把握地源热泵高效节能运行的本质

当今能源形势十分紧张、建筑节能减排任务非常繁重，利用取之不尽、用之不竭的浅层地热能的地源热泵技术在中国大地遍地开花。根据《工程建设与设计》杂志调查，我国地源热泵从20世纪80年代出现，到2005年我国31个省市已有3867个在运行的地源热泵项目，比2004年上升190.91%，到2006年更是比2005年上升121.43%，达到了4696个项目[1][2]。地源热泵之所以以这样的态势高速发展，是和我国能源环境形势严峻，中央、地方政府政策引导、经济扶持，和英美北欧等地源热泵技术先进国家进行频繁的技术交流、合作、引进，我国学者努力出版地源热泵书籍以及国家及时出台关于地源热泵有关设计施工规范标准、图集等因素有很大关系。

我国地源热泵工程快速发展应用的态势，让人欢欣鼓舞，也让人有些担忧。在地源热泵工程快速推动发展过程中，一些关键的、共同的基础问题还没有理清楚，介入地源热泵领域的工程建设单位行业背景复杂，造成了各行各业、一哄而起搞地源热泵的局面，结果鱼龙混杂，许多工程存在严重的隐患。

空调系统本应是一个有机的系统整体，人们本应该创造一个健康的空调系统，可是我们现在进行系统集成不是用“系统思考”的理念安排每一个子系统，而是按专业模块用“片面思考”的理念将各个子系统堆砌在一起，子系统之间貌合神离、缝隙很大，工作配合不协调，以至于运行的中央空调系统、智能建筑系统95%不节能。地源热泵空调系统并没有解决中央空调系统集成理念的问题，反而增加了一个关键的、更加难以琢磨的地下换热器子系统，加大了系统集成的难度，因此地源热泵空调系统出现的问题比普通空调系统更多。笔者从参观过的许多样板工程中证实了这种观点。地源热泵空调系统的性能应当是优良的,只有在把握地源热泵高效节能的本质、把握空调系统的灵魂及其节能的精髓，在地源热泵空调系统的设计、施工、运行中赋予系统优良性能，那么它的优良性能才能展现出来。

1．地下浅层岩土层的应用本质是特性优良的蓄热体

按照《浅层地热能勘查评价技术规范》（征求意见第二稿）标准定义，浅层地热能是指地表下一定深度范围（一般指恒温带至200m埋深）温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用的地球的内部热能资源[3]。在推行地源热泵技术中，宣称浅层地温能就是一种新型、可再生的优质清洁能源，具有可再生、储量大、清洁环保和可用性强等特点；鼓动用地源热泵技术打开浅层地下热能宝库[4]；在许多生产厂家和一些论文在地源热泵原理叙述中也宣传地球是个大的太阳能集热器，几乎吸收47%辐射到地球表面的太阳能。这些论点集中到一点就是太阳不断给了我们浅层地热能，浅层地热能就像石油、煤炭等化石能源资源一样的，是一种可以用热泵开采出来的太阳能再生能源资源。

岩土层在深度方向上的温度分布，本质是地心散失核能的热流通过热容、热阻很大的岩土层耗散流动过程造成的温度场，这是地球诞生4.6×109年来长期演化的结果。大量的科学研究证实，地心核能热流密度约为60~68mW/m2，这是地球0m~200m浅层唯一可再生的自然能源。这个可再生能源对于地源热泵138~1380W/m2能量采集密度来说，显然是太小了。地下恒温层只是无热源的温度场，所以，地源热泵应用中只能把它当作性能良好的蓄热体，不可能指望地心核能散失的能量可以创造代替化石能源持续供暖的奇迹。另外，地源热泵应用考虑的时间尺度也只是其20~25年的地源热泵生命周期之内，用亿万年地质年代的尺度来说事是毫无现实意义的。

如果说地球0~200m浅层岩土层是一种资源的话，那它提供的是作为性能良好的、蓄热量巨大的蓄热体，而决非是浅层地热能。这是我们在健康地推行地源热泵空调系统时必须把握和遵守的大前提。

地源热泵空调系统是具有环保、节能、能源可再生、和谐美观、一机多用等优点的环保绿色空调，它的优点是人们在系统设计中赋予它一种结构运行机制才能显现。这种机制就是将浅层岩土层作为性能良好的蓄热体，夏蓄废热冬用、冬蓄废冷夏用，蓄存的废冷量、废热量再生循环利用的结构运行机制，给地源热泵空调系统造成一个稳定的、良好的、高效的工作运行环境。显然系统具有这种机制的关键在于地源热泵空调系统中年从地下取的热量和向地下放的热量基本平衡，保持地下岩土层在一定的温度范围内波动（笔者从系统的角度分析认为，这个幅度约为±3℃）。那种只采暖（某些北方地区工程）或只制冷（某些南方地区工程）的地源热泵空调系统不具备这种机制，迫使系统短则2~3年长则5~6年失效不能运行，而且造成地下岩土层的热污染，还可能带来如热岛、冷坑、冻土层深度下移、改变地上植被生长的自然规律等一系列环境问题。

2．改变理念，把握空调系统集成的灵魂及其节能的精髓

无论是人们的生活经验，还是国家的HVAC标准[5][6]，都要求空调房间的温湿度控制在舒适的范围内。从能量方程证明，房间温度基本恒定是房间产生的冷（热）负荷，等于空调取（供）的冷（热）量，房间得失热量达到动态平衡的状态。而房间的冷（热）负荷是随时间、季节、气候、人员、设备工作状态等因素随机地变化的，因此HVAC房间空调取（供）的冷（热）量，也应该跟随冷（热）负荷变化，这是HVAC系统的主要任务。否则，就会出现供冷或供热季节房间窗户大开以求舒适的大量浪费能源的现象。因此，“实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化”是中央空调系统的灵魂，在空调系统集成时，我们必须凸显这条红线。

空调系统是人们效法自然创造的耗散人工系统，它应当是一个有机系统整体。生物系统是基因信息智慧创造的耗散自然系统，它就是一个有机系统整体。中央空调系统的灵魂是“实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化”，中央空调节能的精髓是“花最小的代价，实现实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化。”灵魂、精髓是笔者按有机系统整体、用“系统思考”的理念提出来的空调系统设计、施工、运行必须遵守的原则和必须凸显的两条红线。

笔者曾对传统的按专业模块用“片面思考”的理念构成的3个空调水路系统[7]和用“系统思考”理念构成的1个空调水路系统变工况性能进行了对比计算，在有代表性的时均负荷率工况，传统理念构成的水路系统运行效率只有7.3~12.0%，“系统思考”理念构成的水路系统运行效率为43.2%，传统水路系统运行消耗的水泵输送动力是“系统思考”理念构成的水路系统的3.6~5.9倍。用“系统思考”理念构成的空调水路系统在空调设计、施工、运行的过程中认真地凸显了“灵魂”、“精髓”的红线，表现出了传统系统不可企及的性能：简约、高效、可靠、廉价，具有良好的静态、动态水力平衡性能。

理念决定世界，因此要使空调系统节能减排效果显著，首先必须转变理念。水源热泵空调系统能够高效运行，是人们把握了系统的本质，在设计、施工、运行中赋予了系统节能的功能结构，于是系统在与外界进行物质、能量、信息的交换中，涌现出了节能等一系列优良的属性。系统科学原理告诉我们，系统的属性是由系统的结构决定的。如果系统没有预期的属性，是在作系统集成时，人们没有赋予系统应有的功能结构机制所致。

3．结论

1.地下浅层岩土层的应用本质是性能优良的蓄热体。

2.地源热泵空调系统能够高效节能运行的本质是将浅层岩土层作为性能良好的蓄热体，夏蓄废热冬用、冬蓄废冷夏用，废冷量、废蓄热量再生循环利用的结构运行机制，给地源热泵空调系统造成一个稳定的、良好的、高效的工作运行环境。

3.中央空调系统的灵魂是“实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化”，中央空调节能的精髓是“花最小的代价，实现实时跟踪建筑物冷（热）负荷的变化。”

4.空调系统节能的属性是因为它有节能的整体结构。要使空调系统节能减排效果显著，必须转变现行的系统集成的理念。