地源熱泵的特點及發(fā)展前景
時間:2022-02-18
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近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)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(diào)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(jù)有關(guān)方面調(diào)查，在上?？照{(diào)家庭擁有率已達到平均1臺以上。然而，隨著空調(diào)設(shè)備的日益普及，建筑耗能量勢必將迅猛增加，對大氣環(huán)境的污染也將日趨嚴(yán)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(huán)境的污染，成了暖通界人士首要其沖需要解決的問題?，F(xiàn)階段，在保證使用功能不降低的情況下，我們應(yīng)采取各種有效的技術(shù)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(jié)能改造，達到節(jié)省能源、保護環(huán)境和提高人民生活質(zhì)量的目的.地源熱泵作為一種有益環(huán)境、節(jié)約能源和經(jīng)濟可行的建筑物供暖及制冷新技術(shù)越來越受到關(guān)注。它是利用地下相對穩(wěn)定的土壤溫度，通過媒介質(zhì)來獲取土壤內(nèi)冷（熱）能量的新型裝置，可一年四季方便地調(diào)節(jié)建筑內(nèi)的溫度。由于該制冷供熱方式不存在能量形式的轉(zhuǎn)換，幾乎是一種能量的“搬運”過程，因而其能量轉(zhuǎn)換效率高、運營成本低.
同時，地源熱泵系統(tǒng)也為改善夏熱冬冷地區(qū)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(qū)，其七月氣溫比同緯度其他地區(qū)一般高出2℃左右，是在這個緯度范圍內(nèi)除沙漠干旱地區(qū)以外最炎熱的地區(qū)；再加上這個地區(qū)水網(wǎng)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(fā)，普遍感到悶熱難受。而一月的氣溫比同緯度其他地區(qū)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(qū)是傳統(tǒng)上的非采暖地區(qū)，居住建筑缺乏節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能要比采暖地區(qū)差得多；夏季通常采用風(fēng)冷空調(diào)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(qū)的能量使用效率相當(dāng)?shù)?。考慮到該地區(qū)夏季供冷天數(shù)和冬季供熱天數(shù)相當(dāng)，地源熱泵系統(tǒng)可以充分發(fā)揮地下蓄能的特點，進行能量季節(jié)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(nèi)也被稱為地?zé)岜?br> 根據(jù)利用地?zé)嵩吹姆N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(tǒng)主機通常采用水—水或熱泵機組或水—氣熱泵機組。根據(jù)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(wěn)定，鉆孔占地面積較少，但相應(yīng)會帶來鉆孔、鉆孔設(shè)備的經(jīng)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(tǒng)優(yōu)勢在于：（1）占地面積?。唬?）土壤的溫度和熱特性變化??；（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(yīng)的施工設(shè)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(yīng)相應(yīng)增加來補償相鄰管間的熱干擾。水平埋管換熱器熱泵系統(tǒng)由于施工設(shè)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(tǒng)的劣勢還在于：運行性能上不穩(wěn)定（由于淺層大地的溫度和熱特性隨著季節(jié)、降雨以及埋深而變化）；泵耗能較高；系統(tǒng)效率降低。
蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限又較經(jīng)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(yōu)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(tǒng)
在土壤源熱泵得到發(fā)展以前，歐美國家最常用的地源熱泵系統(tǒng)是地下水熱泵系統(tǒng)。目前在民用中已經(jīng)很少使用，主要應(yīng)用在商業(yè)建筑中。最常用的系統(tǒng)形式是采用水—水式板式換熱器，一側(cè)走地下水，一側(cè)走熱泵機組冷卻水。早期的地下水系統(tǒng)采用的是單井系統(tǒng)，即將地下水經(jīng)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(zhì)災(zāi)害。于是產(chǎn)生了雙井系統(tǒng)，一個井抽水，一個井回灌。地下水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢是造價要比土壤源熱泵系統(tǒng)低，另外水井很緊湊，不占什么場地，技術(shù)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(guī)禁止抽取或回灌地下水；2.可供的地下水有限；3.如水質(zhì)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(yuǎn)，泵耗能就會過大。
1.3 地表水熱泵系統(tǒng)
地表水熱泵系統(tǒng)主要有開路和閉路系統(tǒng)。在寒冷地區(qū)，開路系統(tǒng)并不適用，只能采用閉路系統(tǒng)?？偟膩碚f，地表水熱泵系統(tǒng)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(yōu)點。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他設(shè)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(fā)生較大的變化，這就會產(chǎn)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(fā)展“地源熱泵”的概念最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利報告中，該技術(shù)的提出始于英、美兩國。1946年，美國第一臺地源熱泵系統(tǒng)在俄勒岡州的波蘭特市中心區(qū)安裝成功。但是受當(dāng)時工業(yè)時代的影響，這種能源的利用方式?jīng)]有引起當(dāng)時社會各界的廣泛注意，無論是在技術(shù)、理論上都沒有太大的發(fā)展。
上世紀(jì)70年代初期，由于石油危機的出現(xiàn)和環(huán)境的惡化，引發(fā)了人們對新能源的開發(fā)和利用，因而地源熱泵以其節(jié)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(yīng)用研究與開發(fā)，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(chǎn)技術(shù)逐步完善。從系統(tǒng)技術(shù)來說，此期的地下熱傳導(dǎo)體系大多數(shù)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(shù)相對粗糙，甚至沒有回灌井。70年代后期，瑞典科學(xué)家開始研究地下開放式的循環(huán)采熱系統(tǒng)。
上世紀(jì)80年代是地源熱泵技術(shù)飛速發(fā)展的時期。這一時期，美國的地源熱泵生產(chǎn)廠家十分活躍，成立了全國地源熱泵生產(chǎn)商聯(lián)合會，并逐步完善了安裝工程網(wǎng)絡(luò)。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(shù)，國家政府采取了相應(yīng)的補貼政策和保護政策，使得地源熱泵生產(chǎn)和使用范圍迅速擴大。
上世紀(jì)80年代后期，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)臻于成熟，更多的科學(xué)家致力于地下系統(tǒng)的研究，努力提高熱吸收和熱傳導(dǎo)效率，同時越來越重視環(huán)境的影響問題。地源熱泵生產(chǎn)呈現(xiàn)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(chǎn)和推廣速度很快，技術(shù)產(chǎn)生了飛躍性的發(fā)展，成為世界上地源熱泵生產(chǎn)和使用的頭號大國。
上世紀(jì)90年代以來，歐美國家的科技工作者的聯(lián)系更加密切，共同對地源熱泵有關(guān)的環(huán)境問題開展了廣泛和深入的研究。1995年的國際地?zé)釋W(xué)術(shù)會上，英國學(xué)者Curtis代表國際地?zé)峤M織發(fā)表了一篇關(guān)于應(yīng)用土壤源熱泵系統(tǒng)的調(diào)查報告，其中總結(jié)性地結(jié)論為：
1）土壤源熱泵系統(tǒng)是世界能源市場的成熟技術(shù)之一，與現(xiàn)存的用電供熱/制冷技術(shù)相比具有穩(wěn)定性能好、可靠性高、花費更少的優(yōu)勢；
2）土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟上與燃油和燃?xì)忮仩t不相上下；
3）如果考慮到包括環(huán)境效益、能源保障和長期利用在內(nèi)，土壤源熱泵系統(tǒng)是最好、技術(shù)含量最高的替代產(chǎn)品。根據(jù)國際上1995—1999年的數(shù)字統(tǒng)計，發(fā)達國家地源熱泵產(chǎn)品的發(fā)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(tǒng)已經(jīng)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(tǒng)，其中4萬套為土壤源熱泵系統(tǒng)。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(dǎo)熱系統(tǒng)，也是土壤源熱泵系統(tǒng)的潛在市場。 另一方面，美國政府十分關(guān)注地源熱泵技術(shù)的發(fā)展和市場推廣情況，能源部與大學(xué)的研究機構(gòu)極力促進有關(guān)的企業(yè)和民間科技力量參與，曾經(jīng)就地源熱泵能否列為國家公用計劃而進行了多年的調(diào)研。美國政府曾經(jīng)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(xué)校、醫(yī)院等率先安裝地源熱泵采暖和制冷系統(tǒng)。一項樂觀的研究報告認(rèn)為，到2000年以后，美國的地源熱泵安裝數(shù)量將每年以35%的速度遞增。
2）加拿大：地源熱泵技術(shù)發(fā)展稍晚，其中封閉循環(huán)地源熱泵系統(tǒng)在加拿大剛剛開始，至1994年，僅有7000—8000套封閉循環(huán)地源熱泵系統(tǒng)投入使用，加上開放系統(tǒng)地?zé)岜每倲?shù)不超過萬臺。
3）瑞典：在地源熱泵應(yīng)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(jīng)安裝了23萬套地源熱泵，其中約5萬套為土壤源熱泵系統(tǒng)。
4）瑞士：瑞士世界上地源熱泵應(yīng)用人均比例最高的國家，其中土壤源熱泵系統(tǒng)所占的比例越來越高，至1998年，土壤源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)占有地源熱泵安裝市場的70%以上（據(jù)Rybach， 1999），總數(shù)達到20萬臺以上，號稱世界上土壤源熱泵系統(tǒng)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(jì)70年代末一直延續(xù)至今，呈直線上升趨勢。
5）奧地利：奧地利是一個獨立發(fā)展地源熱泵技術(shù)的國家，地源熱泵生產(chǎn)技術(shù)和安裝技術(shù)自成體系。奧地利國土面積83850 km2，人口數(shù)量約750萬。據(jù)1995年統(tǒng)計資料，土壤源熱泵系統(tǒng)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(huán)境評價采取了最嚴(yán)格的發(fā)證制度。
6）日本：日本的熱泵制造技術(shù)是相當(dāng)不錯的，水-水式供暖熱泵的數(shù)量也名列世界前茅，年生產(chǎn)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(dāng)昂貴，所以作為住宅供暖/制冷的地源熱泵應(yīng)用還十分少見，而主要供應(yīng)給冰蓄熱采暖/制冷系統(tǒng)和水箱式采暖/制冷系統(tǒng)。一些市政建設(shè)項目和公益性建筑（如醫(yī)院、養(yǎng)老院、道路等）曾利用地?zé)岜米龉┡?制冷/熱水供應(yīng)/道路融雪等綜合性服務(wù)，效果頗佳。
從地源熱泵應(yīng)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(lián)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(yīng)用情況對我國地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。
3、地源熱泵在中國的發(fā)展現(xiàn)狀及前景目前在中國，地下水熱泵系統(tǒng)已開始廣泛使用，而土壤源熱泵系統(tǒng)尚處于研究機構(gòu)工程摸索和研究階段。
從有關(guān)調(diào)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(xiàn)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(wěn)定運行，并不容易做到。同時，還出現(xiàn)了大量不進行回灌的熱泵工程，更有甚者，出現(xiàn)了直接利用地下水通入風(fēng)機盤管內(nèi)進行空調(diào)。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(fā)展主要是從1998年開始。國內(nèi)數(shù)家大學(xué)建立了土壤源熱泵實驗臺，且大多數(shù)進行了地下?lián)Q熱器與地面熱泵設(shè)備的長期聯(lián)合運行。其中1998年重慶建筑大學(xué)建設(shè)了包括淺埋豎埋管換熱器和水平埋管換熱器在內(nèi)的熱泵系統(tǒng)；1998年青島建工學(xué)院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統(tǒng)；湖南大學(xué)1998年建設(shè)了水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng)；1999同濟大學(xué)建設(shè)了垂直土壤源熱泵系統(tǒng)。這些系統(tǒng)為中國推廣土壤源熱泵奠定了基礎(chǔ)。從2000年開始，在國內(nèi)長春、濟南、溫州、重慶、米泉建立了一系列土壤源熱泵系統(tǒng)的示范工程。土壤源熱泵系統(tǒng)越來越多的被房地產(chǎn)商所關(guān)注和采用。
鑒于國內(nèi)的國情和地源熱泵系統(tǒng)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(shù)改進和規(guī)范化，由于其突出的節(jié)能和保護大氣環(huán)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(fù)地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區(qū)應(yīng)用比較有優(yōu)勢.而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業(yè)安裝隊伍的發(fā)展，鉆孔設(shè)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(diào)方式.
4、土壤源熱泵與普通中央空調(diào)方式的比較土壤源熱泵作為地源熱泵今后發(fā)展的主要方向，我們將其與普通中央空調(diào)方式作以下五方面的比較.
1）主機設(shè)置
對于普通中央空調(diào)系統(tǒng)，若設(shè)置風(fēng)冷熱泵機組進行冷熱空調(diào)，則風(fēng)冷熱泵主機的設(shè)置必須要與外界通風(fēng)良好，要么設(shè)置于屋頂，要么設(shè)置于地面，這對別墅空調(diào)受限就更嚴(yán)重，對于公共建筑，熱泵主機也就局限設(shè)置在屋頂。因此，普通中央空調(diào)的熱泵主機的設(shè)置受到極大的限制。而土壤源熱泵主機的設(shè)置就非常靈活，可以設(shè)置在建筑物的任何位置，而不受考慮位置設(shè)置的限制。若設(shè)置冷水機組＋鍋爐進行冷熱空調(diào)，冷卻塔和鍋爐的位置就更受限制。因此，就主機的設(shè)置而言，地源熱泵系統(tǒng)的主機設(shè)置是非常靈活的。
2）運行效率
對于普通中央空調(diào)系統(tǒng)，不管是采用風(fēng)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(diào)區(qū)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(qū)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(wěn)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(tǒng)
在北方地區(qū)，風(fēng)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(shè)施，即在沖霜過程中，主機要進行逆向循環(huán)，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的室溫控制就要受到限制，而土壤源熱泵系統(tǒng)就根本不存在這些問題。
4）環(huán)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(tǒng)實際是真正意義的綠色環(huán)?？照{(diào)，不管是冬季還是夏季的運行，都不會對建筑外大氣環(huán)境造成不良影響。而普通中央空調(diào)系統(tǒng)，將廢熱氣或水蒸氣排向室外環(huán)境，無一例外的都對環(huán)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(tǒng)的運行費比風(fēng)冷熱泵的運行費節(jié)約30～40%，這主要在運行效率上得以體現(xiàn)。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(yè)主提供了較低運行費的空調(diào)系統(tǒng)，在全年時間使用空調(diào)的場所，這種效果尤為明顯。
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作者：吳永華
