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1、日本地源热泵利用的可行性研究-Shinji Takasugi, Tsukashi Akazawa, Takashi Okumura Mineyuki Hanano（JMC Geothermal Engineering Co., Ltd., 8-4, Koami-cho, Nihonbashi Chuo-ku, Tokyo.103-0016, Japan ; Japan Metals and Chemicals Co., Ltd., 8-4, Koami-cho, Nihonbashi Chuo-ku,Tokyo. 103-0016, Japan）翻译：赵玉军；校对：苑惠明【摘要】在过去，低位地
2、热资源的潜力并没有得到开发。然而，由于低位地热资源地域广阔（能量以不同温度形式存 在），经评估，低位地热资源的储量是巨大的。因此，为了减少二氧化碳的释放量（引起全球变暖的主要原 因，全球变暖是美国能源和坏境保护局提出的人类而临的最严重问题之），这种未被开发的能源的利用引 起人们极大兴趣。本项可行性研究的冃的是，对影响地源热泵系统推广和普遍应用的有关成本、技术和方法 等不同方而的问题，进行了调查研究。该调查研究是通过搜集地源热泵柑关文献、随机抽查结果、讨论会和专家组的柑关信息而开展的。地源热泵系统现状（間基于能量捉取的目的或者方式，地源热泵 系统可分为3种类型（Kavanaugh, 1991;俄
3、克拉 荷马州大学,1997;地热交换,1998）: （1）利用地 热换热器（或者地耦换热器）的热泵系统。这种 地热换热器可以垂直埋设于钻孔或者约2米深的 沟壕；（2）直接利用地下水的热泵系统；（3）直 接利用地表水（湖、沼泽地或者河流）或者把地 表水用作热源的热泵系统。这种热泵系统需要在 湖、沼泽地或者河流的适当位置安装一些（一系 列）螺旋管。本次调查所检测的系统是一种使用 垂直换热器的地源热泵系统（见图1）。根据地热 换热器的埋设方式,热泵系统可分为水平管式（水 平换热器）和垂直管式（垂直换热器）两种类型。 世界上有许多国家利用地源热泵系统进行空间供 热和制冷，尤其是美国、瑞士和北欧。在美国
4、安 装的热泵装置约为（最小值）300000套，瑞士约 为20000套和北欧约为30000套。在瑞士和北欧, 大多数地源热泵系统主要用于住宅供热和制冷。 在美国，许多大型建筑物也安装了地源热泵系统。 虽然一种热泵系统能够足以满足一座住宅楼或者 大型建筑物的供热和制冷需求，但热泵系统的安 装数量并不一定与使用对象相对应，尤其是在美 国（Rybach 等学者，1992; Rybach 和 Eugster,1997）。地源热泵系统性能价格比评价与利用率提 高的影响性能价格比评价新能源工业综合开发组织（NEDO, 1999） 介绍了日本地源热泵系统的研究、开发和利用情 况。NEDO对瑞士地源热泵系统的成
5、本与其它空 间供热和制冷系统成本做了比较，同时也对日本 热泵系统成本与传统的供热和制冷系统成本做了 比较。对比结果表明，如果地源热泵系统的利用 变得越来越普遍，能够降低垂直换热器钻孔的成 本（安装垂直换热器是初始成本高的主要原因）。 如果同样从政府获得50%的补助金（用于促进地 源热泵系统的推广）,地源热泵装置的安装成本能 在两年内收回。此外，如果假设从政府获得30% 的补助金，地源热泵增加的成本（例如，与传统 供热和制冷系统的成本差异）能在10年内收冋。 如果考虑到地源热泵系统的生命周期成本（例如, 24年），能够收回2050000-3490000日元（约 19000-32000美元）的资金
6、（假定从政府获得30 %的补助金）如果通过使用当地政府下拨的住宅补助金（例 如，占住宅建造成本的2/3）,在多人居住的旧住Feasibility Study On The Utilization Of Geothermal Heat Pump (GHP) Systems In Japan. GHP Bulletin, March 2001.宅安装地源热泵系统，增加的初始成本能在9年 半内收回。如果假设把7%的补助金用于推广地 源热泵系统,增加的初始成本能在5年内收回（见 表1）。如果没有任何补助金可利用，能够收冋超 过住宅建筑使用年限的（50年）450000日元（4000 美元）的资金（见表2
7、）。2）能够减少城市地区的热辐射；3）能够减小耗电量。鉴于地源热泵系统的第一个优势（能够减少 二氧化碳的解放量），如果日本所有的住宅建筑都 使用地源热泵系统，每年二氧化碳的释放量将减 少52, 000, 000吨。由干利用地源热泵系统进行地源热泵系统的优势供热和制冷儿乎不会向大气中释放废热，所以, 利用这些地源热泵系统有助于减缓热岛现象。地源热泵系统的优势如下：1）能够减少二氧化碳的释放量;图1使用钻孔换热器的地源热泵系统的总平面图（总设计图）地源热泵系统未来所需的技术开发为了使地源热泵系统在将来更有效和得到更 广泛应用，所需的技术开发如下：1）提高地源热泵的性能，尤其是用于住宅供 热和制冷；
8、2）选择地源热泵系统最佳的供热和制冷系 统；3）开发效率更高的垂直换热器；4）采用新技术和新工艺降低钻探成本；5）编制钻探手册。虽然地源热泵系统不存在严重的技术问题， 降低地源热泵系统成本的最重要的项目，是开发 小尺寸、高机动性的主要用于钻进地热换热器钻 孔的钻机，以及编制钻探指南（上述条款（4）和）。地源热泵系统引进、推广和广泛应用的辅 助工作为了促进地源热泵系统的广泛推广，建立一 种辅助系统是非常重要的。该辅助系统的主要工 作方向如下：1）基础研究将来，提高垂直换热器热能提取速率的新技 术的开发是可实现的。在美国、欧洲和日本（日 前）已基本完成了该课题的基础研究，安装垂直 地换热器必需的数
9、据的缺乏将延缓地源热泵系统 的推广。这些信息的收集是至关重要的。表1目前供热、制冷和热水供应系统的初始和运行成本，与在一处IL1住宅安装的地源热泵系统的 相关成本的对照表；为降低.氧化碳释放量而安装的地源热泵装置的投资成本;在1000IU住宅建筑物安装的地源热泵系统.氧化碳的缩减量（戾元约为110H元）o地源热 泵系统收冋成 本所需 的时间（年）的收所助率 定内本补匕 假间成的上 在时回需金SJsi设备投 资成本切住宅的建造成本、和供统 热冷水系 供制热应直接烧油/吸附型水加热 器/冷却器 （两种设备）（容最： l8!440kcal/h）哦装狀臨% J T朦山 W/J6200 扣(油 热力置器
10、装O / &TJO -7 )10日吨) % (O /00元 10日吨初始 成本000元1金H5000(阮308007 O30金|阮系统运行成本黠rn)00年I.7E/ruII?可利用2/3的补助金0000元金H1阮O1金s1阮000年300I7E/1场?飞应用研究在欧洲和美国（主要工作方向是在不同地区 推广地源热泵系统）,地源热泵系统的应用研究也 已经基本完成。另一方面，在日本最迫切需要开 展的工作，是地源热泵系统的标准化、地源热泵 技术指南的编制以及通过示范对地源热泵系统的 可靠性进行测试。3）推广活动应建立地源热泵推广中心。该中心的工作领 域应包括解决地源热泵系统利用和安装相关的各 种问题
11、，以及建立辅助系统。基础研究开展地下温度、地下水位和 地质图研究，设计最佳钻孔地热换热器（垂 直换热器）地源热泵系统的一个特点是其地热换热器被 安装于钻孔内。地源热泵系统地面装置的安装类 似于传统的供热和制冷系统。所以，获得垂直换 热器设计和成本评估所需的信息是非常重要的。 值得注意的是，所有相关研究都应该考虑日本的 主要条件（气候条件、地形条件和地质条件），以 及（a）地下温度、（b）地热梯度、（c） 土壤热传 导性和（d）地下水流的分布情况。除了需要获得地下100米的地热梯度（见图2）之外，有关地下水水位、地下水流方向和流速的数据（如果有可能获得）也是非常重要的。如 果含有所需数据的地质图
12、是有效的（可利用的）， 将能够很容易地设计垂直换热器。有时，适当数 据的缺乏能够导致不必要的保守设计。正在安装 垂直换热器地区（安装深度小于100米）相关的 地质数据（适当的），有助于开展钻进成本评估。 相关的地质数据应包括砾岩层、断层或基岩层的 信息（Marui, 1997; Uchida, 1998）。应用研究地源热泵系统的标准化和技术指南的编制为了促进地源热泵系统的推广，所有相关人 员（包括地源热泵系统的设计者和施工人员）应 该普遍认可和了解地源热泵系统。这就需要对地 源热泵系统进行标准化和编制地源热泵技术指 南。按照技术指南设计和安装地源热泵系统，能 够适当地控制地源热泵的质量和获得较
13、高的可靠 性。在日本也应该尽可能快地开展地源热泵系统 标准化和技术指南编制。在美国，地源热泵的标 准化和技术指南的编制主要由IGSHPA （国际地源 热泵协会）与大学、科学协会和国家实验室联合 完成。欧洲和美国已完成的技术指南的推广，在很 大程度上促进了日本地源热泵系统的普及。所以 应该引进国外技术，并确定哪种技术适合干在日 本应用，以及哪种技术还需要改进和完善。31 推广（宣传）活动 验证（示范）、ir 中心和补助金计划地源热泵系统的验证对确定地源热泵系统的优势或优点而言，对 地源热泵系统进行验证是极其有效的。总结实例 研究报告和推广活动中的验证结果至关重要。在 本项研究中，多个旧住宅建筑物
14、被选作验证目标。 所选择的住宅建筑物类型如下：0将来需要建造多个单元的住宅区；2）主要选择维护成本低而不是投资成本低 的住宅；3）全天24小时进行供热和制冷，地热能消 耗量较大（包括热水供应）的住宅；4）需要安静和舒适的公共设施；5）工程预算有限、不能聘用工程师对供热 和制冷设备进行维护的住宅；6）满足上述条件的旧住宅被认为是地源热 泵系统较适宜的验证目标。为垂直换热器的安装 捉供资金扶持，能为地源热泵系统在旧住宅的推 广提供动力和激励，因此，补助金计划被认为是 一种有效的促进活动。应把这种旧住宅用于监测 和论证地源热泵系统。在实例研究报告中应对监 测和验证结果进行总结和公布。表2现有供热和制冷系统的生命周期成本（UG0与表述的地源热泵系统成本的対照表1）设备成本 （loooo EI 元）系统使用 年限（年）系统数皿进行评估 的时间 （年）系统更 换次数LCC注释3(loooolEj 元/50年)总成木（1000000 日屁50年）LCC差异(10000117E/50 年)3）现有 系统2）燃油供应设 备26510150513252.45锅炉7751025057750管道系 统190101505950运行成 本29050145004）地源 热泵系 统热泵49010250549001.990.45地热换 热器2550501501
