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马重芳 吴玉庭

 

（北京工业大学环境与能源工程学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京市重点实验室，北京，100022）

 

我国的能源形势非常严峻。２００４年全国有２７个省市出现拉闸限电，全国电力缺口达到３０００ 万千瓦。２００４年我国的石油进口量达到了１．２亿吨。２００５年伊始，北京一度出现了天然气供应紧张。建筑能耗在我国总能耗中占有相当大的比重。统计表明，我国建筑能耗所占能源总消费量的比例已从１９７８年的１０％上升到２０００ 年的２７．８％。如果加上建材生产的能源消耗，建筑能耗将占总能耗的４０％％以上。我国既有城乡住宅建筑总量约３３０亿平方米，而节能型住宅不足２％。这些既有住宅还在无节制地消耗着大量的能源，比发达国家建筑能耗高２～３倍，这势必进一步加剧我国能源紧缺的矛盾。 

 

热泵是一种利用大自然中蕴藏着大量的较低温度的低品位热能（也称自然能源，包括大气、地表水、海水，地下水、土壤等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。实际上，全国存在大量的自然能源未得到充分利用，这些自然能源与建筑能源的温度非常接近，因此大面积推广热泵技术，使这些自然能源能够得到大规模利用，将对缓解我国的能源紧张形势，推进我国的建筑节能事业，具有非常重要的现实意义。

 

 

建筑能源具有以下三个特点：

 

（1）低品位能源（Low Grade Energy）。热能根据其温度的高低可分为低品位能源和高品位能源。建筑采暖空调所需热（冷）能的温度小于100℃，属低品位能源。我国著名能源专家早在1980年就提出用能的基本原则是“温度对口，梯级利用”。因此建筑能源应优先选择低品位能源，而尽量避免采用直接燃烧化石能源的方式进行采暖和空调。

 

（2）狭窄的温度范围（Narrow  Temperature Range）。建筑空调冷冻水的温度一般为5～12℃，供热热水温度在45～60℃左右，地板供暖温度在40℃以下。由此可见建筑能源地温度范围非常狭窄。

 

（3）与自然能源温度接近（Close to Temperature of Natural Energy Resources）。北京地温全年约14 ℃左右；污水温度一般在16℃左右；空气温度一般为－20～40℃；江河湖水温度夏季28～35℃，冬季3～5℃；我国四大海域50～100m范围内全年维持在20℃左右。这些自然能源的温度与建筑能源非常接近，只需利用热泵将其温度提高和降低，就能满足建筑采暖空调的需要。

 

建筑能源的三个特点决定了我们应该大规模利用建筑自然能源。事实上，这些自然能源在我国分布广泛，蕴藏量丰富，如在沿海地区可以充分利用海水，在沿河沿湖地区可充分利用河水、湖水。城市污水处理站附近区域可充分利用污水资源。低密度建筑可充分利用土壤的能量。值得指出的是，自然能源虽与建筑能源的温度比较接近，但它很难直接利用，必须借助热泵技术才能满足建筑采暖空调的需要。

 

 

热泵是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑物热泵供暖空调系统可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。

 

采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气）产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率（即为建筑物供热的热量与燃料发热量之比）最高可为100%。但是，燃烧矿物燃料通常可产生1500-1800℃的高温，是高品位的热能，而建筑供热最终需要的是20-25℃的低品位的热能；这种低温热能若是通过电锅炉加热或矿物燃料燃烧产生的高温热能来获得，则意味着大量可利用的高品位能的流失，把高品位的能量当作低品位能量使用，是“能质不匹配”，也是一种不可忽视的常规能源的浪费。而热泵正是以大自然中蕴藏着大量的较低温度的低品位热能为热源，如以大气、地表水、地热、太阳能或工厂排放的废水(气)为热源，通过压缩机的工作从这些热源中吸取其中蕴藏着的大量较低温度的低品位热能，并将其温度提高后再传给高温热源。供热用热泵的能耗比COP值(即建筑所获得的热能与热泵压缩机所消耗的电能之比)可达3－6，即当驱动压缩机的功率为1kW时，可望在高温热源处得到3－6kW的热能。所以，采用热泵技术为建筑物供热可节省燃料和电能的消耗，降低运行费用，节能效果突出。热泵还具有一机多用，灵活方便，一套系统可以代替原来的电锅炉和制冷机两套装置。而且系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省了初投资，也节省了建筑空间。因此在我国大力推广热泵采暖空调技术，既满足了减少建筑能耗的要求，又避免了供暖和空调造成的大气污染问题。

 

 

一般来说，先进的技术并不成熟，成熟的技术并不先进，但热泵技术则是一项成熟先进的供能技术。热泵高效节能、环保无污染，无疑是一项先进的建筑供能技术。热泵技术的成熟性主要体现在该技术在国外已得到大规模应用并且已明确列入我国的国家行业标准和政策文件中。热泵是世界可再生能源利用中增长最快的产业之一。在过去的10年中，大约30个国家的热泵年增长率达到了10％。热泵发展最快的是欧洲和美国，其他国家如日本和土耳其也正在积极发展地源热泵产业。目前世界安装的热泵系统的总容量和产热量达9500 MW 和52000TJ/yr（14400GWh/yr），实际安装热泵的数量为80万套，世界主要国家安装热泵的情况见表1。

表1 世界主要国家安装热泵的情况

 

据美国地源热泵联合会的统计, 截止1985年美国国共有1.4万套地源热泵，以后地源热泵系统的安装稳步增长，到1997年已达到4.5万套/年，目前已增长到5万套/年，而且每年以10％的速度稳步增长，到2010年将达到12万套/年。欧洲地源热泵研究开发已有20年的历史，该项技术的可持续性已在欧洲得到了普遍认可，并且欧洲有完善的设计和安装标准。90年代以来，欧洲地源热泵安装进入了快速增长时期。欧洲热泵主要集中于北欧和中欧，如奥地利、法国、瑞典、瑞士、德国、丹麦等。瑞士热泵技术得到了快速发展，年增长速率达到了15％。目前瑞典地源热泵的安装总量估计达到了20万套, 成为是世界上热泵应用人均比例最高的国家。

 

目前在《中华人民共和国节约能源法》、建设部《民用建筑节能管理规定》、国家经贸委《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》、夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ134—2001，J116—2001)、《北京市建筑节能管理规定》、《建设部建筑节能“十五”计划纲要》等国家政策和国家行业标准中都明确提出要推广使用热泵技术，尤其是地源热泵技术。.

 

 

热泵一般有六种类型，即土壤源热泵、地表水水源热泵，地下水水源热泵，海水水源热泵，污水水源热泵和空气源热泵。

 

土壤源热泵技术 土壤源热泵(Ground Source Heat Pump) 是热泵应用技术领域的一个分支,它是一种利用地下土壤能源资源作为热泵冷、热源的热泵系统,通常只要输入少量的高品位能源,通过土壤源热泵即可把土壤中所储存的不能直接使用的低品位能源转化成有用热能。与空气源热泵相比,由于地下土壤温度全年相对稳定,土壤源热泵的性能系数高于空气源热泵,具有明显的节能效果;而且埋地换热器无需除霜,可减少冬季除霜的能耗;由于土壤具有较好的蓄能特性,还可与太阳能联用改善冬季运行条件。埋地换热器在地下静态的吸(放) 热,减小了传统空调系统对地面环境的噪音污染和冷、热污染，土壤对地面空气温度波动具有延迟与衰减性,即使在最不利的气候条件下仍能提供较高的蒸发温度与较低的冷凝温度。土壤源热泵主要应用于空地面积足够的低密度建筑物，比如别墅、低密度住宅及公共建筑、商用建筑。

 

地表水源热泵技术  地表水源热泵就是利用江、河、湖的地表水作为热泵机组的热源和热汇。当建筑物的周围有大量的地表水域可以利用时，可通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组或将热泵机组的热量释放到地表蓄水体中。地表水源热泵适用于地表水比较丰富的地区。比如江苏、浙江、安徽、湖北、湖南、福建、广西、贵州、云南、四川等地区。以湖南地区为例。湖南省湘潭市地表水源热泵空调系统2004年总建筑面积达到124500 m²，则整个湖南地表水热泵系统将最少可达到50万平米以上。

 

地下水源热泵技术 以地下水为热源或冷源的水源热泵有两种形式：一是开式环路，二是闭式环路。所谓开式系统就是通过潜水泵将抽取的地下水直接送入热泵机组。所谓闭式系统就是通过一个板式换热器将地下水和建筑物内的水系统隔绝开来。由于地下水源热泵可能导致一些环境问题, 近年来国外使用得越来越少。国内部分地区也限制开采地下水或收取资源费。但此系统的钻井工程量小,造价低，在一些地下水丰富的地区或农村地区仍可以使用。

 

海水水源热泵技术 海水水源热泵利用海水冬季温度高、夏季温度低的特点，依靠压缩机工作，制冷时向海水释放热量，使海水换热器出水温度升高，制热从海水中吸收海水热量，使海水换热器出水温度降低，应用热泵原理完成制冷、制热的全过程。海水在一定的使用条件下是热泵机组非常好的热源形式之一，在25-50米水深位置海水的温度基本恒定（5-8℃），主要用于中等规模及大规模的热泵系统中。我国东部沿海地区地表水资源丰富，江河湖海水域辽阔，经济比较发达，在资源、技术、资金等方面都具备了相应的发展条件，引进国外先进的技术，开发大型区域供热供冷热泵机组，特别是在夏热冬冷地区，已成为节约能源，保护环境的有效途径。

 

污水水源热泵技术　  污水源热泵采用污水作为水源热泵的热源，根据污水夏季温度低于室外温度,冬季高于室外温度的特点,用热泵利用污水冷热能。污水源热泵系统按照其使用的污水的处理状态可分为以未处理过的污水作为热源的污水源热泵系统、以二级出水或中水作为热源的污水源热泵系统;按照热泵机组机房的布置情况可分为集中式、半集中式和分散式的污水源热泵系统。污水水源热泵市场目前在国内基本属于空白。国内目前仅有高碑店污水处理厂采用北京工业大学污水热泵技术，供暖空调面积3000平米。制约污水水源热泵推广使用的影响因素主要是：污水资源的稳定性；污水资源处，适合使用的建筑物相对少；污水资源的使用者与管理者之间矛盾，需要政府出面协调。北京市现有污水处理厂15座，预计全国的污水处理厂最少将达到500座以上。随着政府对环保的进一步重视及对污水处理的进一步投资，污水热泵技术将进一步得到较大发展。

 

空气源热泵技术 空气源热泵是以空气作为高温(低温) 热源来进行供热(供冷) 的装置。相对于其它热泵类型而言,我国对空气源热泵的研究起步较早,研究内容也较多。以环境空气作为低品位热源,可以取之不尽,用之不竭,处处都有,无偿获取。空气源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低,且比较适用于分户安装,目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。

 

 

热泵是一项节能环保的建筑采暖空调技术，同时也是一项成熟先进的供能技术，在国外已有几十年的应用历史，在我国值得大面积推广。清华大学、北京工业大学、天津大学、重庆大学、山东建筑工程学院、中国科学院等一大批科研机构已对热泵技术进行了长期的研究开发工作，尤其是北京工业大学是唯一一所对五种热泵技术进行研究，并建立示范工程的单位。在土壤源热泵方面，北京工业大学在地下温度场的测试和模拟、地下换热器性能评价和强化传热、热泵机组的设计与制造、地源热泵系统的设计安装方面取得了一批具有自主知识产权的研究成果，研制了系列热泵机组，完成了近十万平方米的示范工程，在国内处于领先地位，从而为热泵技术的大规模推广提供了技术保证。