浅谈“地源热泵”的由来与应用

要想了解“地源热泵”，首先要了解“泵”的定义和它的两个基本功能。泵是把液体或气体抽出或者压入用的一种机械装置。它的一个基本功能就是可以把水（液体）从低处抽送到高处，二是把水（液体或气体）从一个地方输送到另一个地方。借用这个道理，我们把利用某种装置把热能从低品位经过电力做功提升到高品位，从一处输送到另一处的这种设备装置称作热泵。把地下水、地表水、井水、江、河、湖、海水、工业废污水、生活污水等水作为热源的热泵称为“水源热泵”。把以地下土壤为热源的热泵称为“土壤源热泵”。把自然界的空气为热源的热泵称为“空气源热泵”等。因此，我们把水源热泵和土壤源热泵等利用地球浅层地能作为冷热源的各类热交换系统，统称为“地源热泵”。所以“地源热泵”是一个广泛的术语，它是利用地球浅层地能进行供暖和制冷的新型能源利用技术。它的一套设备可以实现冬季供暖、夏天制冷、全年供生活热水的三个基本功能。

“地源热泵”它不单单指一台深井电泵，也不单指某一台热水循环泵或其它某一种泵，它是指包括热泵主机和换热储水箱两大部分组成的含水泵在内的一台（套）整个机组。它包括水泵（深井电泵、热水循环泵、回灌用注水泵等）、电动机、冷热交换系统（螺杆压缩机、蒸发器、换热器、冷凝器及膨胀阀等）、除砂系统、回灌系统、电控系统等等。“地源热泵”的能量70%来自于土壤或水，30%来自于电力，以类似于冰箱空气压缩机或制冷机的工作原理，按照逆卡诺循环工作，只是工作温度范围不同，通过冷热交换系统将土壤中和水中的热能升高或降低温度之后输送至室内或指定地点，以此来满足人类供暖和制冷的要求。准确的说，“地源热泵”技术开发利用的是地球上的土壤和水之中所储藏的太阳能资源。这是因为地球上的土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集了太阳辐射能量的47%，是人类每年利用能量总和的500倍还多。从水源热泵供暖方面讲，该机组每消耗1KW的能量，把环境介质中储存的能量加以挖掘，使热能得到充分的利用，可以得到4KW以上的热能，最高出水温度可以达到45℃～90℃（根据地下水每下降100米温度上升3.2℃的规律），同时不向外界排放任何废水、废气、废渣和烟尘，不但可以大量的节约高品位能源，而且还非常环保。

“地源热泵”的概念，最早于1912年由瑞士的专家在水力文献中提出，而该技术的提出则出始于英、美两国。“开放式地下水热泵系统”在20世纪30年代被成功应用。

1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个“地源热泵”系统。但是这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术上，还是在理论上都没有太大的发展。

20世纪的50年代，欧洲开始了研究“地源热泵”的第一次高潮，但是由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而并未得到推广。直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，该技术开始在欧美得到推广和应用。欧美许多公司开始了“地源热泵”的研究、生产和安装。这一时期，欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵，主要用于冬季供暖。虽然欧洲是世界上发展“地源热泵”最成熟的地区，但是它也曾因为热泵专家不懂安装技术，安装工人有不懂热泵原理等因素，再加上“地源热泵”在实际使用过程中也存在着一些客观上不利于推广的因素，如一是一次性投入较大，短时间资金无法回收，二是“水源热泵”打井费用本身较高，而且设备和水井每五年左右需要清洗，费用与打井又相差不多，三是长期抽取地下水之后，若不能及时回灌，容易在水井周围形成漏斗，进而导致地壳下陷，四是地下水经过取热、用电等程序后回灌，是否对地下水系统产生污染，也尚无定论。致使“地源热泵”的发展走了一段弯路。

随着科技的进步，世界各国关于能源消耗和环境污染的法律制定越来越严格，人们开始关注节能、高效用能、注重环保，“地源热泵”的发展又迎来了它的有一次高潮。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广“地源热泵”供暖和制冷技术。政府采取了相应的补贴政策和保护政策，使得“地源热泵”生产和使用翻飞迅速扩大。上个世纪80年代后期，“地源热泵”技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。“地源热泵”生产呈逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10%，在家用的供暖装置中，土源热泵所占比例瑞士竟高达96%，日本的清水港水族馆已经开始使用海水潜热热泵，丹麦的卡伦堡市利用工业废特源热泵，使其工业共生体系通过互相连接的管道，相互供应能量。美国的“地源热泵”生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展。目前，美国“地源热泵”系统已占整个供暖空调系统的20%，是政府极力推广的节能环保技术。美国已成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。在目前的世界上，最引人注目的私宅，应当属美国总统布什在他德克萨斯州克劳福德农场中的庄园。在这个追求舒适与环保的私人牧场的度假之地，庄园的主人安装了土壤源热泵空调系统。

从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季取暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与我国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴的意义。他山之石，可以攻玉。

我国早在上个世纪50年代，就曾在上海、天津等地尝试采用夏取冬灌的方式抽取地下水制冷。天津大学热能研究所吕灿仁教授在1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。80年代我国开始系统研究地源热泵技术。1989年10月土壤源热泵系统最早应用在上海闵行开发区办公楼运行，其技术和设备均由美国提供，使用情况良好。90年代该项技术开始在我国推广。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，其中一项就是地源热泵的发展战略。1998年，中美两国确定在我国北京（代表代表北部寒冷地带）、宁波（代表中部夏热冬冷地带）、广州（代表南部亚热带），合作建立三个地源热泵的示范工程。北部示范工程是北京食品发酵研究所综合办公楼及专家楼，中部示范工程是宁波雅戈尔工业城，南部示范工程是广州松田职业技术学院。在这三个示范工程项目中，两个为地下水源热泵系统，一个为复合式地下水源热泵系统。同年，国内的数家大学先后建立了土壤源热泵试验台，且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备的长期联合运行。

2000年以来，地源热泵的开发利用在全国得到更为普遍的推广，我国现在以10%～15%的速度增长。国内现在已形成了一批提供该项技术、产品和服务的厂商。

2005年美国商务部和密苏里大学在北京成立的环境和能源技术联合办公室（EFO），将国际地源热泵协会在中国的工作纳入其计划之中。

根据国家地质调查局的资料显示，至2005年末，我国浅层地温能应用面积约2000万平方米。2005年以来，我国水源热泵的应用明显加快，京津地区发展的速度最快。由于这项技术比较成熟，在我国将进行大规模推广应用阶段。