摘要:地?zé)崾羌暗V、水”與一身的水熱型地?zé)豳Y源，數(shù)量多且分布范圍廣，有各類不同可利用的溫度，具有穩(wěn)定的能流參數(shù)、可全天候開采、使用方便、安全可靠、利用范圍廣等特點，并含多種人體健康所必須的微量元素，使其成為寶貴的能源資源、溫泉旅游資源和水資源。此外，大地作為一種巨大而穩(wěn)定的熱儲資源，其淺層地溫和地下水在能源利用方面也有廣泛應(yīng)用前景，合理利用對建筑物節(jié)能有重大意義。
地?zé)釤岜门c制冷技術(shù)適用于低溫地?zé)岬睦?。它可以利?0OC以下的低溫地?zé)岷偷陀诃h(huán)境溫度的地溫?zé)釒炷芰浚ㄟ^熱泵為住宅和商用建筑供暖和供熱；也可利用65-90OC溫度段的地?zé)崴芰浚谙奶爝M行制冷，供旅游建筑空調(diào)使用。地?zé)釤岜檬歉呖萍纪ㄏ蚬?jié)能環(huán)保的橋梁，在改變能源結(jié)構(gòu)、有效利用自然能源、環(huán)境保護等方面都有重要的意義，近年來在國內(nèi)外受到重視。
本文重點介紹了地?zé)釤岜门c制冷技術(shù)原理和指標(biāo)參數(shù)，國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用方式和經(jīng)濟性分析，并提出該項新技術(shù)發(fā)展的建議。
關(guān)鍵詞：地?zé)帷岜?、制冷、?jié)能
一、前言
當(dāng)今世界，常規(guī)能源日見短缺，環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻，為了避免對常規(guī)能源資源的過度索取和保護人類賴以生存的自然環(huán)境，大力開發(fā)利用可再生能源，節(jié)約使用能源已成為科技發(fā)展的潮流。地?zé)釋儆跐崈舻目稍偕茉?，它一般具有穩(wěn)定的能流參數(shù)、可全天候開采、使用方便、安全可靠、利用范圍廣等特點，普遍受到人們的喜愛。特別是集“礦、水”與一身的水熱型地?zé)豳Y源，數(shù)量多且分布范圍廣，有各類不同可利用的溫度，并含多種人體健康所必須的微量元素，使其成為寶貴的能源資源、溫泉旅游資源和水資源，有很高的利用價值。此外，大地作為一種巨大而穩(wěn)定的熱儲資源，其淺層地溫和地下水在能源利用方面也有廣泛應(yīng)用前景，特別對建筑物節(jié)能有重大意義。
我國有豐富的地?zé)豳Y源。已發(fā)現(xiàn)的地?zé)崧额^點有3000于處，其中高溫的不多（約175處）主要集中于西藏、云南和臺灣，中低溫地?zé)嵩磩t分布于全國30個省、市、自治區(qū)，全年天然放熱資源量為1.04×1017kJ，折合35.6億噸標(biāo)煤[1]。例如：西藏羊八井在井深2007米處達到330℃，西藏羊易也有207℃。我國中低溫地?zé)幔?05℃以下）多為低溫水熱型資源，絕大部分適宜直接利用。
低溫地?zé)嶂饕侵苯永茫缍旃┡?、供熱水、農(nóng)業(yè)利用（水產(chǎn)越冬養(yǎng)殖供熱、溫室）、溫泉沐浴及醫(yī)療保健等。近年來，適用于低溫地?zé)崂玫牡責(zé)釤岜门c制冷新技術(shù)在國內(nèi)外受到重視，對地?zé)崮艿母咝ЬC合利用有極為重要的意義。綜合利用是提高資源利用率的唯一途徑，這已是人們達成的共識。特別是國際上近幾年地?zé)釤岜眉夹g(shù)發(fā)展非常迅速，通過在地?zé)崂弥械膽?yīng)用架起高新技術(shù)與建筑物節(jié)能之間的橋梁，取得了卓有成效的進展和節(jié)能效果。
二、低溫地?zé)崂眉暗責(zé)釤岜眉夹g(shù)現(xiàn)狀
我國占地?zé)豳Y源總量98%以上的是低溫資源。我們80年代初曾研究開發(fā)了低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)。廣東豐順3號地?zé)犭娬纠?1℃地?zé)崴l(fā)電，裝機容量300KW，到目前為止已安全穩(wěn)定運行15年，年運行率超過80%，取得了良好顯著而長期的經(jīng)濟社會效益，開創(chuàng)了我國低溫地?zé)崴l(fā)電的先河。目前對我國眾多的低溫地?zé)豳Y源還主要是直接利用。雖然全國直接利用總量已達到2410MW，居世界各國首位，但利用水平和效率比較低，對于65℃以上和40℃以下溫度段的能量利用率更差。在對巨大的地溫?zé)醿Γㄈ鐪\層地溫和地下水）能量的利用方面更加缺乏創(chuàng)新思路，與國外有非常大的差距。因此，非常有必要大力開展研究開發(fā)地?zé)釤岜眯录夹g(shù)的工作。
利用電驅(qū)動的地?zé)釤岜?，可以?-12℃的地下水溫提升到45-50℃，也可進一步把30-40℃的低溫地?zé)崴疁囟忍嵘?0-70℃，以供取暖使用或直接供應(yīng)熱水作相應(yīng)的用途。利用吸收式熱泵（制冷）技術(shù)，可以利用65-90℃的地?zé)崴迫?-9℃的冷媒水，供夏季空調(diào)使用。合理采用相應(yīng)的熱泵技術(shù)，可實現(xiàn)不同溫度水平的地?zé)豳Y源的高效綜合利用，大大降低住宅和商用建筑供熱和供冷的能耗。
歐美等發(fā)達國家較早意識到要調(diào)整社會能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境保護問題，因此地?zé)釤岜迷谶@些國家應(yīng)用較多。在未意識到化石能源日益枯竭和環(huán)境污染給人類帶來危害以前，廉價的電費和過高的成本因素限制了地?zé)釤岜玫陌l(fā)展。然而現(xiàn)在時代的需求給地?zé)釤岜脦砹税l(fā)展的機遇。許多國家采取一系列措施來刺激地?zé)釤岜玫陌l(fā)展，其中包括：成立一系列行業(yè)組織、制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、完善與改進機組性能、降低成本、政府在財政上給予優(yōu)惠、提供市場動態(tài)、加大宣傳力度、開展有關(guān)知識講座、完善服務(wù)等。據(jù)統(tǒng)計，美國和加拿大的地?zé)釤岜弥圃鞆S已超過20家[2]。到1998年度底為止，整個歐洲使用地?zé)釤岜靡呀?2萬臺，總裝機容量近1300MW，每年可提供1950GWh的熱量，相當(dāng)于232.9×106Nm3的天然氣供熱量[3]。
其他國家如：德國、荷蘭、挪威等國家地?zé)釤岜迷谑袌龆加幸欢ǖ恼加新?。綜觀世界，地?zé)釤岜迷诎l(fā)達國家，特別是地處寒冷的國家都得到長足的發(fā)展，而且發(fā)展勢頭越來越強。
三、地?zé)釤岜门c制冷技術(shù)原理和性能
3.1地?zé)釤岜霉ぷ髟?BR   /> [IMG] /> 圖1：地?zé)釤岜眉夹g(shù)原理示意
熱泵的工作原理是利用工作流體（工作介質(zhì)）在不同壓力、溫度下的蒸發(fā)和冷凝進行吸-放熱的過程，通過壓縮機驅(qū)動（電功），將熱量從低溫環(huán)境送到高溫環(huán)境，達到制冷或制熱的目的。如圖1，工作介質(zhì)按尖頭所示在回路中循環(huán)。A和B分別為蒸發(fā)器和冷凝器，C為壓縮機（驅(qū)動源），V為減壓膨脹閥，GA和GB分別是低溫介質(zhì)（低溫地?zé)崴虻叵滤┖透邷亟橘|(zhì)（生活或采暖熱水）流量。工作介質(zhì)在A中壓力為pA、在B中壓力為pB，并有pA<pB，其對應(yīng)的溫度tA<tB。工作過程如下：
工質(zhì)節(jié)流后的汽液混合物進入換熱器A，在pA的壓力下，吸收低溫流體GA的熱量QA，并蒸發(fā)成氣態(tài)；
工質(zhì)蒸汽在驅(qū)動源C（壓縮機）作用下（驅(qū)動能量W）流向冷凝器B；
在B中，工質(zhì)受介質(zhì)GB的冷卻作用，在pB壓力下發(fā)生冷凝，放出冷凝熱QB；
工質(zhì)冷凝液體流出換熱器B后，經(jīng)過節(jié)流減壓裝置V，使其壓力從pB降為pA，再進入冷凝器A。
如此周而復(fù)始，熱量源源不斷地從A傳輸?shù)紹。對流體GA來說，在A中放出熱量，溫度降低，產(chǎn)生制冷作用；而對流體GB，在B中吸收工質(zhì)放出的熱量，溫度升高，產(chǎn)生制熱作用。
對于熱泵，根據(jù)熱量守恒定律可得到如下關(guān)系式：
QB=QA+W（1）
熱泵的效率（性能系數(shù)）COP定義為：
COP=QB/W（2）
3.2地?zé)狎?qū)動吸收式制冷 [IMG] /> 圖2：地?zé)崴?qū)動吸收式制冷技術(shù)原理示意
如圖2示，回路1-2-3-4-5-7-1是制冷劑的循環(huán)回路，而回路2-3-6-4-2是吸收劑的循環(huán)回路。循環(huán)制冷過程如下：
在換熱器1（蒸發(fā)器）中，制冷劑（水）在壓力p1（通常是負(fù)壓）下從冷媒水中吸收熱量Q1并蒸發(fā)成蒸汽；
蒸汽在負(fù)壓作用下到達容器2（吸收器），容器4中來的吸收劑濃溶液在2中吸收來自1的制冷劑蒸汽，變成吸收劑的稀溶液，同時吸收過程產(chǎn)生的熱量Q2由冷卻水帶走；
溶液泵3把吸收劑稀溶液輸往容器4（發(fā)生器），在地?zé)嵩刺峁┑臒崃縌3作用下，使稀溶液中的制冷劑（水）解吸成為蒸汽，并使制冷劑與吸收劑發(fā)生分離，分離出來的制冷劑水蒸汽將流向下一個換熱器5（冷凝器），而余下的吸收劑溶液將回到容器2中，完成2-3-6-4-2的循環(huán)；
在容器4中分離出來的制冷劑蒸汽在冷凝器5中，被冷卻水冷卻，并凝結(jié)放出汽化潛熱Q5，由此完成制冷劑循環(huán)。
吸收式制冷劑循環(huán)的效果是將蒸發(fā)器1中冷媒水的熱量Q1傳輸?shù)嚼淠?并釋放給冷卻水；而驅(qū)動熱源（地?zé)崽峁┑臒崴┰诎l(fā)生器中加入的熱量Q4，使制冷劑與吸收劑分離，同時吸收劑在吸收器2吸收水蒸氣并釋放熱量Q2，由冷卻水帶走。整個循環(huán)的凈效益是利用地?zé)釤崃縌4 將冷媒水（溫度7-12℃）傳輸?shù)嚼鋮s水中，并對冷媒水產(chǎn)生制冷作用，然后送去空調(diào)使用；而冷卻水得到熱量而溫度升高，可用于供熱。
對于吸收式制冷劑循環(huán)，熱平衡有如下關(guān)系：
Q1+Q4=Q2+Q5（3）
熱驅(qū)動制冷效率（性能系數(shù)）COP定義為：
COP=Q1/Q5（4）
四、地?zé)釤岜门c制冷應(yīng)用及效益分析
4.1地?zé)釤岜霉岵膳?BR&NBSP;&NBSP; />
地?zé)釤岜锰貏e適用于冬天供暖或供應(yīng)熱水。它可分為普通型和高溫型兩種：前者可把7-12℃的地下水加熱到45-50℃；后者適用于將30-40℃的低溫地?zé)崴疁囟忍嵘?5-70℃；兩者的制熱系數(shù)COP均可達到3-4，也就是說，花費一份代價，可以得到3-4倍的熱量。與使用常規(guī)能源加熱獲得熱水的方式相比，無疑大大節(jié)省了能源，進而也減少了因使用化石燃料生產(chǎn)電力的過程中排放物對環(huán)境造成的污染。中國科學(xué)院廣州能源研究所具備普通型和熱泵的研究開發(fā)經(jīng)驗。高溫型地?zé)釤岜眠m用于北方城市住宅供暖（保持原有室內(nèi)散熱器），替代污染嚴(yán)重的燃煤采暖鍋爐。
從運行費用的角度來看，以北京市的物價水平-天然氣價1.4元/Nm3、電0.38元/kWh來比較。如果利用天然氣來采暖，天然氣熱值為33500kJ/Nm3，利用熱效率90%計，則燃燒1Nm3可以獲得熱量為：
Q=33500×0.9=30150kJ/Nm3
如果使用地?zé)釤岜?，取COP=3.5，則獲得同樣的熱量需要耗電量為：
W=Q/COP=30150/35=8614.3(kJ)=2.4(kWh)
費用比較可知：
熱泵供暖電費=0.38(元/Kwh)×W=0.38×2.4=0.91(元)
而1Nm3的天然氣費用=1.4(元)
因此，用地?zé)釤岜霉┡幔┛蓽p少運行費用：
y=(1.4-0.91)/1.4=35.0%
以上，就是把地?zé)釤岜梅Q為節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品的原因所在。
4.2地?zé)崴?qū)動吸收式制冷機供冷空調(diào)
中國科學(xué)院廣州能源研究所的兩級溴化鋰吸收式制冷機組可以利用65-90℃的地?zé)崴黩?qū)動熱源，制取7-9℃的冷媒水供空調(diào)使用。該機適用于利用75-90℃地?zé)崴畞碇评?，為大型建筑物空調(diào)?？照{(diào)后的地?zé)崴€有約65℃，可用于下一級地?zé)崂茫ㄈ绺稍镆挛?、沐浴、游泳池水加熱等），實現(xiàn)地?zé)崮芰亢侠矶行У睦?。在夏天，該機組利用地?zé)嶂评涞男阅芟禂?shù)COP可達到0.4，也就是說，利用2.64-2.5kW的地?zé)釤崃考纯傻玫?kW的冷量。如果用電驅(qū)動冷凍機，則1kW的冷量需要花費0.29kW的電力。因此我們利用了對大氣沒有污染的可再生的地?zé)崴Y源，并大大節(jié)約了電力和相應(yīng)的成本費用。特別值得注意的是，在夏天，這部分熱量往往無法利用或被白白排放到大氣中。所以合理利用這一部分地?zé)醽碇评淇照{(diào)，其對建筑節(jié)能和保護環(huán)境的效益是不言而喻的。這也是地?zé)崮茯?qū)動吸收式制冷機作為節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品的意義之所在。
五、結(jié)語
地?zé)釤岜檬歉呖萍纪ㄏ蚬?jié)能環(huán)保的橋梁。它可以利用40OC以下的低溫地?zé)岷偷陀诃h(huán)境溫度的地溫?zé)釒炷芰?，達到節(jié)能和環(huán)保的效果。利用地?zé)釤岜霉┡凸?，其運行費用可比用天然氣或直接用電節(jié)省30-70%。利用熱驅(qū)動吸收式制冷機使用65-90OC溫度段的地?zé)崴芰?，在夏天進行制冷，供建筑物空調(diào)使用，可減少空調(diào)的用電量和費用。這方面的地?zé)崮芾迷诟淖兡茉唇Y(jié)構(gòu)、有效利用自然能源、環(huán)境保護等方面都有重要的意義。因此，我國應(yīng)大力支持這項技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。建議在“十五”期間立項重點支持，進行工程示范并推廣。
（轉(zhuǎn)載）
