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1、1地源热泵和地热蓄能在欧 洲的现状摘要：迄今为止地热热泵已经 应用 了 50 余年（第一个地热热泵出现在美国），但是这项技术的市场渗透却仍然还在起步阶段，因为化石燃料和空气-空气热泵早已分别占据了室内供暖和室内供冷市场的统治地位。在德国、瑞士、奥地利、瑞典、丹麦、挪威、法国和美国，大量的地热热泵已经是可运作了的， 目前 争论的主要 问题 在于安装指导、质量管理和承包商证明。 关键词：地源热泵 地热蓄能 1介绍首先，列出本文中将被频繁使用到的缩写词如下：地源热泵GSHP（Ground Source Heat Pump）；埋管换热器BHE（Borehole Heat Exchanger）（注：在美
2、国，公认的术语则是“竖直环路” ）；地热蓄能 UTES（Underground The rmal Energy Storage）。大多数的欧洲国家并未拥有足量的可以直接拿来使用的地下热水资源（但像冰岛、匈牙利和法国等国家则不在此例）。应用低焓蓄水层来向大量的用户供暖也只是局限于具有特殊地质背景的地区。在这种情况下，在非集中式的 GSHP 系统中利用普遍存在的浅层地热资源成为了必然的选择。如此一来，在大多数欧洲国家，这项技术在应用领域的快速成长日益浮现和 发展 。结果是该系统的快速的市2场渗透，从事该领域的商业公司的数目持续增长，并且他们的产品也已经足够出名到能够被收录进“黄页”了。在这项技术市
3、场发展出现得最多的的欧洲中部和北部，那里的气候是整个欧洲最需要室内供暖的，但是在那里空调却很少需要。因此，不同于美国的“地热热泵” ，欧洲的热泵通常主要工作在制热模式下。但是在欧洲南部，尤其是在希腊和土耳其西部，GSHP 装置最近才仅仅通过论证的阶段；在瑞士的技术支持下，希腊于 1993 年安装了第一个利用 BHE 的 GSHP 实验装置Papageorgakis，1993。受此 影响 ，随后在雅典的国家技术大学校内的矿业工程大楼项目中，也采用了复合有地下水井和 BHE 的地热热泵方式来对建筑物进行供暖和供冷Karytsas 等，2002；很快，这项项目就有了其他的追随者Mendrinos 等
4、，2002。在广泛的商业应用、持续的供冷需求以及眼下该技术在欧洲南部的日益推广的共同作用下，这种既能供暖又能供冷的技术在将来一定会有更加重要的地位。2GSHP 技术概况地源热泵（GSHP），又名地热热泵，实际上都是热泵和与大地换热系统的复合物（图1）。他们基本上都含有一个地下换热器（称这种系统为“闭环系统” ），或是一个用井中的地下水来运行的系统（称这种系统为“开环系统” ）。热量能通过以下几种方式从地下提取出来：地下水井（即所谓的“开式系统” ）；竖直埋管换热器（即 BHE）；水平埋管换热器（包括带管沟、螺旋管等的紧凑型系统）3；所谓的“地下构造物” （装有换热器的基桩）。多年的实验和 理论
5、 研究 （现场测量和数学模型仿真）为 BHE 系统的设计和性能评估打下了详尽坚实的基础见 Knoblich 等，1993；Rybach 和 Hopkirk，1995；Rybach 和 Eugster，1997。在20 世纪 80 年代里，瑞典主要从事了对 BHE 系统的理论热量的 分析 Claesson 和 Eskilson，1988；Eskilson 和Claesson，1988，而瑞士进行了监测和仿真Gilby 和Hopkirk，1985；Hopkirk 等，1988，德国则在实验室里完成了对地下传热的测量Sanner，1986。图1 表示了一个典型的BHE 装置。在制热工况下运行时，此类
6、系统以大地作为热源，用液体（通常是水或是水与防冻剂的混合物）作为从大地转移热量到热泵蒸发器的媒介，如此来利用地热。在制冷工况下，系统则以大地作为冷源。每输出 1kWh 的热量或冷量，他们通常只消耗 0.220.35kWh 的电能，较之使用空气作为热/冷源的空气-空气热泵，在相同时间里节省了 3050%的能耗。在额定工况的条件下，热泵产出的有效能量与其所耗电能的比率被定义为“性能系数”即 COP（Coefficient of Performance）。COP 值主要取决于从地下回路中出来的即将进入热泵的水的温度，而入口水温又主要取决于当地的地质条件（地下热能和地下水的参数，气候环境）和热泵的技术
7、参数（地下换热器的长度、类型，灌浆的原料、类型和质量，等等）。影响一台热泵的 COP 值的其他因素有热/冷负荷，建筑物供4暖/冷系统的类型和相关的设计供给温度。在地表下约 10m 深处，地下温度全年基本上都是不变的（主要取决于当地天气的情况和周围介质的温度），而且随着距地表处深度的增加温度的增幅却不大，因此，BHE 显示出了比水平埋管换热器更好的运行性能和节能效果。在美国，水源热泵工程委员会对各种模型在不同标准下进行了效率对比的实验室测试。结果是对比达到指定 COP 值时的额定功耗，地下环路热泵少了超过 40kW 的功耗，所用指定值为现有的 ARI（空调制冷学会）标准所指定的 COP 值，其最
8、低值在制热时为 2.5，在制冷时为 2.9。该委员会建议对在 ASHRAE（美国供暖制冷空调工程师协会）90.1 标准中所推荐的水源热泵允许效率下限值进行以下调整，到 2001 年地下环路系统的允许效率下限值在制热时为 3.1，在制冷时为 3.9。在欧洲的瑞士热泵测试中心，由与上述测量相似的测量所得出的评价也充分证明了这种热泵的效率之高。在热源温度为 0时，供暖温度为 35时 COP 值几乎可以达到 5.0，供暖温度为 60时 COP 值为 3.5（见图2）。尽管现有的地源热泵的 COP 最高值在 4.5 左右，但是他们运行时的 COP 平均值却不高。这个通常也被成为“周期性能因数”即 SPF
9、（Seasonal Performance Factor）的 COP 平均值，被定义为在机组运行时的 COP 值的平均数，一般都在SPF=3.03.8 的范围内。对于属于地热热泵范畴的所有系统，或是任何一个有适宜建筑物使用的供暖系统，如果对其应用5较高品质的标准，其 SPF 的值也能达到 SPF=4.0 的水平，但是如此一来，却不能再从热泵处获得一般都能由此获得的生活热水了。在使用 BHE 时，能否达到指定的能量产出量在于埋管长度是否足够，而埋管长度则主要取决于土壤的特性，包括温度、含水量、颗粒的形状尺寸和传热系数。BHE 的正确尺寸是而且总是设计中所关注的问题，另外与 BHE 邻近并接触的土
10、壤的地质特性也受到了特别的关注。而最关键之处在于建筑物的负荷，埋管间距，埋管填充材料和当地土壤特性。由于投入了很高的初投资费用，如果埋管的尺寸过大的话，我们将会付出比常规的系统费用更大的代价。在这一方面，应该提到两项近年来很重要的技术发展：能当场判定地热参数的热反应测试；能提高导热系数的灌浆材料的应用。在热反应测试中Sanner 等，2000，使 BHE 承担一个已设定好的热负荷，然后测出在循环中最终的温度变化（图3）。由于通过这项技术确定的埋管尺寸是以可靠的地下数据为基础的，因此从 1999 年年中起，在欧洲中部的大容量BHE 设计中也开始采用了该项技术。热反映测试早在 1995年就在瑞典和
11、美国得到了率先发展Eklof 和Gehlin，1996；Austin，1998；目前，已经在包括土耳其在内的许多国家得到了应用。在使用了可靠的设计软件之后Hellstrom 和 Sanner，1994；Hellstrom 等，1997，即便是在大型的应用中，BHE 也能成为一种安全可靠的技术。增强导热6的灌浆材料在美国已有近 10 年的应用了，现在在欧洲也同样能买到它。这种材料的应用使得埋管热阻有了明显的降低（图4），而埋管热阻则决定着温度恒定的地下和 BHE 管里面的流体两者之间的温度损失。在图4 的表格中给出了典型 BHE 的一些数据，通过对不同灌浆材料的 BHE 应用热反映测试，也能在现
12、场证明其使用效果。3市场机遇和阻碍在BHE 设计中经常遇到的 问题 包括缺乏适当的溢流地点、确定压降和控制参数、填充物渗透腐蚀、工艺粗糙、选择管材和循环传热的流体。所有上述问题给地源热泵的市场渗透带来了明显阻碍，也对负责其安装的工程师和承包商提出了质量要求。在地热热泵售价较高的国家（如瑞典，瑞士和德国），为了防止其出现质量低下和寿命不足的情况，采取了强制实施技术指南、承包商证明和质量奖励等措施来保护该项产业及其消费者。现有的地热热泵的特征使得他们只能适用于在低温供暖系统中的运行，这样或多或少地限制了他们在新建筑物中的 应用 ，因为他们的设计不能满足向供暖系统提供高温热水的要求，而这种较老的供暖
13、系统在整个欧洲的建筑物中都普遍存在。用来向风机盘管、地板供暖系统或是低温辐射供暖器提供热水的热泵通常将水流的温度从 40加热到45，水流在建筑物的供暖系统中循环的最高温度为 50。所提供的热水温度越高，热泵的 COP 值就越低。在 ISO（国际标准化组织）13256-2 标准中，水-水系统中流入室内用户侧的7热水，其温度的标准值和测验最高值分别为 40和 50，在某些欧洲国家的指导方针中，其温度的最高值则为 55。上述温度的上限值把商用热泵的应用范围限制在了诸如风机盘管、低温辐射供暖器和地板供暖一类的低温供暖系统中。然而在整个欧洲的许多建筑物中，所安装的传统供暖系统通常由燃烧化石燃料的锅炉和标
14、准的散热器构成，此即所谓的高温供暖系统。这些散热器系统设计使用的热水温度为8090，温差为 1020。如果商用热泵的设计所提供的热水温度上升到 50或 60，温差为 56，那么他们在现有建筑物中的安装将会使得高温供暖系统全部被低温供暖系统所替代，包括将散热器替换为风机盘管或其他的高级系统和安装大管径的供水管道。最近瑞士已经开发出了一种能够提供 65热水的热泵SATAG/Viessmann；http：/www.satagthermotechnik.ch/english/aktuell.htm，这个可以看作是向占领较老建筑物的换代市场中迈出的第一步。很难查明在欧洲已经安装了的热泵的可靠数目，尤其是
15、独立的热源。图5 给出了近期欧洲几个应用热泵的主要国家已经安装的机组的数目。瑞士在 2001 年的数目非常高是因为有大量的废气和其他空气-空气热泵的应用，同时瑞士拥有 GSHP 的数目在欧洲也是最高的（见图5 中的1998 年的数据）。除了瑞典和瑞士之外，就总体而言我们还是可以得出在欧洲，GSHP 的市场渗透还是不高的结论（表1）。8可以预测，将来还有很多机会来深化市场的 发展 ，而且这项技术的前景也支持了以上预测。瑞士庞大的装机容量的事例（图6）给了其他国家很大鼓舞。在德国，2002 年 GSHP（包括了地源热泵和水源热泵）占有了约 82%的装机容量，同样有着乐观的前景（图7）。参考 文献 （略）
