地源熱泵的優越性及前景展望

  地源熱泵是以大地為熱源對建筑進行空氣調節的節能新技術。在夏熱冬冷地區，應用地源熱泵系統可達到夏季制冷、冬季供暖的目的。地源熱泵系統適用范圍廣泛，既可應用于賓館、寫字樓、醫院和學校等社會機構，又可應用于居民住宅。地源熱泵其實并不是一個新概念，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驗研究狀態，直到二十世紀六十年代才在歐美出現商業化產品[2]。目前，在歐美發達國家，已有眾多地源熱泵應用實例。由于地源熱泵可顯著降低運營費用，已受到越來越廣泛的關注。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，但隨著科技的發展，限制地源熱泵普及的因素已經或正在得到改善。因而，地源熱泵被認為是最有前途的空調系統之一。

 

  1 地源熱泵的工作原理

 

  地源熱泵對應的英文名稱是 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，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，這一點不同于空氣源熱泵。地源熱泵系統示意圖見圖1。夏季制冷時，大地作為排熱場所，把室內熱量以及壓縮機耗能通過埋地盤管排入大地中，再通過土壤的導熱和土壤中水分的遷移把熱量擴散出去。冬季供熱時，大地作為熱泵機組的低溫熱源，通過埋地盤管獲取土壤中熱量為室內供熱。兩個換熱器都既可作冷凝器又可作蒸發器，只是因季節不同而功能不同。它們之間功能的轉換由圖中的四通閥門(換向閥)控制。可以看到，在地源熱泵系統中，由于冬季從大地中取出的熱量可在夏季得到補償，因而可使大地熱量基本平衡。

 

  2 地源熱泵較傳統空調系統具有的優勢

 

  與傳統空調系統相比，地源熱泵系統在運行費用(主要包括能耗費用和維護費用)方面有較大優勢。如在商業應用中，使用地源熱泵的年均能耗折算成美元為0.97 $×ft-2，而傳統空調的相應值為1.17 $×ft-2 [3]，節能達到17%；住宅應用中的能耗則減少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－大地較傳統空調系統的熱源－空氣具有明顯優勢：在夏季制冷時，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，大地又較空氣的溫度高，這樣又有利于將熱量泵入室內。而且，大地的換熱性能要遠遠優于空氣。

 

  在維護費用方面，地源熱泵的優勢也較明顯。Douglas Cane 等[3]對25 個加拿大和美國的應用地源熱泵的實例進行了跟蹤調查，并按建筑類型統計了各個實例的年均費用，其中，最早投入運營的實例在1981 年，最晚的為1995 年，并且有20 個實例是在1990 年及之后投入運營的。這25 個實例中，只有3 個實例的維護由外部承包商完成。其余實例中，維護則由內部員工完成，這種情況下，人工費用僅限于工人工資，并稱為“基本費用”。更為合理的內部工人雇傭費用還應包括一些日常管理費用和加班費，因而需要在基本費用基礎上進行修正以補償工人的日常管理費用和加班費。表1 即是在基本費用基礎上進行修正后的數值。而在由外部承包商完成維護的實例中，為補償工人管理費用、加班費和外部承包商利潤，還應在表1的基礎上進行修正。表2 即是在表1 基礎上進行修正后的數值。表1 和表2 中數值的單位為$×ft-2(1$×ft-2 約合0.89 元×m2)。

 

  為了說明地源熱泵在維護費用方面的優勢，下面將其與其它類型空調系統的維護費用進行比較。其它類型空調系統的數據取自ASHRAE 于1983 年對342 個實例的調查結果[5]，如表3。

 

  表3 分別列出地源熱泵考慮工人管理費及加班費和考慮外部承包商利潤兩種維護費用情況。其中部分數據與表1 和表2 不一致，是由于表3 中的數據都為最近五年的統計結果(這樣更能反映地源熱泵近期的應用狀況）。由于不能確定來自ASHRAE 的數據是基本費用、考慮了工人管理費及加班費還是考慮了外部承包商利潤，并且由于ASHRAE 數據是1983 年的調查結果，所以表3 中進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(必然顯著提高維護費用)，那么表3 的比較還是有依據的，可以充分說明地源熱泵在維護費用方面的優勢。

 

  從表 3 的比較可以看到，即使是地源熱泵最不具優勢的運營方式(由外部承包商負責維護)，也比傳統的最具優勢的空調系統(分體式空氣熱泵)的年均維護費用低22.8%。若將地源熱泵在能耗方面節約費用17%計算在內，則地源熱泵平均可比傳統空調系統降低運行費用近40%。

 

  3 地源熱泵的一些不足之處及部分解決方法

 

  地源熱泵系統在運行費用方面有明顯優勢，但同時也有一些不利因素，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空調系統所需的地面上管路和設備的投資，還包括埋地盤管投資、埋地盤管敷設投資以及購買敷設盤管所需土地的使用權或所有權的投資。初投資成為影響地源熱泵在發展中國家推廣的重要因素之一[6]。另一個制約地源熱泵普及的重要因素是技術不是十分完善。比如，由于各地的地質結構相差很大，造成埋地盤管與土壤間的換熱系數也相差很大。這在設計埋地盤管長度時將產生問題：若埋地盤管設計過長，將會造成大量初投資浪費；若設計過短，不但滿足不了設計工況要求，還可能造成設備損壞。除此之外，還有管路防凍液的選取，變工況運行等問題需解決。

 

  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即較好地解決了初投資高和埋地盤管長度設計困難等問題。由于在許多大型地源熱泵的應用中，制冷所需的埋地盤管長度要遠大于加熱所需的盤管長度。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[2]，其示意圖見圖2。圖中，冷卻塔只在冷負荷大于埋地盤管所能提供的冷負荷時才投入運行，其作用與埋地盤管類似，只不過冷卻塔是將室內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

 

  地源熱泵系統由于運行費用較低，在歐美發達國家已有很多應用實例，目前較多應用在商業系統。我國見于文獻的地源熱泵的最早應用是在1987 年，用于上海的一幢六層辦公樓的制冷與供熱。這個地源熱泵系統是由美國設計制造、運抵上海后安裝的[6]。

 

  我國淮河以南的廣大地區建筑一般沒有冬季采暖裝置，而這些地區冬季氣溫較低。為改善冬季室內熱環境，主要措施是采用局部采暖裝置，如小型傳統空調或電加熱器等。前文的數據對比已說明，傳統空調的運行費用遠高于地源熱泵系統；而電加熱器則效率低且取暖面積十分有限。當前，我國經濟高速增長，社會購買力大大增強，地源熱泵的高初投資對其應用的影響將越來越小。隨著科技的發展，地源熱泵的技術將更加成熟而其使用成本將下降。因此，如果能采取恰當的營銷策略，地源熱泵必將擁有廣闊的市場前景。