土壤源热泵与集中供热联合供热浅谈

摘 要:东北严寒地区冬季热负荷大，供暖期长达五个月，现行的供暖方式是以常规能源为主，环境污染十分严重，且已有一些集中供热热网无法满足小区供暖需求的现象，但这些地区土壤热能资源是可加以利用的，地热能作为可再生能源有着常规能源无可比拟的优越性，若可再生能源的优势作用能得到充分发挥，代替常规能源或者与其互补供热，可以有效缓解能源消耗和环境污染的问题，利用土壤源热泵满足供暖需求前景巨大。但在北方严寒地区采用土壤源热泵供暖时由于输入土壤的热量和输出的热量不平衡导致土壤温度场产生“冷堆积”现象，致使运行效率不断降低，产生供热能力不足等问题，在我国严寒地区二者单独供热还难于实现[1]，而且土壤源热泵初投资费用较高，所以有必要寻找一种更为经济合理的采暖方式，土壤源热泵与集中供热互补供热技术应运而生，可以避免利用单一的能源而带来的各种不利因素，发挥每种能源各自的优势以提高其能源利用效率。该技术的研究与应用将具有巨大的经济效益及环保效益。

关键词：土壤源热泵；集中供热；联合供热；优化配置

中图分类号：TU833文献标识码： A

一能源消耗的现状及趋势

能源和环境以及可持续发展已经是全球问题，成为了全世界各个国家在发展经济的同时不可忽视的且迫切需要共同解决的问题，随着能源的紧缺及环境的进一步恶化，人们逐渐把节约常规能源、提高能源的利用率以及开发利用可再生能源均作为解决能源和环境问题的重要手段，世界各国已经把这些列为能源战略与发展建设的重点内容。

我国仍然是以燃煤为主要集中供热方式的国家。中国持续发展面对的主要难题是能源短缺和以煤为主要能源造成的严重环境污染。就目前情况而言，我国的能源需求直线上升，出现能源供应日趋紧张的局面。在建筑能耗方面，我国的建筑能耗比较高、浪费严重，据统计，2010年我国建筑总能耗占社会总能耗的30%以上，在一些严寒地区，该比例可达约50％[2]，其中北方城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的40％，为建筑能耗的主要组成部分。我国北方严寒地区冬季室外气温低、时间长，供暖大多采用传统的供暖方式，其主要通过燃煤锅炉加热循环水实现，这种供暖方式，大量的消耗了不可再生资源，同时对环境也产生了严重污染。能源的过度开发与消费引发的问题已经开始制约经济发展并且影响人类的生存环境，排放的温室气体所引起的气候变化已对全球生态和人类社会发展构成了严重威胁。所以，加快开发和利用可再生能源，对于以常规能源作为主要热源供热的我国来说非常迫切。采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，并且将新能源的供热方式应用于实际工程才是解决我国能源和环境问题的根本途径，是走社会可持续发展之路的重大措施[3]～[4]。

二供热技术的发展与利用

（1）热泵技术的利用

热泵技术是一种重要的建筑节能的手段，是一种能让热量从低位热源流向高位热源的节能装置，它通过消耗一定的高位能，把不能直接使用的低位热能（如空气、水、土壤、太阳能及工业废热等）经过提升后转化为可以直接使用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。因此，热泵被认作为一种有效的环保节能技术[5]。

土壤源热泵属于热泵技术中的一种形式，1912 年瑞士的Heinrich Zoelly最早提出了土壤源热泵的概念[6]，但是真正掀起土壤源热泵的研究高潮是在二十世纪50年代的欧洲和美国。顾名思义，土壤源热泵系统将传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，把地下岩石、土壤、地下水和地表水作为低温热源，与其进行热交换。以水或水和防冻剂的混合液作为热载体，通过在大地中封闭环路中循环流动，来实现与大地进行换热的目的。土壤源热泵系统以其节能性、环保性以及不受地质条件的影响的特性成为最具发展潜力热泵技术之一。

近些年来，土壤源热泵理论的研究有了进一步的发展，土耳其的Esen, Hikmet对供暖期的土壤源热泵进行了技术经济分析和对水平埋地盘管地源耦合热泵系统进行了实验及数值模拟得出地源热泵供暖系统比用传统的电、煤为热源的供暖系统更为经济。我国开展土壤源热泵系统的研究和应用起步较晚, 2000 年左右土壤源热泵技术才成为一个比较热门的研究课题, 近几年有了较快的发展, 据2005年国内地源热泵系统调研的统计, 采用土壤源热泵系统的工程占到35% 。现有土壤源热泵系统的工程应用主要分布在寒冷地区和夏热冬冷地区。

（2）集中供热的利用

集中供热最早开展于北欧和前苏联等国家和地区，欧洲在19世纪初期已经出现了以蒸汽或热水为热媒的供热系统。俄罗斯由于受地理环境的影响，发展供热系统较早，也较为完善，是世界上集中供热最发达的国家之一。1897年，美国纽约建成了第一个向附近14家用户供热的区域锅炉房，拉开了集中供热方式的帷幕；这些地区的集中供热技术也相对成熟，在多热源并网运行系统的规划和设计、运行及优化算法方面都作大量的研究。

我国的集中供热起步较晚[7]，是从建国以后逐渐发展起来的，与国外相比有一定的差距。新中国成立后，我国政府就十分重视城市集中供热事业的发展，但存在的问题也相对较多，在国内的许多的城市中，多个供热系统往往同时存在于一个城区里，甚至多个热电联产的集中供热系统也同时存在于一个地区，而且这些系统大多是单独运行，互不连接，各自承担某一个供热区域。即便是一些城市把多个系统联在一起，可在供热时，由于各种原因又分别运行。这样，失去了多热源互补运行的优势―互补性。由于供热系统的各自运行，在供暖季不能满负荷工作，无法充分发挥其供热能力，也造成了能源设备的浪费，而且多热源同时在低负荷下运行，也加重了对城市环境的污染。多热源环网互补供热系统正是解决这些问题的有效途径，而且经过实际运行己取得了非常好的效果，并充显露出其诸多优点。

三土壤源热泵与集中供热联合供热的目的及意义

随着常规能源的日益枯竭，世界各国为了缓解能源和环境问题都在积极研究开发利用新能源和可再生能源，而且根据我国国情严寒地区尤其东北，供暖期长，如果单一使用常规能源不但会大量的消耗不可再生能源，而且给环境带来巨大的污染，但是由于经济条件制约或技术问题使可再生能源和新能源还未成为主要能源时，在未来多样化的以可再生能源为基础的能源结构中，综合利用两类或几类能源，可以相互抵消或者避免利用单一的能源而带来的各种不利因素，发挥每种能源各自的优势以提高其能源利用效率，就显得非常重要了。本文提出将土壤源热泵与集中供热结合起来互补供热[8]，既弥补了东北严寒地区热网无法满足小区供暖要求的不足，又与既有建筑节能改造相结合。充分发挥了土壤源热泵优势，降低能耗，实现了节能和减排的目的，同时与既有建筑节能改造相结合，更有利于可再生能源的推广和应用。

四结论及展望

本文提出了土壤源热泵与集中供热互补供热系统，认为针对于我国目前供热现状,这种使用可再生能源与常规能源互补结合的供热方式是正确和必要的，虽然有经济及技术等因素的制约，现如今还不能成为主要的供暖方式，但是随着土壤源热泵的供热技术的不断成熟，互补供热方式也会非常有竞争力，本文为可再生能源与常规能源互补供热的研究提供了一些理论基础和参考价值。

参考文献

[1]钱伯章.世界能源消费现状和可再生能源发展趋势[J].节能与环保，2006（3）：8-10.

[2]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报2007[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007．

[3]李吟天.改善我国大气环境加快开发利用天然气资源[J].中国能源，1997(7)：35-40.

[4]赵庆波，单葆国.世界能源需求现状及展望[J].中国能源，2002(2)：34-36.

[5]徐伟.地源热泵、太阳能热泵在建筑中的应用[J].供热制冷，2007(6)：18-24.

[6]Lihua Dong,Hongyu Huang,Noriyuki Kobayashi. Development of an All-in-One Type Adsorption Heat Pump for Heating Application[J]. International Journal of Chemical Reactor Engineering,2011,91:.

[7]康艳兵,张建国,张扬. 我国热电联产集中供热的发展现状、问题与建议[J]. 中国能源,2008,10:8-13.

[8]杨卫波，董华.土壤源热泵系统国内外研究状况及其发展前景[J].建筑热能通风空调，2003，03:52-55.VoncubaHL，SteimleF.HeatPumpTechnology[M].Butterworths，1981.379.