在能源形勢十分緊張、建筑節(jié)能減排任務非常繁重的今天，以取之不竭、用之不盡《淺層地熱能》利用的地源熱泵技術就在中國大地遍地開花了。根據《工程建設與設計》雜志調查，我國地源熱泵從20世紀80年代出現，到2005年我國31個省市已有3867個在運行的地源熱泵項目，比2004年上升190.91%，到2006年更是比2005年上升了121.43%，達到了4696個項目[1][2]。地源熱泵之所以有這樣高速發(fā)展的態(tài)勢，是和我國的能源環(huán)境形勢嚴峻，中央、地方政府政策上引導、經濟上扶持，和英美北歐等地源熱泵先進技術國家進行頻繁的技術交流、合作、引進，我國學者努力出版地源熱泵書籍以及國家及時出臺關于地源熱泵有關設計施工規(guī)范標準、圖集等等因素有很大關系。

    我國地源熱泵工程快速發(fā)展應用的態(tài)勢，讓人歡欣鼓舞，也讓人有些擔憂。歡欣鼓舞的是我國地源熱泵工程的規(guī)模、速度是頂冠全球的，值得中國人大大地驕傲、頌揚；擔心的是地源熱泵工程快速推動發(fā)展過程中，一些關鍵的、共同的基礎問題還沒有搞的十分清楚，介入地源熱泵領域的工程建設單位行業(yè)背景復雜，造成了各行各業(yè)、一哄而起搞地源熱泵的局面，結果魚龍混雜，許多工程存在著嚴重的隱患。

    空調系統本應當是一個有機的系統整體，人們本應該像造物主創(chuàng)造一個健康的人一樣，創(chuàng)造一個健康的空調系統，可是我們現在進行系統集成的理念不是從系統整體用“系統思考”的理念有目的地安排每一個子系統，而是按專業(yè)模塊用“片面思考”的理念將各個子系統堆砌在一起，子系統之間貌合神離、縫隙很大，工作配合不協調，以至于在運行的中央空調系統、智能建筑系統95%都是不節(jié)能的。地源熱泵空調系統并沒有解決中央空調系統集成理念的問題，反而增加了一個關鍵的、更加難以琢磨的地下換熱器子系統，加大了系統集成的難度，因此地源熱泵空調系統出現的問題比普通空調系統更多。筆者從參觀過的許多樣板工程中證實了這種觀點。地源熱泵空調系統的性能應當是優(yōu)良的。但這種優(yōu)良性能必須在把握地源熱泵高效節(jié)能的本質、把握空調系統的靈魂及其節(jié)能的精髓之后，在地源熱泵空調系統的設計、施工、運行中賦予系統有優(yōu)良性能的系統整體結構，才能涌現出來的。本文將在這兩個方面進行初步探討。

2．地下淺層巖土層的應用本質是特性能優(yōu)良的蓄熱體

    按照《淺層地熱能勘查評價技術規(guī)范》（征求意見第二稿）標準定義，《淺層地熱能（Shallow Geothermal Energy）》是指地表下一定深度范圍（一般指恒溫帶至200m埋深）溫度低于25℃，在當前技術經濟條件下具備開發(fā)利用的地球的內部熱能資源[3] 。在推行地源熱泵技術中，宣稱淺層地溫能就是一種新型、可再生的優(yōu)質清潔能源，具有可再生、儲量大、清潔環(huán)保和可用性強等特點；鼓動用地源熱泵技術打開淺層地下熱能寶庫[4]；在許多生產廠家和一些論文在地源熱泵原理敘述中也宣傳地球是個大的太陽能集熱器，幾乎吸收47%輻射到地球表面的太陽能。這些論點集中到一點就是太陽不斷給了我們《淺層地熱能》，淺層地熱能就像石油、煤炭等化石能源資源一樣的，是一種可以用熱泵開采出來的太陽能再生能源資源。

    顯然《淺層地熱能》一詞，是我們制定規(guī)范的紅線，是推行節(jié)能新理念的旗幟，是作為推廣地源熱泵空調系統的行動指南和考慮問題的基點；《淺層地熱能》也是我們大規(guī)模應用地源熱泵技術的大前提，弄清這個大前提，弄清地源熱泵空調系統高效節(jié)能運行的本質，乃是健康地推廣地源熱泵空調系統的當務之急。

    我們每個人都有這樣的切身經驗：地球大氣、土地、地下水的年平均溫度是恒定的。根據這個事實，從能量平衡方程可以邏輯地證明地球吸收的太陽能加上地心散失的核能等于地球以紅外長波輻射到背景溫度為2.7K的太空中的能量，地球表面太陽能收支是平衡的。太陽能量輻射作用深度只有16 m左右，太陽沒有給我們“淺層地熱能”！地球生機勃勃的景象，乃是太陽能輻射到地球然后以紅外長波輻射到太空、能量耗散流動過程參數的種種表象。

    巖土層在深度方向上的溫度分布，本質是地心散失核能的熱流通過熱容、熱阻很大的巖土層耗散流動過程造成的溫度場，這是地球誕生45億年來長期演化的結果。大量的科學研究證實，地心核能熱流密度約為60~68mW/m²，這是地球0~200m淺層唯一可再生的自然能源。這個可再生能源對于地源熱泵138~1380 W/m²能量采集密度來說，顯然是太小了。地下恒溫層只是無熱源的溫度場，所以，地源熱泵應用中只能把它當作性能良好的蓄熱體，不可能指望地心核能散失的能量可以創(chuàng)造代替化石能源持續(xù)供暖的奇跡。另外，地源熱泵應用考慮的時間尺度也只是其20~25年的地源熱泵生命周期之內，用億萬年地質年代的尺度來說事是毫無現實意義的。

    如果說地球0~200m淺層巖土層是一種資源的話，那它提供的是作為性能良好的、蓄熱量巨大的蓄熱體，而決非是《淺層地熱能》。這是我們在健康地推行地源熱泵空調系統時必須把握和遵守的大前提，一切事情應該根據這個大前提來展開。

    地源熱泵空調系統是具有環(huán)保、節(jié)能、能源可再生、和諧美觀、一機多用等等優(yōu)點的環(huán)保綠色空調，但它的優(yōu)點是人們在系統設計中賦予它一種結構運行機制才能顯現的。這種機制就是將淺層巖土層作為性能良好的蓄熱體，夏蓄熱冬用、冬蓄冷夏用，蓄冷量、蓄熱量再生循環(huán)利用的結構運行機制，給地源熱泵空調系統造成一個穩(wěn)定的、良好的、高效的工作運行環(huán)境。這才是地源熱泵空調系統能夠高效節(jié)能運行的本質。顯然系統具有這種機制的關鍵在于地源熱泵空調系統中年從地下取的熱量和向地下放的熱量基本平衡，保持地下巖土層在一定的溫度范圍內波動（筆者從系統的角度分析認為，這個幅度約為±3℃）。那種只采暖（某些北方地區(qū)工程）或只制冷（某些南方地區(qū)工程）的地源熱泵空調系統不具備這種機制，系統短則2~3年長則5~6年失效不能運行不說，造成的地下巖土層的熱污染，還可能帶來如熱島、冷坑、凍土層深度下移、改變地上植被生長的自然規(guī)律等等一系列的環(huán)境問題。

    敬畏自然、適應自然，按自然規(guī)律辦事，進而和自然和諧相處，這是千百年自然災害史教會人們的生存哲學。只有把握住地源熱泵空調系統中能量流動的客觀規(guī)律，才能取得良好的節(jié)能減排效果。違背自然規(guī)律，必遭大自然的嚴厲懲罰。

3．改變理念，把握空調系統集成的靈魂及其節(jié)能的精髓

    無論是人們的生活經驗，還是國家的HVAC標準[5][6]，都要求空調房間的溫濕度控制在舒適的范圍內。從能量方程證明，房間溫度基本恒定是房間產生的冷（熱）負荷，等于空調?。ü┑睦洌幔┝浚块g得失熱量達到動態(tài)平衡出現的狀態(tài)。而房間的冷（熱）負荷是隨時間、季節(jié)、氣候、人員、設備工作狀態(tài)等因素隨機地變化的，因此HVAC房間空調取（供）的冷（熱）量，也應該跟隨冷（熱）負荷變化，這是HVAC系統的主要任務。否則，就會出現供冷或供熱季節(jié)，房間窗戶大開以求舒適的大量浪費能源的人們熟知的現象。因此，“實時跟蹤建筑物冷（熱）負荷的變化”是中央空調系統的靈魂，在空調系統集成時，我們必須凸顯這條紅線。

    空調系統是人們效法自然創(chuàng)造的耗散人工系統，它應當是一個有機系統整體。生物系統是基因信息智慧創(chuàng)造的耗散自然系統，它就是一個有機系統整體。雖然基因信息智慧博大精深、玄妙無比是人類智慧不可企及的，但人類效法自然構成人工系統時也應當遵循能量在生物體內流動的法則。生物體內能量流動法則是“消耗最少的能量，維持機體的新陳代謝和基因遺傳。”生物遵循這條法則，得以生長發(fā)育、傳宗接代、物種長存。同樣，法自然的人工系統的設計、施工、運行也應當遵守這條法則，才可能是健康、節(jié)能、持續(xù)、科學的。這個法則換成空調界熟悉的話語，那就是中央空調節(jié)能的精髓是“花最小的代價，實現實時跟蹤建筑物冷（熱）負荷的變化。”

    中央空調系統的靈魂是“實時跟蹤建筑物冷（熱）負荷的變化”，中央空調節(jié)能的精髓是“花最小的代價，實現實時跟蹤建筑物冷（熱）負荷的變化。”靈魂、精髓是筆者按有機系統整體、用“系統思考”的理念提出來的空調系統設計、施工、運行必須遵守的原則和必須凸顯的兩條紅線。只有認真地貫徹“靈魂”、“精髓”這兩條紅線，空調系統的構成才可能是健康的、節(jié)能的、持續(xù)的、科學的。空調系統是一個有機系統整體，它的設計、施工、運行需要我們睜開雙眼，看清系統整體及其組成模塊，認真地依空調的目的安排每一個子系統。現代整體論的認識論認為，知識（理論）是人們察覺能力的基礎。人們的觀察滲透著理論，知識（理論）決定你能“看到”什么，你的知識范圍，決定著你看問題的視野和高度，你的知識深淺決定著你察到覺事物的深淺、看問題的深度。從這個意義上講，知識（理論）就是人們觀察、認識世界的窗戶。因此看清中央空調系統整體及其組成專業(yè)模塊是需要轉變理念、需要知識能力的。

    筆者曾對傳統的按專業(yè)模塊用“片面思考”的理念構成的3個空調水路系統[7]和按系統有機整體、用“系統思考”理念構成的1個空調水路系統變工況性能進行了對比計算，在有代表性的時均負荷率工況，傳統理念構成的水路系統運行效率只有7.3~12.0%，“系統思考”理念構成的水路系統運行效率為43.2%，傳統水路系統運行消耗的水泵輸送動力是“系統思考”理念構成的水路系統的3.6~5.9倍。按系統有機整體、用“系統思考”理念構成的空調水路系統在空調設計、施工、運行的過程中是認真地凸顯了“靈魂”、“精髓”的紅線，表現出了傳統系統不可企及的性能：高效、節(jié)能、價廉、簡單，具有良好的靜態(tài)、動態(tài)水力平衡性能等等。

    理念決定世界，因此要使空調系統節(jié)能減排效果顯著，首先必須轉變理念。水源熱泵空調系統能夠高效運行，是人們把握了系統的本質，在設計、施工、運行中賦予了系統節(jié)能的功能結構，于是系統在和外界進行物質、能量、信息的交換中，即和外界的關聯中，涌現出了節(jié)能等一系列優(yōu)良的屬性來。系統科學原理告訴我們，系統的屬性是由系統的結構決定的。如果系統沒有預期的屬性，是在作系統集成時，人們沒有賦予系統應有的功能結構機制所致。

4．結論

1）．地下淺層巖土層的應用本質是性能優(yōu)良的蓄熱體；

2）．地源熱泵空調系統能夠高效節(jié)能運行的本質是將淺層巖土層作為性能良好的蓄熱體，夏蓄熱冬用、冬蓄冷夏用，蓄冷量、蓄熱量再生循環(huán)利用的結構運行機制，給地源熱泵空調系統造成一個穩(wěn)定的、良好的、高效的工作運行環(huán)境。

3）．中央空調系統的靈魂是“實時跟蹤建筑物冷（熱）負荷的變化”，中央空調節(jié)能的精髓是“花最小的代價，實現實時跟蹤建筑物冷（熱）負荷的變化。”

4）．空調系統節(jié)能的屬性是因為它有節(jié)能的整體結構。要使空調系統節(jié)能減排效果顯著，必須轉變現行的系統集成的理念。

作者簡介：

曹琦，男，河南1940年2月生，教授，西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院，建筑環(huán)境與設備工程系；  

研究方向：用“系統思考”的理念，研究空調系統節(jié)能、智能建筑節(jié)能技術；

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