【正文】 東亞，南美等地區(qū)。由于美國(guó)的氣候條件與中國(guó)很相似，因此研究美國(guó)的地源熱泵應(yīng)用情況對(duì)我國(guó)地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。 日本于扎幌城市大學(xué)中建成了一項(xiàng)大型地源熱泵示范工程，用 STEELFILE 作為地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器，系統(tǒng)共用了 51 根直徑為 600mm－ 800mm 的鋼管，總計(jì)有效長(zhǎng)度為 240m。 我國(guó)的科學(xué)技術(shù)規(guī)劃、中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃綱要以及能源規(guī)劃中，都把能源、資源的問(wèn)題擺在了非常重要的位置，而且提出要建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的社會(huì)。目前我國(guó)提出了十大節(jié)能工程，以及重點(diǎn)節(jié)能領(lǐng)域。 1998 年，中美兩國(guó)確定在我國(guó)北京（代表北部寒冷地帶）、寧波（代表中部夏熱冬冷地帶）、廣州（代表南部亞熱帶），合作建立三個(gè)地源熱泵的示范工程。因此，無(wú)論在北方地區(qū)還是在南方地區(qū)，都證明這項(xiàng)技術(shù)是行之有效的節(jié)能技術(shù)，而且很適合中國(guó)的國(guó)情。土壤源熱泵系統(tǒng)最早應(yīng)用在 1989 年 10 月投入運(yùn)行的上海閔行開發(fā) 區(qū)辦公樓，其技術(shù)和設(shè)備均由美國(guó)提供，使用情況良好。 我國(guó)目前已經(jīng)完全掌握了各種類型的地源熱泵技術(shù)，并根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、氣候、水文地質(zhì)狀況和生活習(xí)慣，進(jìn)行了優(yōu)化，并開發(fā)出適合我國(guó)情況的地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)。從 2020 年以來(lái)，每年以 10～ 18 ％的速度增長(zhǎng)。對(duì)采用熱泵系統(tǒng)供熱制冷的政府辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院等公益項(xiàng)目給予固定資產(chǎn)投資扶持；對(duì)采用熱泵系統(tǒng)供熱制冷的其他各 7 類建筑給予適當(dāng)?shù)耐顿Y補(bǔ)貼；供暖企業(yè)采用熱泵系統(tǒng)供暖的，其采暖費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)予以放寬，并考慮熱泵系統(tǒng)折舊和維護(hù)費(fèi)用的因素；對(duì)企業(yè)從事地源熱泵系統(tǒng)研發(fā)、能源服務(wù)給予稅費(fèi)減免、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼；調(diào)整對(duì)熱泵系統(tǒng)用戶不合理的水資源收費(fèi)政策。到目前，北京每年以 15－20％的速度增長(zhǎng)，到 2020 年北京已約有 500 多萬(wàn)平方米的建筑利用地源熱泵系統(tǒng)供暖（冷），其中公共建筑建筑用量為 2／ 3 左右，居住建筑占應(yīng)用量 1／ 3 左右。 2020 年，沈陽(yáng)市委、市政府在認(rèn)真調(diào)研、科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，從該市自然地理及水文地質(zhì)條件出發(fā)，科學(xué)制定發(fā)展規(guī)劃和保證措施，出臺(tái)了《關(guān)于全面推進(jìn)地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用工作的實(shí)施意見》，確定了到 201O 年實(shí)現(xiàn)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用面積 6500 萬(wàn)平方米的工作目標(biāo)。 沈陽(yáng)市在推廣應(yīng)用 地源熱泵技術(shù)中，提出的城市熱網(wǎng)與分散地下水源熱泵聯(lián)合供熱技術(shù)，將傳統(tǒng)燃煤集中供熱與地源熱泵技術(shù)較好的結(jié)合到一起。在電價(jià)、初投資補(bǔ)償、稅收、資源費(fèi)等方面給予一定的優(yōu)惠政策，使各地有法可依。加大宣傳力度，提高公眾自覺采用的積極性。 在充分學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在各級(jí)政府的有力支持下，中國(guó)的科 技界與企業(yè)界攜手共進(jìn)，依靠自己的力量完全有能力在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)開拓出具有中國(guó)特色的地源熱泵產(chǎn)業(yè)。當(dāng)過(guò)冷液被加熱至一定溫度時(shí)，就會(huì)因?yàn)槲諢崃慷l(fā)生沸騰；同樣地，過(guò)熱氣被冷卻至一定溫度時(shí)，就會(huì)因?yàn)榉懦鰺崃慷l(fā)生凝結(jié)。我們以 R22 和 R134a 為例，圖 2－ l 是其飽和蒸氣壓曲線。壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成。不同的地方主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：其一是相同溫度下對(duì)應(yīng)的飽和壓力不同，這個(gè)特性不僅會(huì)影響熱泵系統(tǒng)的工作狀況和對(duì)零部件的材料性能要求，同時(shí)也是不同制熱溫度的熱泵選擇工質(zhì)的基本依據(jù)；其二是飽和蒸氣壓曲線的斜率不同，這個(gè)特性會(huì)影響蒸氣壓縮式熱泵的效率。對(duì)于同一種工質(zhì)，壓力變化會(huì)引起相變溫度的變化。理解熱泵工質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)變化規(guī)律是掌握蒸氣壓縮式熱泵工作原理的基礎(chǔ)。 同時(shí)，越來(lái)越多的中國(guó)用戶開始熟悉地源熱泵，并對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以預(yù)計(jì)中國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)前景廣闊。在供暖、制冷領(lǐng)域加大對(duì)傳統(tǒng)能源使用制度的改革和節(jié)能力度，為推廣地源 熱泵技術(shù)提供市場(chǎng)空 8 間。在建設(shè)部、科技部、國(guó)土資源部、發(fā)改委、財(cái)政部、國(guó)務(wù)院參事室的支持和領(lǐng)導(dǎo)下開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源、推廣地源熱泵技術(shù)的熱潮正在我國(guó)興起。到目前為止，沈陽(yáng)市已有約 3000 萬(wàn)㎡的各類建筑利用地源熱泵系統(tǒng)供暖（冷）。 另外，沈陽(yáng)市在東北地區(qū)率先從城市的高度和全局的角度來(lái)推廣地源熱泵技術(shù)應(yīng)用工作，為全國(guó)各大城市帶了一個(gè)好頭。 在我國(guó)地源熱泵技術(shù)推廣過(guò)程中，北京是諸多城市中推廣較早和較好的一個(gè)。 開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源，推廣地源熱泵技術(shù)，利用可再生能源來(lái)解決供熱和制冷問(wèn)題，已引起國(guó)家的高度重視。同時(shí)，形成了一批信譽(yù)好、技術(shù)實(shí)力強(qiáng)的專業(yè)地源熱泵機(jī)構(gòu)。據(jù)國(guó)家地質(zhì)調(diào)查局的資料顯示，至 2020 年末，我國(guó)淺層地溫能應(yīng)用面積已達(dá)到約 3000 萬(wàn)平方米。 土壤源熱泵的發(fā)展也主要是從 1998 年開始。在這三個(gè)示范工程項(xiàng)目中，兩個(gè)為地下水源熱泵系統(tǒng)，一個(gè)為復(fù)合式地下水源熱泵系統(tǒng)。 我國(guó)地源熱泵的開發(fā)利用起步較晚，雖然早在 50 年代，就曾在上海、天津等地嘗試采用夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，也是在 50 年代天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國(guó)熱泵的最早研究， 1965 年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)，但開始推廣和研究地源熱泵系統(tǒng)是在 20 世紀(jì) 90 年代。因此，在這樣的形勢(shì)下，國(guó)家把可再生能源的發(fā)展放在了更加重要的位置。該系統(tǒng)耗資 1400 萬(wàn)美元，能夠產(chǎn)生 18MW 的熱能，系統(tǒng)提供的能量三分之一來(lái)自電能，其余的三分之二來(lái)自污水，這些能量足夠?yàn)?9000 套公寓供熱，每年可以節(jié)約約 6000 噸石化燃料。 國(guó)外比較有影響的大型地源熱泵工程有： 美國(guó)的 Gait House Hotel 為目前世界最大地下水地源熱泵項(xiàng)目之一，配置了總裝機(jī)容量為 4700 冷噸的地源熱泵系統(tǒng)，為 89， 000 ㎡的辦公樓和 70, 000㎡的旅館提供熱量，已正常運(yùn)行 15 年。應(yīng)用地源熱泵技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家到 2020 年推廣應(yīng)用概略統(tǒng)計(jì)如下表 : 序號(hào) 國(guó)家 裝機(jī)容量（ MW） 年利用能（ GWh） 裝機(jī)量（臺(tái)） 1 美國(guó) 6300 6300 600000 2 瑞典 2020 8000 202000 3 德國(guó) 560 840 40000 4 瑞士 440 660 25000 5 加拿大 435 300 36000 6 澳大利亞 275 370 23000 其中，瑞典是近些年地源熱泵發(fā) 展最快的國(guó)家，主要原因是政府支持，給予補(bǔ)貼。地源熱泵生產(chǎn)呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，瑞士和瑞典的年遞增率超過(guò) 10％。 隨著科技的進(jìn)步，關(guān)于能源消耗和環(huán)境污染的法律制訂越來(lái)越嚴(yán)格，地源熱泵的發(fā)展迎來(lái)了它的另一次高潮。 1998 年美國(guó)商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的 19％，其中有新建筑中占 30％。雖然歐洲是世界上發(fā)展地源熱泵最成熟的地區(qū)，但是它也曾因?yàn)闊岜脤＜也欢惭b技術(shù)，安裝工人又不懂熱泵原理等因素，致使地源熱泵的發(fā)展走了一段彎路。美國(guó)愛迪生電子學(xué)院最早研究閉式環(huán)路熱泵系統(tǒng)，印地安納洲的印地安納波利斯是最早安裝閉式環(huán)路地源熱 泵系統(tǒng)的。 1946年美國(guó)在俄勒岡州的波蘭特市中心區(qū)建成第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)。這是因?yàn)橐环矫嬖谶@之前工業(yè)技術(shù)傳別是制冷機(jī)的發(fā)展為熱泵的制造奠定了良好的基礎(chǔ)，另一方面社會(huì)上出現(xiàn)了對(duì)熱泵的需求。 3 在這種場(chǎng)合，因?yàn)闊岜贸浞掷昧藦U氣中的余熱而使其制熱系數(shù)很高。此熱泵裝置在夏季也進(jìn)行制冷運(yùn)行。至 1931 年，美國(guó)南加利福尼亞安迪生公司的洛杉磯辦公樓將制冷設(shè)備用于供熱，供熱量達(dá) 1050kw，制熱系數(shù)達(dá) 。 1912 年瑞士蘇黎世成功安裝了一套以河水作為低位熱源的熱泵設(shè)備用于供暖，并以此申報(bào)專利，這就是早期的地源熱泵系統(tǒng)，也是世界上第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)。相對(duì)于同一環(huán)境溫度來(lái)說(shuō)，熱泵的工作溫度區(qū)明顯高于制冷機(jī)。 熱泵與制冷機(jī)的區(qū)別 從熱泵的定義可以看出，從工作原理和熱力循環(huán)理論角度分析，熱泵就是使用目的不同的制冷機(jī)，不同之處主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 應(yīng)用目的不同 熱泵（或制冷機(jī)）與周圍環(huán)境在能量上的相互作用是從低溫?zé)嵩次鼰?，然?2 放熱至高溫?zé)嵩?，同時(shí)按照熱力學(xué)第二定律必須消耗機(jī)械功（如電力驅(qū)動(dòng)熱泵消耗電能）。如何用可再生能源替代常規(guī)礦物燃料能源是熱泵技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 “熱泵”這個(gè)詞最早是 20 世紀(jì)初由歐洲人提出的，但熱泵的基礎(chǔ)理論 ,蒸汽壓縮動(dòng)力循環(huán)原理可追溯到 19 世紀(jì)早期法國(guó)物理學(xué)家卡諾（ S． Cannot）在 1824年發(fā)表了的關(guān)于卡諾循環(huán)的論文。我國(guó)《暖通空調(diào)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 50155－92）對(duì)“熱泵”的解釋是“能實(shí)現(xiàn)蒸 發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”，《新國(guó)際制冷詞典》（ New International Dictionary of Refrigeration）對(duì)“熱泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量來(lái)供熱的制冷系統(tǒng)”。 熱泵技術(shù)是利用低溫可再生能源的有效技術(shù)之一，同時(shí)也是解決暖通空調(diào)的能源與環(huán)境問(wèn)題的有效措施之一。 近年來(lái)，地源熱泵、太陽(yáng)能熱泵、城市污水熱泵等得到了迅速的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)的熱泵技術(shù)的推廣與應(yīng)用。 工作溫度區(qū)有所不同 所謂高溫?zé)嵩椿虻蜏責(zé)嵩炊际窍鄬?duì)于環(huán)境溫度而言的，熱泵將環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩?，而制冷機(jī)則是將環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩础? 國(guó)外地源熱泵技術(shù)發(fā)展歷程 地源熱泵的概念則最早出現(xiàn)在 1912 年瑞士的一份專利文獻(xiàn)中。 隨后，美國(guó)也開始對(duì)熱泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)與應(yīng)用，但能進(jìn)行試驗(yàn)的裝置卻很少。這臺(tái)熱泵裝置用來(lái)向市政廳供熱，出力是 175kw，制熱系數(shù)為 2，輸出水溫為 60℃，并裝有蓄熱系統(tǒng)，在高峰負(fù)荷期間采用電加熱作為輔助加熱。在物料的濃縮工藝中，只需將蒸發(fā)裝置產(chǎn)生的廢氣采用壓縮熱泵提高一些溫度便可重復(fù)用 于對(duì)裝置的加熱。 20 世紀(jì) 20～ 30 年代，熱泵才得到較快的發(fā)展。 40 年代，美國(guó)也開始對(duì)熱泵有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。歐洲和美國(guó)掀起了研究地源熱泵（ GSHP）的第一次高潮，但由于當(dāng)時(shí)的能源價(jià)格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因而未得到推廣。這一時(shí)期，歐洲建立了很多水平埋管式土壤源熱泵，主要用于冬季供暖。如美國(guó)，截止 1985年全國(guó)共有 14,000 臺(tái)地源熱泵，而 1997 年就安裝了 45， 000 臺(tái)，到目前 2020年為止已安裝了約 400， 000 臺(tái)，而且每年以 10％的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。據(jù) 1999 年的統(tǒng)計(jì)，為家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為 96％，奧地利為 38％，丹麥為 27％。上世紀(jì) 80 年代后期，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，更多的科學(xué)家致力于地下系統(tǒng)的研究，努力提高熱吸收和熱傳導(dǎo)效率，同時(shí)越來(lái)越重視環(huán)境的影響問(wèn)題。如美國(guó)、瑞士、德國(guó)、瑞典、英國(guó)、挪威、丹麥、愛爾蘭、加拿大、奧 地利、法國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、意大利、俄羅斯、阿根廷、智利、伊朗。 美國(guó)已形成完善的地源熱泵產(chǎn)業(yè)鏈，包括政府主管部門（美國(guó)能源部）、專業(yè)團(tuán)體（國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)和美國(guó)地源熱泵協(xié)會(huì)）、地源熱系研發(fā)機(jī)構(gòu)（如國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)）、推廣單位（電力公司）、測(cè)試機(jī)構(gòu)、機(jī)組專業(yè)生產(chǎn)商、地源熱泵 5 專業(yè)技術(shù)集成商、地源熱泵工程商等，形成了以政府、協(xié)會(huì)、推廣單位、研發(fā)機(jī)構(gòu)、集成商、 機(jī)組生產(chǎn)商、工程商的整套產(chǎn)業(yè)鏈。 挪威于 1983 年在奧斯陸建設(shè)了由市政污水于管作為熱源的污水源熱泵站，是當(dāng)時(shí)全球最大的利用污水熱泵的供熱系統(tǒng)。因?yàn)椋F(xiàn)在的能源問(wèn)題不僅影響到我國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，關(guān)系到我們國(guó)家的安全，同時(shí)也關(guān)系到未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展。在建筑節(jié)能當(dāng)中，尤其要加強(qiáng)對(duì)可再生能源的利用，其中不但包括太陽(yáng)能技術(shù)的利用，也包括地?zé)嶂械臏\層地?zé)豳Y源的利用。北部示范工程是北京食品發(fā)酵研究所綜合辦公樓及專家樓，中部示范工程是寧波雅戈?duì)柟I(yè)城，南部示范工程是廣州松田職業(yè)技術(shù)學(xué)院?？萍疾课械闹袊?guó)企業(yè)公司將美國(guó)的地源熱泵技術(shù)及設(shè)備引進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)，促進(jìn)我國(guó)地源熱泵的市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，使我國(guó)地源熱泵的研究開發(fā)跟上國(guó)際潮流。 從 2020 年以來(lái)，地源熱泵的開發(fā)利用在全國(guó)得到普遍推廣應(yīng)用，并且每年以 10－ 15％的速度增長(zhǎng)，尤其是京津地區(qū)發(fā)展速度最快。水 水型地源熱泵機(jī)組已經(jīng)完全國(guó)產(chǎn)化，土 氣（水）地源熱泵技術(shù)系統(tǒng)已本地化。京、津 、 沈陽(yáng)、吉林、黑龍江、山東、河北、河南地區(qū)發(fā)展速度最快，上海、江蘇 、 安徽、浙江、湖北 、 廣東也開始淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)?；毓嗦蔬_(dá)到 100％的不應(yīng)收取水資源費(fèi)，對(duì)回灌率低于 100％的應(yīng)按正常標(biāo)準(zhǔn)收取水資源費(fèi)??這些意見和建議，有的正在調(diào)研，有的將被制定成政策，這些都將有力地促進(jìn)全國(guó)各地地源 熱泵技術(shù)的推廣。地源熱泵建設(shè)項(xiàng)目有住宅、辦公大樓、高級(jí)賓館、學(xué)校、幼兒園、商場(chǎng)、醫(yī)院、敬老院、檔案館、體育場(chǎng)館、廠房、污水場(chǎng)站、景觀水池等。為達(dá) 到這一目標(biāo)，該市政府出臺(tái)了《沈陽(yáng)市地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)管理辦法》，組建了市、區(qū)兩級(jí)地源熱系規(guī)劃建設(shè)管理機(jī)構(gòu)，組成沈陽(yáng)市地源熱泵專家組和地源熱泵協(xié)會(huì)，為該市推廣應(yīng)用地源熱泵技術(shù)提供智力支持和技術(shù)保障。 我國(guó)目前已進(jìn)入大規(guī)模推廣地源熱泵階段。各地方政府應(yīng)制定地方開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源推廣地源熱泵技術(shù)的專門規(guī)劃。開展國(guó)際合作，進(jìn)一步提高地源熱泵的產(chǎn)業(yè)化水平。 9 第 2 章 熱泵的原理 蒸氣壓縮式熱泵的原理 蒸氣壓縮式熱泵也稱為機(jī)械壓縮式熱泵，是利用電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)使工質(zhì)在熱泵中循環(huán)流動(dòng)并發(fā)生狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)熱泵的連續(xù)高效地將低溫?zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)移到需要用熱的高溫?zé)嵩础７序v和凝結(jié)均為相變過(guò)程。 如圖 21所示，對(duì)于大多數(shù)的熱泵工質(zhì)，其飽和蒸氣壓曲線的形狀是相似的，但變化規(guī)律并