地温之光

清华大学工程力学系教授    徐秉业

清华大学工程力学系副教授  朱  峰

 

 

   这是在数九寒天滴水成冰温度达零下30度的辽阳，在辽阳市邮电新村6万多平方米居住的600多户的居民们都在温暖如春的室内，进行着日常的工作，生活和学习，他们都知道，这春一样的温暖是来自于过去不被人们注意的地温。2000年，在北京是一个炎热的夏天，但在北京友谊医院3万7千多平方米的病房里却是凉爽宜人，1000多个病床上的病人都感到非常舒适，这也是由于使用了地温制冷技术才取得了这样好的效果。这项技术是清华大学所研制的高新技术在我国地下低温热源应用的结晶。

 

        早期人类取暖都采用火盆、火炉、火墙，后来相继又出现了锅炉、暖气。到目前为止，绝大多数采暖用的热量均是以燃烧木材、煤、燃油或燃气来获得的，而这些燃料的形成则是在太阳能幅射之下经历了几百万年。燃料燃烧时发生的高温热量，是高品位的能量，可以供各种不同的热力过程使用，同时这些燃料又都是极有价值的原料，可用于化学工业，生产日常用品和其它产品；另外，燃料燃烧时放出的灰尘、可吸入颗粒物和各种有害气体严重危害着环境，改变着人类赖之生存的条件。可见，使用天然燃料用于取暖目的，不仅污染着环境，同时也是极大地浪费着有限资源，而现有的空调设备在制冷的同时，向周围环境释放出的热量，给环境带来了可怕的热污染。这些情况都促使人们普遍关心能源供应与能源消耗之间的矛盾问题，关注未来自然界的生态平衡。减少使用矿物燃料，充分利用自然界的低温热能，把环境保护与能源的合理开发利用相结合是目前极为重要的课题。

 

 

    在解决能源和环境污染两大问题时，热泵技术将是有效和可靠的手段之一。水泵是将水自低位水源传输至高位水源的机械装置，热泵则是以消耗机械能、热能或电能等为代价，可自低温热源中吸取热能，通过将介质压缩而放出热，并把它转输至高温热源以供应用的一种装置。而传输至高温热源的热能是来自低温热源被吸取的热能和介质被压缩所放出的热能，为二者之和，即采暖系统中所得到的热量包括取自低温热源的热量和压缩机所做的功转换而成的热量，此时水温可达50～55℃。人们知道要使一吨水提高摄氏一度需要使用1KW的能量，如果通过将地下所取的一吨水在热泵中将水的温度降低一度，则可认为热泵所取出的是1KW的能量，因此这项技术是用水作载体将能量带出，所取的是能量，水将全部放回到地下去，不会造成水的浪费和污染，使死水变为活水，而且符合一水多用的原则。特别应该强调的是这部分能源是免费的，是用之不尽取之不竭的。

 

 

   我国自五十年代就已开始了热泵的研究工作，但一直发展缓慢。因为当时认为我国煤产量大，且价格便宜，因此采暖主要都是通过燃烧煤，而且当时我国电力不足，电力主要用于发展工业，因而这一取暖和制冷技术未得到很好的发展。随着城市开放政策和消费水平的提高，空调及电加热产品都不同程度地进入了工业和家庭，能源供应紧张问题突出，节能及有效利用能源的工作已刻不容缓。自1995年开始，清华大学工程力学系热泵科研小组率先开展了热泵技术的研究工作，当得知外商对于这一技术转让所要求的费用是天文数字后，更加坚定了我们独立开发这一技术的决心，这时海阳市富尔达热工机械厂给了我们经济上的支持，从而加速了研究的进度。我们借助于清华大学多学科的优势，先后走访了热工、控制、机械等各方面的专家和教授，向他们请教，征求意见，经多次反复，终于设计出了设备的模型，在此基础上开始了模型的制造。经过漫长的日日夜夜，样机也造出来了，接着又经过了多少个艰苦的昼夜，所设计的热泵有关参数又被测量出来了。1996年6月由热工、开采、地质、测量等方面的院士、教授组成的专家鉴定委员会一致认为这项研究开辟了一条地下低温热源开发利用的新途径，具有重大的现实意义。研究成果填补了国内空白，设计中所达到的指标属国际先进水平。1996年底，我们首先在山东海阳市进行了小批量的工业试制和现场试验，但由于当时我们对这一技术的规律并未掌握透彻，因而使用效果并不理想，但这件事促使我们决心更加深入地去掌握这一技术的规律， 找出使用效果不好的原因。经过艰苦的努力，效果不好的原因被找出来了，技术的规律也弄清楚了。在1997年11月严寒的冬天，在辽阳市邮电小区，5万平方米利用地温进行取暖的工程开始了。经过我校科技人员和在场的工程技术人员及施工人员的共同努力终于使这一技术在辽阳取得了成功。在室外温度为摄氏另下负30度的情况下，在五万平方米面积中每个房间的温度都在18 度以上。受到了所有居民的一致称赞。 此后又先后在山东、辽宁、吉林、黑龙江、河南、河北、广西、贵州、山西和北京等地安装了能供几十万平方米的供暖和制冷系统，取得了很大的成功。利用这一技术所生产的产品，已先后被建设部、国家环保局、国家科技部推荐为国家重点产品并被列为星火计划。

 

 

        热泵在采暖空调上的应用极为广泛，主要用以满足从家庭住宅到商业和大型建筑的室内采暖、空调（包括空气的去湿）以及热水供应。其中在游泳池、计算机房、农用温室、畜禽舍等特殊场合国外都有应用。在家庭中应用热泵的一个重要吸引力是它能利用实际上没有什么限制的热源而为家庭创造舒适的条件。一般热泵采用的热源主要有空气、水、土壤、废热源及太阳能等。

 

        ●空气热源：自从热泵进入家用领域以来，绝大多数的家用热泵系统都采用室外的空气作为热源。环境空气虽是最方便的热源，但在我们需要取暖时空气温度却很低，而在需要制冷时，空气的温度又很高，从而使热泵的效率很低。热泵的性能系数随着冷凝器和蒸发器之间的温差而变化，温差增大，性能系数降低，因而如何提高这一系统的效率便成了重要课题。

 

        ●太阳能热源：所有热泵的热源都在不同程度上受到太阳能的影响，用有循环流体的太阳能收集器，太阳能用来升高蒸发器附近的空气温度；采用太阳能集中器，特别是采用太阳能进行发电，太阳能就能应用在热泵上，但这还需要今后继续做大量的研究发展工作。

 

        ● 废热热源：发电厂和冷冻厂所排放的废热、废水、废液、废气等都可以做为热泵的热源。热泵不仅能将这些热量利用起来而且能提高工厂系统的效率。

这也是当前的重要课题。

 

        ● 土壤热源：土壤的1～2m深处的温度，全年变化不大，只要在这一深度埋上热交换器即可吸取土壤的热量。太阳整年向地表幅射太阳能，太阳能贮存在土壤中，土壤的热量主要来源于此。在冬天土壤温度总是高于空气温度，它的最低值在最低空气温度后两个月才出现。一般所需的土壤面积约为住房面积的2-3倍。这一热源形式在北欧等国已取得了重要的成功，在安装合适的条件下，能源效率可提高300%。

 

        ●水热源：自来水是热泵的理想热源，温度在4～12℃，永不低于冰点，但自来水正在变成越来越贵的商品，热泵用水的成本将会由此大大提高，这是不现实的，湖泊、河流、海水、井水等天然地表水可作为热泵的热源，但是在利用水的时候，应采取措施不污染水、不浪费水，而只以水作为能量的载体，将地下的能源提取出来。水源热泵主要有两个优点：第一个优点是节能。因为冬天取暖时，它将地下能源免费提取出来，因而降低了取暖费用；而在夏天制冷时，它将热量送入地下，效率很高，而且不会对周围环境造成热污染。第二个优点是它不受周围环境温度的影响，因为地下的温度一年四季变化很小，因而这类热泵能始终在高效条件下工作。即使在数九寒天，它的效率仍很高，而在酷热的夏天，它的制冷效率也始终保持很高的效率。

 

 

（1）节约能源与减少环境污染

 

        随着社会的发展日新月异，能源问题和环境污染问题越来越尖锐地摆在世界各国人民面前，尤其在我国，不仅人均资源只占全世界平均数的 ，而且环境污染日趋严重，目前环保节能已成为我国经济社会发展的国策。热泵具有节能和环保的双重优势，具有巨大的发展潜力。

 

（2）提高生活质量，改善人民生活

 

        在华北地区，旧有的锅炉采暖系统多以城市为主，而广阔的农村均缺少集中供热条件；在华中、华南地区，原本由于国家政策无采暖系统，更易于实现热泵采暖和制冷，尤其是其土壤温度稍高于北方和东北地区，热泵的使用会获得更好的性能系数。在较发达的农村地区，小型水电也已实现自给自足，再加上农村富裕的土地资源，更为热泵的使用提供了良好的条件。

 

（3）实现廉价取暖、制冷和满足工农业生产需要

 

        热泵这一节能环保的供热和制冷装置，非常适合于我国目前的生产水平、生活水平及经济发展现状的需要。有理由相信，在我国的采暖、制冷、种植、养殖、公共设施等方面的应用必将发挥其独特的优势，创造出巨大的社会效益和经济效益，为我国人民造福。