龙惟定教授谈地源热泵的发展和应用
龙惟定教授是中国制冷行业的知名专家，有着专业学术背景的他在暖通空调行业内奋斗多年，主持和参与过国内不少科研项目和重大工程，在国际上也有相当的知名度。本文中，龙惟定教授对国内地源热泵行业的现状和发展发表了自己的看法。
说起中国制冷行业的专家，龙惟定教授当属相当知名的一位。有着专业学术背景的他在暖通空调行业内奋斗多年，主持和参与过国内不少科研项目和重大工程，在国际上也有相当的知名度。近日，记者有幸采访到他，请他对国内地源热泵行业的现状和发展谈谈自己的看法。采访就从龙惟定教授工作和生活的城市——上海说起。
让节能技术真正为节能服务
谈到上海及至整个华东地区地源热泵的应用状况，龙惟定教授认为，同全国的总体应用形势相似，华东地区对于地源热泵的应用也比较广泛。在刚刚结束的世博会的世博园区中，世博轴、世博中心、演艺中心和城市未来馆等都采用了江水源热泵技术，取得了较好的效果。以世博轴为例，在靠近黄浦江一端设取水口，每小时有1200吨黄浦江水作为空调冷却水经过热泵机组，换热后再排回江中。在世博轴远离江岸的一侧，同时采用了地源热泵技术，由于项目地处市中心，土地面积有限，因此采用了桩基地源热泵。龙惟定表示，世博轴堪称当今世界上规模最大的桩基地源热泵技术应用，有效地节省了土地面积，在其他工程中也有推广价值。
科学计算负荷实现蓄放热平衡
在华东等夏热冬冷地区推广地源热泵，龙惟定认为，如何科学计算负荷是应该着重考虑的问题。在他看来，说浅层地温是可再生能源其实并不恰当，它并不是取之不尽用之不竭的能源，而只是“浅层地表蓄热”。“它从技术上说就像是蓄电池，而从使用上说就像是信用卡”。之所以这么说，就是因为地源热泵技术其实是利用大地的高热容性蓄热（冷），将热量蓄存在地下，通过热泵消耗电力做功来充、放热。这跟制冷机的原理并没有质的差别。而所谓“信用卡”的比喻则是说明，这些热（冷）可以少量透支，但必须及时“还清”。所以，龙惟定认为，应用地源热泵一定要实现蓄放热平衡，从地下提取多少热就要还回去多少热，如果做不到平衡，系统就很难维持效率，更达不到节能的要求。
而正是基于这种热平衡的指导理念，龙惟定才尤其强调在设计中要注重负荷的计算。他提出，夏季负荷占优地区，要综合考虑土壤经过冬季放热及过渡季散失之后夏季可供取出的冷量来估算资源量；而冬季负荷占优地区，要综合考虑土壤经过夏季吸热及过渡季散失之后冬季可供取出的热量来估算资源量大小。
也就是说，在华东地区这种夏季冷负荷占优地区，浅层地表蓄热能的资源估计要以满足建筑冬季采暖需求为基础，反推夏季的可利用能，夏季不足部分用其它能源补充。具体说来，就是要以冬季采暖热负荷为基础，结合热泵的制热效率，估算出地源热泵系统的最大取热量，而后通过土壤换热器热响应测试分别得到当地冬季和夏季土壤换热器每米井深取热量和散热量，根据当地的地质条件确定合适的井深。再根据最大取热量、冬季土壤换热器每米井深取热量和井深计算出所需要打的井数；根据当地可利用的埋管土地面积和井间距，计算出实际打井数；根据夏季土壤换热器每米井深散热量计算出这些井可承担的夏季负荷量。最后，夏季不足部分需要通过辅助冷却塔和辅助制冷机来补充。
他举例说，二十多年前有一个在上海某开发区大楼的地源热泵项目，由于设计者对冬夏平衡的问题考虑不周到，只从夏季负荷考虑，因此在系统运行了几年后地温便很快升高，导致无法制冷，整个工程就彻底废掉了。当时地源热泵项目尚属凤毛麟角，设计这一系统的一家美国公司还没有很多经验，今天尽管国内已经有了上千个项目，但并没有很好的总结，多数项目运行时间还比较短。因此，早年的教训对中国地源热泵行业仍然有很强的借鉴意义。
此外，他还提醒，平衡不仅是冬夏负荷的平衡，还与用热时间长短与热强度有关。也就是说要给系统以“喘息”的机会。例如，尽管在我国某些地区（例如沈阳市）其冬夏负荷基本相等，但如果项目需求是夏季10小时空调，冬季24小时采暖，就又带来了“时间”上的不平衡；再比如白天用地源热泵供冷供热、夜间利用低谷电力继续用地源热泵蓄冷蓄热，不留“喘息”时间，就造成强度上的不平衡。这些都会产生问题。忽略了热平衡的项目在运行几年后，效果不容乐观。总之，龙惟定认为，蓄放热的平衡是地源热泵技术实现节能的前提，对此，他有过不少对实际案例的数据分析，也有力地证明了这一观点。
衡量节能不要“技术至上”
上海市正在制订地源热泵技术的相关管理办法，提出了要合理推广应用地源热泵，对此，龙惟定表示十分赞同。他认为，地源热泵是一项节能技术，这点是毋庸置疑的，但是并不是所有的节能技术在任何情况下都适合使用，技术要因时因地制宜，具体情况具体分析。目前国内有些城市为了推广地源热泵，以政府文件的形式“一刀切”式的推广，要求新建建筑强制使用地源热泵，这其实是不可取的。除此之外，也有一些项目为了得到国家和当地政府的补贴，就刻意地集成了如地源热泵等大量的节能技术，在各种评选中获得了不少绿色建筑、节能建筑的称号，但实际上节能的真正效果如何，却少有人问津。龙惟定说，这种“技术至上”的观点应该摒弃，我们要做的是科学地、有序地去推广节能技术。衡量建筑是否绿色、节能，不能以用了多少技术去考察，而应该以具体的节能量说话。
龙惟定告诉记者，目前一些项目号称应用了地源热泵，可以实现多大比例的节能，这往往都是理论推算的结果，而不是实际的节能量。其实即便应用了地源热泵这种节能技术，如果设计不合理，很可能没有任何的节能效果。在暖通电气行业，“大马拉小车”的现象相当普遍，应用地源热泵也是一样，目前的普遍现象是系统负荷设计过大，国内空调装机与实际使用相差几倍的情况比比皆是。这样的系统其节能效果显然要大打折扣。因此，我们不能只关注使用了哪些技术，而是应该切实把这些技术用好，因为节能是整个系统的节能。他说，对技术要多元化评价，不能“非此即彼”、“非黑即白”。这世界上没有哪项技术一用就节能，也没有哪项技术绝对不节能，要有辩证的思维。工程师和专家的责任是如何扬长避短、取长补短，符合科学规律。
其实，地源热泵系统并不是一个简单的系统，由于涉及到对地下资源的应用，尤其应该慎重。尽管到目前为止，其应用对生态的破坏程度、对地下温度场的影响等等还没有确切的数据可以证明，但是业内人士必须对这些给予足够的关注。从这个角度而言，更应该本着科学、可持续的态度去推广。龙惟定尤其谈到了地下水水源热泵的应用。他说，包括上海在内的很多城市，地面沉降都比较严重，这些地区都不适合应用地下水源热泵。尽管在地源热泵技术规范中明确规定，使用地下水源热泵要实现100%回灌，但目前的实际情况是，绝大部分工程都无法实现完全回灌，这主要是由于地下压力大，进行回灌相当困难。而即便回灌回去，对生态也会产生影响，地下水中的微生物和地面的微生物因为这种开采和回灌都有可能引起变异，而这种对生态的污染是不可逆的，一旦造成破坏，无法挽回。龙惟定说，今年起，上海新建的保障房小区，规定必须打水井，用于在重大灾害情况下为居民提供饮用水。可见，地下水资源是何等的重要，绝不能污染或浪费。
“能源总线”的节能意义
谈到如何实现系统的节能，龙惟定告诉记者，在地源热泵、水源热泵集成应用的场合，能源总线就是很好的方式。在计算机科学中，总线是一种计算机的内部结构，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，计算机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路也与总线连接。而在地源热泵系统中，“能源总线（energybus）”，就是将来自于可再生能源或未利用能源的热源或热汇水，通过作为基础设施的管网，输送到用户。在用户端，总线来的水作为水源热泵的热源或热汇，经换热后回到源头，或排放（地表水）、或循环再次换热（通过换热器与各种“源”和“汇”耦合）、或回灌（地下水）。能源总线系统送往末端用户的冷媒不是冷冻水,而是从天然冷源(热源)得到的冷(热)媒水,各个能源中心内仅配备热交换设备和循环动力设备，各末端用户单独配置水源冷水机组或热泵机组,利用集中管网送来的冷(热)媒水,制取冷或热,满足用户改善室内环境的需求。
龙惟定解释，根据当地资源条件，能源总线的“源”和“汇”可以不止一个；用户可以是建筑、可以是建筑物的每一层楼（例如美国纽约在世贸遗址上重建的“自由塔”大厦）、可以是每户住宅套房（每户一套的水源变冷媒流量VRF机组）、甚至可以是每间房间（酒店，用水环热泵系统）。所以它既可以区域规模的优势充分利用天然冷源,又可解决末端负荷变化带来的系统能效问题,利于单体建筑按照实际情况进行独立的负荷调节。
应用能源总线有几大突出优势，龙惟定说，一是规模化使用天然冷(热)源,提高可再生能源使用的经济效益；二是由于建筑群同时使用系数的存在,集中的冷却水系统总流量比分散式减少。三是在末端设备为水源热泵机组的时候,能够实现同时供冷和供热,此时可以回收建筑物内的余热；四是集中的排热,可有效缓解城市局部热排放造成的热岛效应。五是因冷却水温度常高于土壤温度,因此集中式管网的管道可直埋,减少保温成本；六是减少了冷却塔维护费用,节约水资源；还有很重要的一点是计费方便,公共分摊部分仅为循环水泵的运行费、水泵、管网与换热器的初投资费用。龙惟定说，能源总线系统适用于空调负荷错峰型的综合社区,如果附近有大量天然冷源可以利用,降低供水温度,利于提高机组的COP,也利于拉大供回水温差,减小输送能耗.末端用户负荷率较低的区域应用能源总线比应用区域供冷系统要更适合。
期待行业进步
采访已进入尾声，龙惟定教授告诉记者，目前国内做了大量的地源热泵项目，但是真正取得翔实的数据和节能成效的并不多。他认为行业要发展，应该解决几个方面的问题：首先是完善相关的行业标准。尽管我国已经出台了地源热泵系统工程技术规范，但是标准还不够精细，相关的计算方法、配套手册等还不够完备。其次，设计院所应该更多地承担起责任。设计对于整个系统的成败其实是起着至关重要的作用，绝不能随意地把设计交由供应商去做，设计师要履行自己的职责。而且还应该与地质工作者协调和配合，相对而言，地矿部门对地质的分析和计算更严谨也更精细。“地下”的勘查工作和“地上”的设计工作应该协调配合，这样才能真正把节能技术做好，实现节能效果。最后，龙惟定提到，政府应该起到一个引导作用，但是不宜过度干涉。行业的发展要遵从市场的规律，最终实现健康、良性前行。
专家简介：龙惟定，同济大学教授，博士生导师同济大学中德工程学院教授、中英可持续研究院副院长。
1970年毕业于北京清华大学供热通风专业。1981年在中国建筑科学研究院空气调节研究所研究生毕业。1983年在同济大学获工学硕士学位。曾主持或参与数十项科研项目，参加过上百项全国的和上海市的重大工程项目的咨询、评审工作。在国内外学术期刊和学术会议上发表过二百余篇论文。有近十部部专著和译著出版。曾主持建立国内第一个复合型的"建筑设备工程与管理"本科专业。
龙惟定教授现担任国际制冷学会科技理事会成员、E学部（即空调热泵热回收学部）主席。2000年1月起担任中国制冷学会常务理事；全国暖通空调学会副理事长；中国建筑学会建筑热能动力分会理事、建设部建筑节能专家委员会委员；上海市制冷学会副理事长；上海市建交委科技委员会委员等职。同时还兼任中国科学院上海高等研究院低碳城市研究中心顾问教授、江苏省绿色建筑工程研究中心顾问、中建国际机电事业部技术顾问等职务。
