响太大，其制冷量随室外空气温度升高而降低，尤其在高温高湿地区，机组制冷性能极不稳定，效率低下。在制热时，空气源热泵当室外温度降到零摄氏度以下时需加辅助电加热装置，否则机组不能正常工作，耗电量大，效率很低，而水冷冷水机组+锅炉这种空调形式，在供热时需用电锅炉或燃煤、燃油锅炉，污染严重，运行费用昂贵。

(2)地下水源空调系统是从水井中抽取的地下水。这种空调在应用上受到许多限制，需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。虽然在理论上抽取的地下水能够回灌到地下水层，但是目前国内地下水回灌技术还不成熟，很容易造成地下水资源的流失。目前由于对使用地下水的规定和立法越来越严格，这种空调系统的应用已逐渐减少。

(3)土壤热交换器地源空调系统。地源热泵是一种利用地下土壤中的地热资源，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。这种空调系统是把热交换器埋于地下，通过水在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行冷热交换的目的。夏季通过机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温，同时储存热量，以备冬用。冬季通过热泵将土壤中的热量转移到房间，对房间进行供暖，同时储存冷量，以备夏用，大地土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉，这样就实现了能量的季节转换。通常机组消耗 1kW的电量，用户可以得到4kW-5kW左右的热量或冷量。与锅炉供热系统相比，地源空调系统要比电锅炉节省三分之二以上的电能，比燃煤、燃油锅炉节省约二分之一的能量；由于地下土壤的温度全年较为稳定，一般为15～20℃，在夏季远远低于室外空气温度，在冬季远远高于室外空气温度，机组运行工况稳定，无论在制冷还是制热都一直处于高效率运转状态，制冷、制热的性能与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，因此其运行费用为普通中央空调的系统的40-50％。因此，近十几年来，地源热泵空调系统在北美北欧等国家取得了很快的发展，中国的地源热泵市场在最近五年来也非常活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的高效、环保、节能的供热和供冷空调技术。

◆地源空调发展概况 地源热泵的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中。 20世纪50年代，欧洲和美国开始了研究地源热泵的第一次高潮。但在当时能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到上世纪70年代，石油危机和日益恶化的环境把人们的注意力集中到节能、高效益用能和环境保护上时，使地源热泵的研究进入了又一次高潮，最近20年在欧美等工业发达国家取得了迅速的发展，已成为一项成熟的应用技术。在美国地源热泵空调系统占整个空调系统的 40％，是美国政府极力推广的节能、环保技术。为了表示支持这种技术，美国总统布什在他的得克萨斯州的别墅中也安装了这种地源热泵空调系统(见2001年5月28日参考消息)。到目前为止美国已安装了600，000台，而且计划每年安装45万台的目标，能降低温室气体排放一百三十万吨，相当于减少56万辆汽车的污染排放或种植树一百多万英亩，年节约能源费用4．3亿美元。瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用地源热泵，用于供暖及提供生活热水。据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例：瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。 在我国由于能源价格的特殊性以及人们节能、环保的认识程度等原因以及其他一些因素的影响，地源热泵空调技术应用和发展比较缓慢，人们对之尚不十分了解，推广较困难，然而随着人们生活水平的提高，人均能耗的增长，一次性矿物能源的日益衰竭以及环境的日趋恶化，地源热泵技术已越来越引起人们的重视。在目前节能和环保的潮流下，该技术以其特有的节能性和稳定性受到行业的瞩目，国内许多院校、科研所作了大量的应用研究。国家建设部在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中专门作了推荐。可以预见，随着经济的发展，人们节能、环保意识的日益提高，地源热泵作为一种节能、环保的绿色空调设备适应能源可持续发展战略要求，在中国必将有广阔的应用和发展前景。

◆地源空调系统的特点： 地源热泵与常规空调技术相比有着无可比拟的优势。

(1)利用可再生能源：地源热泵属可再生能源利用技术。地源热泵从常温土壤中吸热或向其排热，土壤中的能量它永无枯竭，是一种可再生的清洁能源，可持续使用。

(2)高效节能，运行费用低：地源热泵属经济有效的节能技术。地下土壤温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的空调冷热源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40％，因此要节能和节省运行费用 40％左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。在制热制冷时，地源热泵可将土壤中的能量“搬运”到室内，其能量70％来自土壤，输入1KW的电量可以得到5KW以上的制冷制热量。运行费用冬季一个运行季每平方米仅为12-16元，夏季一个运行季为7—9元，比常规中央空调系统低40％左右。

(3)节水省地：

1)以土壤为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染。

2)省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。

3)埋管可埋在车库、停车场、花园、操场等下面，不占用使用面积。

(4)环境效益显著：该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，在供热时，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。

(5)运行安全稳定，可靠性高：地源热泵系统在运行中无燃烧设备，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险，使用安全。燃油、燃气锅炉供暖，其燃烧产物对居住环境污染极重，影响人们的生命健康。由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热不受外界气候影响，运行工况非常稳定，优于其他空调设备。不存在空气源热泵供热不足，甚至不能制热的问题。土壤源热泵地下换热管路采用高密度聚乙烯塑料管，使用寿命长达50年以上，可与建筑物寿命相当。空调机组结构简单，运转部件少，使用寿命可达到20年以上。整个系统的维护费用也较锅炉—制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。维修量极少，折旧费和维修费也都大大地低于传统空调。

(6)一机两用，应用范围广：地源热泵系统可供暖、制冷，一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于住宅的采暖、供冷。

(7)自动运行：地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，可无人值守；此外，机组使用寿命长，均在20年以上。

◆地源空调系统的社会效益 在我国的一些发达城市，夏季制冷、冬季采暖与供热所消耗的能量已占建筑物总能耗的40-50％。特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染，对人们的健康形成了威胁。因此，建筑物污染控制和节能已是国民经济发展的一个重大问题。传统的采暖空调模式因其产生的环境污染正面临着严峻的挑战。 对于夏季制冷的建筑来说，随着空气热泵空调的普及，空调的实际使用效果正在逐年下降，这是因为空调装机容量的增加，空调局部热岛效应交叉干扰的结果。天气越炎热，室外的温度越高，空调负荷也越大，而此时空调机向室外散热时，传热温差越小，空调机的运转效率就越低，设备也越费电。也就是说，除了燃煤供暖给环境造成污染之外，空调机同样会造成大气污染。 传统的供暖空调方式是由两套系统分别解决冬季供暖和夏季制冷系统投资大，运行费用高，而且占地面积大。 另一方面，我国大部分地区冬冷夏热，夏天大量地使用风冷空调，造成某些大城市供电紧张，形成电荒，为了确保不会造成断电等问题出现，有些城市夏天限制用电量。另外，因为部分地区没有暖气供应，冬天使用电炉取暖，造成电力供应紧张。因此，冬天供暖价格的上调使供暖的运行费用有所提高，再加上供暖造成的污染严重，让我们不得不思考采用一些节能环保的产品。 地源热泵机组制冷、供暖所需能量3／4左右来自地下，另外1／4左右来自电力输入，从而减少一次性的矿物能源消耗；不向室外排冷、热风，减少城市热岛效应。对环境非常友好。 地源热泵空调是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的工程系统。冬季向建筑物供热，夏季又可供冷。可广泛应用于各类建筑中，如商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、学校、医院等。现在我国对建筑节能的要求越来越高。减少我国冬季采暖和夏季供冷所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是每个公民应尽的义务。特别是近几年来，大中城市为改善大气环境，大力推广使用包括可再生能源的清洁能源。随着人们生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且需要夏季空调降温，地源热泵技术提供了这一问题的有效解决方案。

◆我国地源空调行业发展存在的问题 (1)由于地源空调进入我国发展的时间还不是很长，因此整个行业的专业人才比较欠缺，同时各相关的高校也缺乏地源空调专业技术人员的培养，很多从业人员都是从原来的暖通专业转而从事地源空调专业。尤其是各大建筑设计院，更是缺乏地源空调专业的设计人员，给地源空调工程的推广带来了制约。 (2)国家虽然出台了相关的资金扶持法规，但是扶持的力度还可以适当再加大，同时扶持制度的执行比较繁琐，希望政府能够简化资金扶持手续，使更多的人和社区享受这项造福子孙万代的节能技术。

◆我国地源空调行业发展存前景 以北京市为例，从1995年地源(包括水源)热泵空调开始进入建筑市场，至2004年，北京市累积使用地源(包括水源)热泵空调的建筑达到420万平方米，根据不完全统计，2005年-2007年北京的地源热泵空调的建筑面积将达到600万平方米。北京市很多地标性建筑和奥运建筑都使用了地源热泵技术，包括国家大剧院、奥运鸟巢、奥运水立方等工程。 从以上数据我们可以看出，随着政府支持力度的加大，和人们节能意识的提高，地源热泵技术正越来越受到大家的关注。地源空调行业在中国的发展也到了空前繁荣的时候。在中国的很多地区，地源空调的增长速度甚至超过50％以上。 同时我们还要清醒地看到，尽管我们地源空调行业的发展速度很快，但是我们占总建筑规模的比例还很低。还是以北京市为例，北京市在近几年所有建筑物的开竣工面积约9000万平方米左右。我们地源空调面积所占全部建筑面积比例不到10％。这说明地源空调技术还有很大的发展空间。同时很多经济欠发达地区，地源热泵空调技术可能还是个空白。包括很多以前建成的建筑物，也有由传统空调改为地源热泵空调的可能。因此，地源空调行业的机遇还很大，发展的空间还很大。 综上所述，我个人认为随着经济的发展，人们节能、环保意识的日益提高，地源热泵作为一种节能、环保的绿色空调设备适应能源可持续发展战略要求，在中国必将有更加广阔的应用和发展前景。 (作者：北京依科瑞德地源科技有限责任公司 苏存堂)