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1、地源热泵的特点及发展前景近年来,随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高,改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的要求。 空调作为目前改善建筑 热舒适条件的工具,早已悄悄进入我们的生活。据有关方面调查,在 上海空调家庭拥有率已达到平均1台以上。然而,随着空调设备的日 益普及,建筑耗能量势必将迅猛增加,对大气环境的污染也将日趋严 重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来, 减轻对大气环境的污染,成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。现阶段,在保证使用功能不降低的情况下, 我们应采取各种有效的技 术和管理措施,把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来, 对原有建 筑物有计划地进行
2、 节能改造,达到节省能源、保护环境和提高人民生 活质量的目的1。地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可 行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。它是利用地下相对稳 定的土壤温度,通过媒介质来获取土壤内冷(热)能量的新型装置, 可一年四季方便地调节建筑内的温度。由于该制冷供热方式不存在能 量形式的转换,几乎是一种能量的“搬运”过程,因而其能量转换效 率高、运营成本低2,3,4。同时,地源热泵系统也为改善夏热冬冷地区建筑热条件这个世界性难题提供了很好的解决办法5。夏热冬冷地区,其七月气温比同 纬度其他地区一般高出2C左右,是在这个纬度范围内除沙漠干旱地 区以外最炎热的地区;再加上这个地区水网
3、地带多,十分潮湿,湿度常保持在80注右,由于人体排汗难以挥发,普遍感到闷热难受。而 一月的气温比同纬度其他地区一般要低 8 10C,而且湿度又高,达 到73%- 83%6;这期间日照相对又较少,潮湿水汽从人体中吸收热 量,因而阴冷寒凉。然而由于长江中下游地区是传统上的非采暖地区, 居住建筑缺乏节能 设计标准,建筑围护结构的保温隔热性能要比采暖 地区差得多;夏季通常采用风冷空调来供冷,冬天人们往往又借助于 高位能的电来采暖。因此,该地区的能量使用效率相当低。考虑到该 地区夏季供冷天数和冬季供热天数相当,地源热泵系统可以充分发挥 地下蓄能的特点,进行能量季节迁移,用最少的能耗获得最大的受益。1地源
4、热泵的分类及其各自特点地源热泵在国内也被称为地热泵。根据利用地热源的种类和方式 不同可分为以下三类7 ,8 : 土壤源热泵或称土壤耦合热泵(GCHP, 地下水热泵(GWHP,地表水热泵(SWHP。1.1 土壤源热泵土壤源热泵以大地作为热源和热汇, 热泵的换热器埋于地下,与 大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水一水或热泵机组 或水一气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式,主要分为垂直埋 管、水平埋管和蛇行埋管三类。垂直埋管换热器通常采用的是 U型方式,按其埋管深度可分为浅 层(3om ,中层(30loom和深层(ioom三种。埋管深,地下 岩土温度比较稳定,钻孔占地面积较少,但相应会带
5、来钻孔、钻孔设 备的经费和高承压埋管的 造价提高。总的来说,垂直埋管换热器热泵 系统优势在于:(1)占地面积小;(2) 土壤的温度和热特性变化小;(3)需要的管材最少,泵耗能低;(4)能效比很高。而劣势主要在 于:由于相应的施工设备和施工人员的缺乏,造价偏高。水平埋管换热器有单管和多管两种形式。 其中单管水平换热器占 地面积最大,虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少, 但管长应 相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施 工设备广泛使用而且施工人员易找,又加上许多家庭有足够大的施工 场地,因此造价就可以减下来。除需要较大场地外,水平埋管换热器 系统的劣势还在于:运行性能上不
6、稳定(由于浅层大地的温度和热特 性随着季节、降雨以及埋深而变化);泵耗能较高;系统效率降低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器 20%- 30%但是用管量会明显增加。这 种方式优缺点类似于水平埋管换热器,所以有的文献将其归入水平埋 管换热器。1.2地下水热泵系统在土壤源热泵得到发展以前,欧美国家最常用的地源热泵系统是 地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用,主要应用在商业建筑 中。最常用的系统形式是采用水一水式板式换热器,一侧走地下水, 一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统, 即将 地下水经过板式换热器后直接排放。这样做,一则
7、浪费地下水资源, 二则容易造成地层塌陷,引起地质灾害。于是产生了双井系统,一个 井抽水,一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵 系统低,另外水井很紧凑,不占什么场地,技术也相对比较成熟,水 井承包商也容易找。其劣势就在于:(1)有些地方法规禁止抽取或 回灌地下水;(2)可供的地下水有限;(3)如水质不好或打井不合 格要注意水处理;(4)如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远, 泵耗能就会过大。1.3地表水热泵系统地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。 在寒冷地区,开路系统 并不适用,只能采用闭路系统。总的来说,地表水热泵系统具有相对 造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点
8、。但是,在公 共用的河中,管道或水中的其他 设备容易受到损害。另外,如果湖泊 过小或过浅,湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化,这就会产生效率降低,制冷或供热能力降低的后果。地源热泵(GSHPJ地卜水始拆系it UF路乐犹)丿11.1冋! /图1地源热泵的分类2地源热泵在国外的发展9“地源热泵”的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利报告中, 该技术的提出始于英、美两国。1946年,美国第一台地源热泵系统 在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。但是受当时工业时代的影响,这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意,无论是在技术、理论上都没有太大的发展。上世纪70年代初期,由于石油危机的出现
9、和环境的恶化,引发 了人们对新能源的开发和利用,因而地源热泵以其 节能的特点开始受 到重视。这时,北欧国家的科技工作者开始了地源热泵的实际应用研 究与开发,并得到了国家政府的大力支持。1974年起,瑞士、荷兰 和瑞典等国家政府资助的示范工程逐步建立起来,地源热泵生产技术逐步完善。从系统技术来说,此期的地下热传导体系大多数采用的是 地下水直接利用方式,要求有一定的水温,而且技术相对粗糙,甚至 没有回灌井。70年代后期,瑞典科学家开始研究地下开放式的循环 采热系统。上世纪80年代是地源热泵技术飞速发展的时期。这一时期,美 国的地源热泵生产厂家十分活跃,成立了全国地源热泵生产商联合 会,并逐步完善了
10、安装工程网络。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等 国家为代表,大力推广地源热泵供暖和制冷技术, 国家政府采取了相 应的补贴政策和保护政策,使得地源热泵生产和使用范围迅速扩大。上世纪80年代后期,地源热泵技术已经臻于成熟,更多的科学 家致力于地下系统的研究,努力提高热吸收和热传导效率,同时越来 越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势,瑞士和瑞 典的年递增率超过10%此期美国的地源热泵生产和推广速度很快,技术产生了飞跃性的发展,成为世界上地源热泵生产和使用的头号大 国。上世纪90年代以来,欧美国家的科技工作者的联系更加密切, 共同对地源热泵有关的环境问题开展了广泛和深入的研究。1995年的
11、国际地热学术会上,英国学者 Curtis代表国际地热组织发表了一 篇关于应用土壤源热泵系统的调查报告,其中总结性地结论为:(1)土壤源热泵系统是世界能源市场的成熟技术之一,与现存的用电供热/制冷技术相比具有稳定性能好、可靠性高、花费更少的优势;(2)土壤源热泵系统经济上与燃油和燃气锅炉不相上下;(3)如果考虑 到包括环境效益、能源保障和长期利用在内,土壤源热泵系统是最好、 技术含量最高的替代产品。根据国际上 19951999年的数字统计, 发达国家地源热泵产品的发展势头十分可观。美、欧、日等国家的地 源热泵利用情况如下:1)美国:地源热泵系统已经安装了 20万套以上,每年递增约2 0%估计到2
12、000年,每年可安装5-6万套地源热泵系统,其中4万 套为土壤源热泵系统。美国每年新建独立家庭住宅(别墅)一百万座, 其中四分之一采用地板采热方式,这是与地源热泵可以直接配套的地 上导热系统,也是土壤源热泵系统的潜在市场。另一方面,美国政府 十分关注地源热泵技术的发展和市场推广情况,能源部与大学的研究 机构极力促进有关的企业和民间科技力量参与,曾经就地源热泵能否列为国家公用计划而进行了多年的调研。 美国政府曾经资助过十几项重大的地源热泵实验示范项目,并在 20多个州鼓励市政部门和公立 学校、医院等率先安装地源热泵采暖和制冷系统。一项乐观的研究报 告认为,到2000年以后,美国的地源热泵安装数量
13、将每年以 35%勺 速度递增。2)加拿大:地源热泵技术发展稍晚,其中封闭循环地源热泵系统在 加拿大刚刚开始,至1994年,仅有7000 8000套封闭循环地源热泵 系统投入使用,加上开放系统地热泵总数不超过万台。3)瑞典:在地源热泵应用的初期,瑞典政府采取了一定的补贴政策。1990年以来,政府补贴取消,但地源热泵安装仍以1000套/年的速度递增。瑞典全国已经安装了 23万套地源热泵,其中约5万 套为土壤源热泵系统。4)瑞士:瑞士世界上地源热泵应用人均比例最高的国家,其中土壤源热泵系统所占的比例越来越高,至1998年,土壤源热泵系统已经占有地源热泵安装市场的70%以上(据Rybach, 1999
14、 ),总数达 到20万台以上,号称世界上土壤源热泵系统密度最大的国家。瑞士 地源热泵总装机容量的增加从上世纪 70年代末一直延续至今,呈直 线上升趋势。5)奥地利:奥地利是一个独立发展地源热泵技术的国家,地源热泵生产技术和安装技术自成体系。奥地利国土面积83850 km2,人口数量约750万。据1995年统计资料,土壤源热泵系统占地源热泵安装的65%以上。另外,奥地利政府对地源热泵安装和及其环境评价 采取了最严格的发证制度。6)日本:日本的热泵制造技术是相当不错的,水-水式供暖热泵 的数量也名列世界前茅,年生产量达到400万台。但是由于日本有丰 富的热水资源、日本土地使用费用相当昂贵,所以作为
15、住宅供暖 /制 冷的地源热泵应用还十分少见,而主要供应给冰蓄热采暖 /制冷系统 和水箱式采暖/制冷系统。一些市政建设项目和公益性 建筑(如医院、 养老院、道路等)曾利用地热泵做供暖/制冷/热水供应/道路融雪等 综合性服务,效果颇佳。从地源热泵应用情况来看10,北欧国家主要偏重于冬季采暖, 而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似, 因此研 究美国的地源热泵应用情况对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。3地源热泵在中国的发展现状及前景目前在中国,地下水热泵系统已开始广泛使用, 而土壤源热泵系 统尚处于研究机构工程摸索和研究阶段。从有关调查来看,地下水热泵工程真正成功的并不多11。原因 在
16、于要实现100%勺回灌,并回灌到同一含水层,不污染地下水,且 能长时间稳定运行,并不容易做到。同时,还出现了大量不进行回灌 的热泵工程,更有甚者,出现了直接利用地下水通入风机盘管内进行 空调。这样做,一则污染水体,二则浪费水资源。对于土壤源热泵的发展主要是从 1998年开始。国内数家大学建 立了土壤源热泵实验台,且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备 的长期联合运行。其中1998年重庆建筑大学建设了包括浅埋竖埋管 换热器和水平埋管换热器在内的热泵系统;1998年青岛建工学院建 成了聚乙烯垂直土壤源热泵系统;湖南大学1998年建设了水平埋管土壤源热泵系统;1999同济大学建设了垂直土壤源热泵系统。这些 系统为中国推广土壤源热泵奠定