四川省地源热泵系统的应用分析

叶晓璇，敬成君

(四川大学，四川成都610065)

在节能减排以及煤、石油、天然气等资源日趋紧张的多重压力下，世界各国开发利用地热资源的力度不断加大。我国目前面临着能源短缺与能源消耗快速增长的尖锐矛盾，如何实现节能与环保成了人们普遍关心的问题。地热作为一种清洁的可再生能源，越来越受到人们的关注。加上近年碳汇等因素，使得地热市场变得更加活跃。从技术的成熟性、可行性以及国内的应用情况来看，地源热泵必会成为今后解决建筑物能耗问题的重要途径之一。

1 地源热泵系统的概述

1.1 地源热泵系统原理及其分类

地源热泵通过输入少量高品位能源，实现低温位热能向高温位转移，是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统(参见图1)。可分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。

地源热泵系统根据地热能交换系统形式的不同，分为地埋管地源热泵系统(即土壤源热泵系统)、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵空调系统主要分三部分: 室外地能换热系统、地源热泵机组和室内空调末端系统。夏季回水所含热量一部分用以加热生活用水，一部分通过地下换热器储入地下；冬季利用系统回水所带热量加热生活用水，系统同时提供空调的冷、热源和生活热水源，可为用户创造舒适的室内空气环境。

图1 地源热泵工作原理

1.2 地源热泵系统的优势

地源热泵空调系统70%的能量来源于土壤，30%的能量来自电力，用于将热量转移。与锅炉供热系统相比，它要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一的能量，且不向建筑外大气环境排放废冷或废热，有利于环保；与空气热源相比，土壤温度的波动小，数值相对稳定，在室外空气温度处于极端状态时，由于土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟，地源热泵可以更好地满足用户需求。

地源热泵可供暖和制冷，还可供生活热水，一机多用，节省了空间，并产生附加经济效益；安全无污染，不需要锅炉房和燃料的储存，减小了安全隐患；地源热泵系统使用寿命长，运行稳定，可实现无人值守、自动运行、智能控制；运行和维护费用低，增加的初投资在5～10年内即可收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用低于传统的空调系统。

2 地源热泵系统在国内外的发展

2.1 在国外的发展

自1912 年瑞士Zoelly 提出“地源热泵”的概念以来，因其具有利用可再生能源、高效节能、环保等优点，在北美和欧洲得到了广泛应用和发展。国外在20 世纪50 年代已开始应用地源热泵技术， 到20世纪90 年代技术趋于成熟。美国在住宅和小型商业建筑偏重应用于水源热泵技术，在大型建筑方面，美国推行WLHP 系统(即水环热泵系统)。与美国的热泵发展有所不同，中欧、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家在20 世纪60年代主要采用水-水型地源热泵技术，利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水；加拿大联邦政府在经济和政策上的激励，使加拿大地源热泵市场急剧增长；亚洲地区的国家，如日本，20 世纪80年代以后建成了不少利用地表水、城市生活废水及工业废水的水源热泵集中供热供冷系统。

2.2 在国内的发展

在中国，地源热泵的研究起步较晚，在20世纪90 年代末地源热泵逐渐成了热门课题，开始应用于工程实践。1997 年，中国科技部与美国能源部签署了《中美能源效率及可再生能源合作议定书》，对我国地源热泵技术的发展起到了引导作用。2005 年以后，可再生能源法及节能管理条例等法律法规的颁布和修订，及其他相关政策的支持，促进了地源热泵技术在国内多个省市的应用。设备厂商不断增多，规模不断扩大，新专利新技术不断涌现。2009 年，《地源热泵系统工程技术规范》修订版正式发布实施。相比之前的规范，修订版更加完善合理，补充了缺失部分，将地源热泵的地下工况考虑到实施细则中来，为科学管理该系统提供了坚实的保证，成为正确指导地源热泵系统设计应用的行为准则。

3 地源热泵应用分析及解决方案

3.1 地源热泵在四川省内的应用情况

按照建筑气候区划，四川省可分为三个气候区：寒冷、夏热冬暖和夏热冬冷。寒冷地区冬季使用地源热泵系统取暖，可缓解高原地区用电紧张的局面；夏热冬冷地区为盆地区，冬季可取暖，夏季可制冷，最适宜采用本项技术；夏热冬暖地区能否采用，可视具体情况而定。另外，四川省地表水和地下水资源较为丰富，岩土体施工条件适中，适宜以多种方式开发利用浅层地热资源。

经初步了解，2003年起，在住建部及省市两级政府的大力支持和推动下，土壤源热泵中央空调系统在成都市龙锦慧苑首次运用。继龙锦慧苑后，成都地区较有代表的地源热泵空调系统项目主要有都江堰高山流水、成都来福士广场、成都东客站、摩玛城、朗诗绿色街区、华侨城艺术中心等一批商用及公用建筑群体，也都获得了成功，成绩斐然。在四川省其他地区，如九寨沟百乐来酒店、马尔康晶金隆会议购物中心、阿坝武警、邛崃人民医院、德阳地税局、德阳水利局、德阳阳光摩尔等均采用了地源热泵系统，得到政府、开发商及用户的一致好评。

3.2 地源热泵在应用上存在的问题

地源热泵系统的应用和相关科学研究都很活跃，但目前由于缺乏统一的系统培训，技术实施人员的水平参差不齐，造成一些地源热泵项目并不节能，引起了人们对此技术的担忧；市场准入机制尚不健全，存在一些小规模地源热泵机组生产厂产品质量无法保证，在推广地源热泵技术时，缺乏整体规划，没有充分考虑对地下热平衡问题，造成工程供热制冷效果不理想；在已建的地源热泵项目中，缺乏监控系统，无法得到相关参数，输送管道上的锈蚀、换热器管路的泄露等对回灌水质产生的潜在影响，是否对地下水环境造成污染不可知。

此外，房地产开发商更注重降低成本，而不注重新技术和建筑室内环境质量，部分地源热泵企业在市场拓展方面遇到困难。总之，地源热泵行业从宏观规划到具体工程应用所面临的机遇和挑战，需要相关部门、行业人员认真分析解决，杜绝盲目跟从，造成不必要的能源浪费。

3.3 地源热泵的方案制定

地源热泵空调系统的节能性和经济性取决于多种因素，不同地区、不同地质条件、不同能源结构等都将直接影响到其基本性能。并非所有工程均适合地源热泵系统，在投入建设使用前期，应当做详细的规划和方案制定，以尽可能确保整个系统的正常运行，有效地节省能源。

(1)适宜的地质条件和负荷分析是决定地源热泵方案的前提。首先，必须了解当地地质条件,对其地下土壤环境、地下水环境等情况作详细的调研。然后根据工程情况，对地源热泵系统负荷总量和负荷特性进行分析。

(2)针对工程具体情况进行方案设计，依据负荷总量和特性、负荷持续系数、负荷强度等选择主机组；设计地下环路，包括管路布置、流量确定、埋管选材和埋管深度。同时，应考虑工程项目应用地源热泵系统的经济性，可将系统初期投入和地下换热器效率作为地源热泵的技术经济综合参数，利用该参数作为基准参数，与系统生命周期结束后系统的折旧率和使用期内的地下换热器换热效率折算成另一个技术经济综合参数。

(3)在系统建设过程中应安装地源热泵实时监测系统，在系统调试的同时进行调试，调试成功后运行。通过采用监测系统，可以更好地评估地源热泵在运行期间产生的一些潜在影响，并同步监测地质环境、水资源、水环境、能量等重要参数。

(4)综合利用新能源和优化复合式地源热泵系统将是推动行业发展的新方向。可通过结合光伏转换、蓄冰技术、冷却塔、城市其他能源联供等方式，增加系统的适用性和灵活性。部分应用工程的冷热源除了采用地表水、地下水和土壤源外，还可用城市污水、地热尾水、电厂余热水、采油余热水、煤矿坑道水等作为冷热源。

4 结论

因地制宜地采用不同形式的地源热泵技术，即可有效利用低温地热资源，克服传统空调技术的局限和不足。适宜的规划、精心的设计、高品质的产品和专业的施工，以及后期科学、合理的运行使用和监控，都关系到地源热泵系统能否发挥其最大效益。因此，在工程建设中，应制定符合工程实际的管理办法和规程制度，做到权责对等，通过技术和管理的完美结合，使工程发挥最大的社会效益和经济效益，在节约能源、防止环境污染和城市现代化方面具有着较大意义。

[1] GB 50366- 2005地源热泵系统工程技术规范[S]

[2] 左然，施明恒，王希麟.可再生能源概论[M].机械工业出版社,2007

[3] 李元旦,张旭.土壤源热泵的国内外研究和应用现状及展望[J].制冷空调与电力机械,2002,23(1):4-7

[4] 付红阳，陈伟，张国辉.基于全寿命周期的地源热泵工程经济性评价[J].建筑经济，2012,(5)：98-100