地源熱泵的特點及發展前景
時間:2022-02-18
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近年來，隨著我國社會經濟的發展及人民生活水平的不斷提高，改善建筑熱舒適條件已成為一個比較突出的要求。空調作為目前改善建筑熱舒適條件的工具，早已悄悄進入我們的生活。據有關方面調查，在上海空調家庭擁有率已達到平均1臺以上。然而，隨著空調設備的日益普及，建筑耗能量勢必將迅猛增加，對大氣環境的污染也將日趨嚴重。如何在建筑熱舒適條件得到改善的條件下把建筑耗能量減下來，減輕對大氣環境的污染，成了暖通界人士首要其沖需要解決的問題。現階段，在保證使用功能不降低的情況下，我們應采取各種有效的技術和管理措施，把新建房屋建筑的能耗較大幅度地降下來，對原有建筑物有計劃地進行節能改造，達到節省能源、保護環境和提高人民生活質量的目的.地源熱泵作為一種有益環境、節約能源和經濟可行的建筑物供暖及制冷新技術越來越受到關注。它是利用地下相對穩定的土壤溫度，通過媒介質來獲取土壤內冷（熱）能量的新型裝置，可一年四季方便地調節建筑內的溫度。由于該制冷供熱方式不存在能量形式的轉換，幾乎是一種能量的“搬運”過程，因而其能量轉換效率高、運營成本低.
同時，地源熱泵系統也為改善夏熱冬冷地區建筑熱條件這個世界性難題提供了很好的解決辦法.夏熱冬冷地區，其七月氣溫比同緯度其他地區一般高出2℃左右，是在這個緯度范圍內除沙漠干旱地區以外最炎熱的地區；再加上這個地區水網地帶多，十分潮濕，濕度常保持在80%左右，由于人體排汗難以揮發，普遍感到悶熱難受。而一月的氣溫比同緯度其他地區一般要低8—10℃，而且濕度又高，達到73%～83%；這期間日照相對又較少，潮濕水汽從人體中吸收熱量，因而陰冷寒涼。然而由于長江中下游地區是傳統上的非采暖地區，居住建筑缺乏節能設計標準，建筑圍護結構的保溫隔熱性能要比采暖地區差得多；夏季通常采用風冷空調來供冷，冬天人們往往又借助于高位能的電來采暖。因此，該地區的能量使用效率相當低。考慮到該地區夏季供冷天數和冬季供熱天數相當，地源熱泵系統可以充分發揮地下蓄能的特點，進行能量季節遷移，用最少的能耗獲得最大的受益。
1、地源熱泵的分類及其各自特點地源熱泵在國內也被稱為地熱泵
根據利用地熱源的種類和方式不同可以分為以下三類：土壤源熱泵或稱土壤耦合熱泵（GCHP），地下水熱泵（GWHP），地表水熱泵（SWHP）。
1.1 土壤源熱泵
土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。土壤源熱泵系統主機通常采用水—水或熱泵機組或水—氣熱泵機組。根據地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類。
垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分為淺層（<30m），中層（30～100m）和深層（>100m）三種。埋管深，地下巖土溫度比較穩定，鉆孔占地面積較少，但相應會帶來鉆孔、鉆孔設備的經費和高承壓埋管的造價提高。總的來說，垂直埋管換熱器熱泵系統優勢在于：（1）占地面積小；（2）土壤的溫度和熱特性變化小；（3）需要的管材最少，泵耗能低；（4）能效比很高。而劣勢主要在于：由于相應的施工設備和施工人員的缺乏，造價偏高。
水平埋管換熱器有單管和多管兩種形式。其中單管水平換熱器占地面積最大，雖然多管水平埋管換熱器占地面積有所減少，但管長應相應增加來補償相鄰管間的熱干擾。水平埋管換熱器熱泵系統由于施工設備廣泛使用而且施工人員易找，又加上許多家庭有足夠大的施工場地，因此造價就可以減下來。除需要較大場地外，水平埋管換熱器系統的劣勢還在于：運行性能上不穩定（由于淺層大地的溫度和熱特性隨著季節、降雨以及埋深而變化）；泵耗能較高；系統效率降低。
蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限又較經濟的情況下。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器20%～30%，但是用管量會明顯增加。這種方式優缺點類似于水平埋管換熱器，所以有的文獻將其歸入水平埋管換熱器。
1.2 地下水熱泵系統
在土壤源熱泵得到發展以前，歐美國家最常用的地源熱泵系統是地下水熱泵系統。目前在民用中已經很少使用，主要應用在商業建筑中。最常用的系統形式是采用水—水式板式換熱器，一側走地下水，一側走熱泵機組冷卻水。早期的地下水系統采用的是單井系統，即將地下水經過板式換熱器后直接排放。這樣做，一則浪費地下水資源，二則容易造成地層塌陷，引起地質災害。于是產生了雙井系統，一個井抽水，一個井回灌。地下水熱泵系統的優勢是造價要比土壤源熱泵系統低，另外水井很緊湊，不占什么場地，技術也相對比較成熟，水井承包商也容易找。其劣勢就在于：1.有些地方法規禁止抽取或回灌地下水；2.可供的地下水有限；3.如水質不好或打井不合格要注意水處理；4.如泵選擇過大、控制不良或水井與建筑偏遠，泵耗能就會過大。
1.3 地表水熱泵系統
地表水熱泵系統主要有開路和閉路系統。在寒冷地區，開路系統并不適用，只能采用閉路系統。總的來說，地表水熱泵系統具有相對造價低廉、泵耗能低、維修率低以及運行費用少等優點。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他設備容易受到損害。另外，如果湖泊過小或過淺，湖泊的溫度會隨著室外氣候發生較大的變化，這就會產生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果。
圖1 地源熱泵的分類
2 地源熱泵在國外的發展“地源熱泵”的概念最早出現在1912年瑞士的一份專利報告中，該技術的提出始于英、美兩國。1946年，美國第一臺地源熱泵系統在俄勒岡州的波蘭特市中心區安裝成功。但是受當時工業時代的影響，這種能源的利用方式沒有引起當時社會各界的廣泛注意，無論是在技術、理論上都沒有太大的發展。
上世紀70年代初期，由于石油危機的出現和環境的惡化，引發了人們對新能源的開發和利用，因而地源熱泵以其節能的特點開始受到重視。這時，北歐國家的科技工作者開始了地源熱泵的實際應用研究與開發，并得到了國家政府的大力支持。1974年起，瑞士、荷蘭和瑞典等國家政府資助的示范工程逐步建立起來，地源熱泵生產技術逐步完善。從系統技術來說，此期的地下熱傳導體系大多數采用的是地下水直接利用方式，要求有一定的水溫，而且技術相對粗糙，甚至沒有回灌井。70年代后期，瑞典科學家開始研究地下開放式的循環采熱系統。
上世紀80年代是地源熱泵技術飛速發展的時期。這一時期，美國的地源熱泵生產廠家十分活躍，成立了全國地源熱泵生產商聯合會，并逐步完善了安裝工程網絡。歐洲國家以瑞士、瑞典和奧地利等國家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術，國家政府采取了相應的補貼政策和保護政策，使得地源熱泵生產和使用范圍迅速擴大。
上世紀80年代后期，地源熱泵技術已經臻于成熟，更多的科學家致力于地下系統的研究，努力提高熱吸收和熱傳導效率，同時越來越重視環境的影響問題。地源熱泵生產呈現逐年上升趨勢，瑞士和瑞典的年遞增率超過10%.此期美國的地源熱泵生產和推廣速度很快，技術產生了飛躍性的發展，成為世界上地源熱泵生產和使用的頭號大國。
上世紀90年代以來，歐美國家的科技工作者的聯系更加密切，共同對地源熱泵有關的環境問題開展了廣泛和深入的研究。1995年的國際地熱學術會上，英國學者Curtis代表國際地熱組織發表了一篇關于應用土壤源熱泵系統的調查報告，其中總結性地結論為：
1）土壤源熱泵系統是世界能源市場的成熟技術之一，與現存的用電供熱/制冷技術相比具有穩定性能好、可靠性高、花費更少的優勢；
2）土壤源熱泵系統經濟上與燃油和燃氣鍋爐不相上下；
3）如果考慮到包括環境效益、能源保障和長期利用在內，土壤源熱泵系統是最好、技術含量最高的替代產品。根據國際上1995—1999年的數字統計，發達國家地源熱泵產品的發展勢頭十分可觀。美、歐、日等國家的地源熱泵利用情況如下：
1）美國：地源熱泵系統已經安裝了20萬套以上，每年遞增約20%，估計到2000年，每年可安裝5-6萬套地源熱泵系統，其中4萬套為土壤源熱泵系統。美國每年新建獨立家庭住宅（別墅）一百萬座，其中四分之一采用地板采熱方式，這是與地源熱泵可以直接配套的地上導熱系統，也是土壤源熱泵系統的潛在市場。 另一方面，美國政府十分關注地源熱泵技術的發展和市場推廣情況，能源部與大學的研究機構極力促進有關的企業和民間科技力量參與，曾經就地源熱泵能否列為國家公用計劃而進行了多年的調研。美國政府曾經資助過十幾項重大的地源熱泵實驗示范項目，并在20多個州鼓勵市政部門和公立學校、醫院等率先安裝地源熱泵采暖和制冷系統。一項樂觀的研究報告認為，到2000年以后，美國的地源熱泵安裝數量將每年以35%的速度遞增。
2）加拿大：地源熱泵技術發展稍晚，其中封閉循環地源熱泵系統在加拿大剛剛開始，至1994年，僅有7000—8000套封閉循環地源熱泵系統投入使用，加上開放系統地熱泵總數不超過萬臺。
3）瑞典：在地源熱泵應用的初期，瑞典政府采取了一定的補貼政策。1990年以來，政府補貼取消，但地源熱泵安裝仍以1000套/年的速度遞增。瑞典全國已經安裝了23萬套地源熱泵，其中約5萬套為土壤源熱泵系統。
4）瑞士：瑞士世界上地源熱泵應用人均比例最高的國家，其中土壤源熱泵系統所占的比例越來越高，至1998年，土壤源熱泵系統已經占有地源熱泵安裝市場的70%以上（據Rybach， 1999），總數達到20萬臺以上，號稱世界上土壤源熱泵系統密度最大的國家。瑞士地源熱泵總裝機容量的增加從上世紀70年代末一直延續至今，呈直線上升趨勢。
5）奧地利：奧地利是一個獨立發展地源熱泵技術的國家，地源熱泵生產技術和安裝技術自成體系。奧地利國土面積83850 km2，人口數量約750萬。據1995年統計資料，土壤源熱泵系統占地源熱泵安裝的65%以上。另外，奧地利政府對地源熱泵安裝和及其環境評價采取了最嚴格的發證制度。
6）日本：日本的熱泵制造技術是相當不錯的，水-水式供暖熱泵的數量也名列世界前茅，年生產量達到400萬臺。但是由于日本有豐富的熱水資源、日本土地使用費用相當昂貴，所以作為住宅供暖/制冷的地源熱泵應用還十分少見，而主要供應給冰蓄熱采暖/制冷系統和水箱式采暖/制冷系統。一些市政建設項目和公益性建筑（如醫院、養老院、道路等）曾利用地熱泵做供暖/制冷/熱水供應/道路融雪等綜合性服務，效果頗佳。
從地源熱泵應用情況來看，北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應用情況對我國地源熱泵的發展有著借鑒意義。
3、地源熱泵在中國的發展現狀及前景目前在中國，地下水熱泵系統已開始廣泛使用，而土壤源熱泵系統尚處于研究機構工程摸索和研究階段。
從有關調查來看，地下水熱泵工程真正成功的并不多.原因在于要實現100%的回灌，并回灌到同一含水層，不污染地下水，且能長時間穩定運行，并不容易做到。同時，還出現了大量不進行回灌的熱泵工程，更有甚者，出現了直接利用地下水通入風機盤管內進行空調。這樣做，一則污染水體，二則浪費水資源。
對于土壤源熱泵的發展主要是從1998年開始。國內數家大學建立了土壤源熱泵實驗臺，且大多數進行了地下換熱器與地面熱泵設備的長期聯合運行。其中1998年重慶建筑大學建設了包括淺埋豎埋管換熱器和水平埋管換熱器在內的熱泵系統；1998年青島建工學院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統；湖南大學1998年建設了水平埋管土壤源熱泵系統；1999同濟大學建設了垂直土壤源熱泵系統。這些系統為中國推廣土壤源熱泵奠定了基礎。從2000年開始，在國內長春、濟南、溫州、重慶、米泉建立了一系列土壤源熱泵系統的示范工程。土壤源熱泵系統越來越多的被房地產商所關注和采用。
鑒于國內的國情和地源熱泵系統自身的特點，我們對其各自的前景作一分析。隨著地下水熱泵工程技術改進和規范化，由于其突出的節能和保護大氣環境的功能，還是存在著巨大的潛在的市場.水平埋管土壤源熱泵，雖然占地面積大，但靠地表換熱可以自然恢復地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區應用比較有優勢.而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業安裝隊伍的發展，鉆孔設備的完善，勢必會使造價大幅度降低，無疑會成為今后最有競爭力空調方式.
4、土壤源熱泵與普通中央空調方式的比較土壤源熱泵作為地源熱泵今后發展的主要方向，我們將其與普通中央空調方式作以下五方面的比較.
1）主機設置
對于普通中央空調系統，若設置風冷熱泵機組進行冷熱空調，則風冷熱泵主機的設置必須要與外界通風良好，要么設置于屋頂，要么設置于地面，這對別墅空調受限就更嚴重，對于公共建筑，熱泵主機也就局限設置在屋頂。因此，普通中央空調的熱泵主機的設置受到極大的限制。而土壤源熱泵主機的設置就非常靈活，可以設置在建筑物的任何位置，而不受考慮位置設置的限制。若設置冷水機組＋鍋爐進行冷熱空調，冷卻塔和鍋爐的位置就更受限制。因此，就主機的設置而言，地源熱泵系統的主機設置是非常靈活的。
2）運行效率
對于普通中央空調系統，不管是采用風冷熱泵機組還是采用冷卻塔的冷水機組，無一例外的要受外界天氣條件的限制，即空調區越需要供冷或供熱時，主機的供冷量或供熱量就越不足，即運行效率下降，這在夏熱冬冷地區的使用就受到了影響。而土壤源熱泵機組與外界的換熱是通過大地，而大地的溫度很穩定，不受外界空氣的變化而影響運行效率，因此，土壤源熱泵的運行效率是最高的。
3）控制系統
在北方地區，風冷熱泵在冬季使用時，有沖霜問題，對于熱泵的沖霜，需要專門的控制設施，即在沖霜過程中，主機要進行逆向循環，室內空調系統的室溫控制就要受到限制，而土壤源熱泵系統就根本不存在這些問題。
4）環境保護
從土壤源熱泵的整個運行原理來看，土壤源熱泵系統實際是真正意義的綠色環保空調，不管是冬季還是夏季的運行，都不會對建筑外大氣環境造成不良影響。而普通中央空調系統，將廢熱氣或水蒸氣排向室外環境，無一例外的都對環境造成了極大的污染。
5）運行費用
一般說來，土壤源熱泵系統的運行費比風冷熱泵的運行費節約30～40%，這主要在運行效率上得以體現。達到相同的制冷制熱效率，土壤源熱泵主機的輸入功率較小，即為業主提供了較低運行費的空調系統，在全年時間使用空調的場所，這種效果尤為明顯。
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作者：吳永華
