刘学来1，2，王光金3，李永安1，李继志2
1.山东建筑大学热能工程学院山东济南250101；
2.中国石油大学机电工程学院山东东营257061；
3.山东省广播电影电视局基建处山东济南250014
【摘要】分析了各种热泵空调的优缺点以及对环境可能造成的影响，提出了其适用范围及场所,明确了地热与地源热泵的不同。这对规范热泵空调的应用，用科学发展观指导热泵空调的科学应用，规避热泵就是节能的错误概念具有指导意义。
【关键词】可持续发展；空气源热泵；水源热泵；地源热泵
TheColdThinkingofApplicationintheHeatPumpAir-conditioningWorks
LiuXue-lai1,2,LiYong-an1,LiJi-zhi2,WangPeng3
(1.Schoolofthermalenergyengineering,ShandongJianzhuUniversityJinanShandong250101；
2.Schoolofmachineryandelectricityengineering,ChinaUniversityofPetroleumDongyingShandong257061；
3.Infrastructurepision,RadioFilmandTVAdministrationofShandongProvinceJinanShandong250014)
【Abstract】Analysesthevariousheatpumpair-conditioningadvantagesanddisadvantages,aswellasthepossibleimpactoftheenvironment,andproposeitscopeandplacesofapplication,andstateclearlyadifferentgeothermalheatandgroundsourceheatpump.Thisstandardizeapplicationofheatpumpair-conditioning,andusethescientificdevelopmentconcepttoguidethescientificapplicationsofheatpumpair-conditioning,andavoidtheerroneousconceptthatheatpumpisenergy-savingofguidingsignificance.
【Keywords】Sustainabledevelopment；Airsourceheatpump；Watersourceheatpump；Groundsourceheatpump
1.引言胡锦涛总书记在十七大的报告中说：“坚持生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路，建设资源节约型、环境友好型社会，实现速度和结构质量效益相统一、经济发展与人口资源环境相协调，使人民在良好生态环境中生产生活，实现经济社会永续发展”。“要完善有利于节约能源资源和保护生态环境的法律和政策，加快形成可持续发展体制机制。落实节能减排工作责任制。”［1］热泵与传统电加热技术相比具有节约一次能源；保护环境；冬季供热和夏季供冷相结合，设备利用率高；便于调控等显著的优点。近几年被作为清洁环保和可再生能源设备得到了空前的发展，甚至被看作建筑节能的代名词，也成了某些领导节能政绩的救命稻草，甚至成为某些换取规划或建设违规超标的交易筹码［2］。热泵到底有多大的好处，清洁环保到什么程度，适合于什么情况下应用等等问题，到了需要冷静思考和科学分析定位的时候了。
1.1热泵的原理。在自然界中，热量总是自发地从高温传向低温。热泵技术是把热量从低温热源提升到高温热源的技术，实质上是一种热量提升装置。热泵的作用是从低温热源中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的环境），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围。一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取低温热源中的热量）、压缩、冷凝（向高温热源放出热量）、节流、再蒸发的热力循环过程，从而将低温热源的热量转移到高温热源中。热泵输出的热量为压缩机输入的电能和热泵从低温环境中吸收的热量之和。
1.2热泵的分类。目前，在空调系统中应用的热泵，按照热源来分有空气源热泵(airsourceheatpump,ASHP)和地源热泵（groundsourceheatpump,GSHP）两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵(surface-waterheatpump，SWHP)、地下水热泵(groundwaterheatpump,GWHP)和地下土壤源耦合热泵(ground-coupledheatpump,GCHP)。
2.空气源热泵空气源热泵以室外空气为热源。在冬季供暖时，将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖。而在夏季供冷时，将室外空气作为高温热源，从室内吸收热量，送到室外。空气源热泵系统简单，不需要机房，便于安装、控制和管理。空气源热泵的主要缺点是受室外环境的影响大，当夏季高温和冬季寒冷天气时，热泵的效率大大降低，尤其在寒冷的冬季，其制热量随室外空气温度降低而减少，当室外气温低于-10℃时，机组效率下降到不能正常工作，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。且当室外空气湿度较大，温度低于5℃时，热泵室外机就会结霜，使热泵机组工作性能严重恶化，需要除霜，这也消耗大量的能量［3］。因此当室外空气温度低于0℃时，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，严重的情况下可以导致系统不能正常工作，按照工程的应用经验，其适应温度极限范围在-10～45℃。纵上所述，空气源热泵适用于冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区。空气源热泵是将室内的冷量（热量）直接释放到室外空气环境，这势必造成室外空气温度的变化。我国城市的建设发展道路必将是“紧凑型”的，在城市里主要发展高层、高密度和高容积率的建筑，这样在一个局部的环境中，就有更多的热量在夏季需要排到室外。如果在一个居住密集的小区或一个低凹的城市（如济南市），就会使局部区域的温度上升，加剧城市热岛现象。资料［4］显示，由于空气源热泵的大量应用，耗用大量的电能，在夏季整个电网中有近25%的电能用于了空调，反过来这些能量又同时释放到城市的局部环境中，造成城市局部温度的升高，城市热岛现象加剧，如济南在2005年6月，有连续10天最高气温高于35℃，最高气温达到40.9℃，城市气温较郊区高近2℃。而室外温度升高反过来使空气源热泵效率降低，能耗增加，如此循环往复，致使人们居住的环境日趋恶化。
3.水源热泵近几年，地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。经过几年的探索，这种地下水热泵系统有许多限制：第一这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。一定要做详细的水文地质勘察，获取地下水温度、地下水深度、水质以及出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但由于目前国内地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到同一水层，造成地下水资源的严重浪费［5］。地表水热泵系统是利用池塘、湖泊或河溪中的地表水作为一个热源。在靠近江、河、湖、海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。当然，这种地表水热泵系统受到自然条件的限制。与空气源热泵相似地表水温度也受气候的影响，当水体温度越低时，热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响也需要预先加以评估，以不产生对水体造成污染为前提。再者，我国现有的660多个城市中有400多个存在不同程度的缺水，其中有136个缺水严重，由于各种原因，有近50％的地下水遭到不同程度的污染，甚至一些城市出现水源危机，出现某些时段的限水现象。水源是生命之源，从某种意义上讲，其比能源还有珍贵。如同能源一样，水源也应按质利用，清洁的地下水应该属于最高品味的水资源，应该是用来饮用的，而不是仅仅换热的，有关水源热泵的应用应该谨慎。
4.地源热泵地源热泵是通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的换热。事实上，地源热泵本质上是利用大地、土壤实现季节性畜热，其基本与冰畜冷技术类似，只不过是蓄热介质、蓄热周期不同而已，这与采用地热实现供热的概念截然不同［6］。这种空调形式是将大地作为一个热源，在进行设计时与地下水热泵类似也必须实现进行地下土质的勘测，获取地下土质的温度、水质情况、土质结构、土壤传热系数等一系列地下热物性参数，设计人员应该对每一个建筑进行具体计算。另外，打井需要花费大量资金，而深达几十米甚至上百米的井，极有可能破坏地下水脉。同时作为输送循环液的塑料管道埋在很深的地下，也会造成环境的深层白色污染。作为循环液，目前多采用乙二醇溶液，一旦其泄露就会对土壤造成污染。土壤是不良热导体，其传热能力较差，当空调在冬季（夏季）连续将冷量（热量）传到地下时，在循环管周围的温度会迅速降低（升高），这会对热泵空调的效率造成很大的不稳定影响。虽然在理论上冬季和夏季的冷量和热量相互弥补，但是当冬季提取的热量，与夏季放到土壤中热量不相等时，就会对土壤温度分布造成影响，所以地源热泵比较适宜用在单体建筑体积较小，室外比较空阔，没有集中供热，冬夏季冷热量基本相等的场所。
5.结束语在建筑供热空调中，采用热泵技术比用电热采暖能够提高一次能源利用率，减少温室气体CO2和其它燃烧产生的污染物的排放，从这个角度讲热泵是一种建筑节能技术。但是任何技术都有其局限性，热泵节能也是具有局限性的。在本文所讨论的几种热泵空调系统中，空气源热泵的初投资最少，但效率较低，且应用条件受一定的限制，还会造成较为直接的城市热岛现象，但是在部分冬季气候温和的地区应用，效果比较理想。地下水热泵和地表水热泵系统受水资源条件的制约，应用范围受到较大限制。土壤源热泵受到地质条件、初投资高、施工难度大、埋管面积受限等条件的限制，比较适宜位于城乡结合部单体建筑体积小，冬夏季冷热量均匀的场所。地热与地源热泵的概念不同，更不能炒作概念。因此选用热泵空调并不是任何建筑、任何情况都能无条件的适合，更不是节能的代名词，应该按照其适用范围和产品的特点，根据具体情况科学的选用，以使这项技术健康、可持续地发展。
参考文献
［1］胡锦涛.高举社会主义伟大旗帜为夺取全面建设小康社会新胜利而奋斗.在中国共产党第十七届代表大会上的报告.2007年10月15日.北京
［2］龙惟定.特约专家：龙惟定教授.［J］机电信息.2007年第28期：38-41.
［3］XuelaiLiu,JizhiLi,YonganLiect.ResearchonStoringheatdefrostingofairsourceheatpump［C］.Beijing:The22ndInternationalCongressofRefrigeration,Aug.2007
［4］YonganLi,XuelaiLiuect.DesingandPracticeofSyntheticalEnergyUtilizingSystemsofLakeWaterSourceHeatPump［C］.Beijing:The22ndInternationalCongressofRefrigeration,Aug.2007
［5］王惠想、张伟捷.建筑空调能耗与城市热岛效应［J］.河北建筑科技学院学报.2004年3月：23-27.
［6］朱彩玲，孙晓伟.省城供暖将试点用“地热”.山东商报.2007.12.3：A4版.
［基金项目］建设部科技发展项目资助，项目编号：2008-K3-29。
［作者简介］刘学来（1965.9-），男，山东莒南人，在职博士研究生，教授，济南市临港开发区凤鸣路山东建筑大学热能工程学院。