歐洲地源熱泵和地?zé)崮軆α康默F(xiàn)狀

張世將 楊逍鵬 陳正順

摘要 地源熱泵作為一項節(jié)能技術(shù)在歐美國家已得到大量的應(yīng)用,尤其供冷在市場上已被人接受,但對于供熱,尤其是高溫供熱(>50℃),仍處于論證階段。盡管地源熱泵至今已被使用了超過50年(最先在美國),但是,這項技術(shù)在市場上仍處于初期,而燃料供熱和空氣源熱泵供冷占據(jù)了市場的主要地位。在德國、瑞士、奧地利、丹麥、挪威、法國和美國,大量地源熱泵被使用,而安裝指南、質(zhì)量控制和承包證明仍是現(xiàn)在主要的爭議點。

關(guān)鍵詞 地源熱泵;地下蓄熱;歐洲

中圖分類號 TK11文獻標識碼 A文章編號1674-6708(2009)08-0065-03

0 引言

地源熱泵系統(tǒng),是熱泵與地埋管換熱器(閉環(huán)系統(tǒng))或地下井水(開環(huán)系統(tǒng))綜合的系統(tǒng)。供熱情況下,地球作為熱源,流體(通常為水或水—防凍劑的混合液)作為媒介將熱量從地球傳遞到熱泵的蒸發(fā)器,因此,利用的是地?zé)崮?。制冷時,地球為冷源。對于地埋管換熱器(BHE),地源熱泵既能供熱也能供冷,事實上能用于任何場所,對較多地適應(yīng)各種要求。

大多數(shù)歐洲國家沒有豐富的能直接利用的熱水資源(除了冰島、匈牙利和法國)[1]。在有特殊地下設(shè)施的地區(qū),利用低焓地下水為大量顧客提供區(qū)域供熱受到限制。這種情況下,在非集中GSHP(地源熱泵)系統(tǒng)中,利用到處存在的淺層地?zé)豳Y源是一個明顯的選擇。因此,在許多歐洲國家,地源熱泵得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展,結(jié)果是這種系統(tǒng)在市場上也得到了快速的推廣,經(jīng)營這一領(lǐng)域的公司數(shù)目也在逐步增加。

在歐洲中部和北部,地源熱泵的市場大量推廣,由于其氣候條件,主要用于供熱,空調(diào)使用較少。因此,不像地源熱泵在美國,熱泵在歐洲主要在供熱模式下運行。在歐洲南部,尤其是希臘和土耳其西部,地源熱泵安裝使用還只是剛通過論證階段;在瑞士人的技術(shù)支持下,第一個地埋管地源熱泵系統(tǒng)試驗點于1993年建在希臘(Papageorgakis,1993)。這一努力促使了隨后的雅典國立理工大學(xué)一工程的實行——使用地下水井和地埋管混合地源熱泵系統(tǒng)對一采礦建筑進行供熱供冷(Karytsas et al,2002);隨后還有其它的工程(Mendrinos et al,2002)?？紤]到在較大規(guī)模的商業(yè)建筑中需要供冷,還有這項技術(shù)在歐洲南部得到不斷應(yīng)用,同時供熱和供冷將變得越來越重要。

1 GSHP技術(shù)的現(xiàn)狀

地源熱泵(GSHP),實質(zhì)上是熱泵和與地下?lián)Q熱系統(tǒng)的綜合。基本上,它們由地埋管換熱器(閉環(huán)系統(tǒng))或者地下井水換熱系統(tǒng)(開環(huán)系統(tǒng))組成。熱量可通過以下幾種方式從地下提取:

1)地下水井(“開式”系統(tǒng));

2)豎直地埋管換熱器(BHE);

3)水平地埋管換熱器(包括水平鋪設(shè)在管溝內(nèi)的埋管,螺旋管等等);

4)“樁基埋管”(換熱器安裝在地基內(nèi))。

在過去的幾年中,進行了實驗和理論研究(現(xiàn)場測量和數(shù)值模擬),為設(shè)計和性能評價地埋管系統(tǒng)得出詳細可靠的數(shù)據(jù)(見Knoblich et al,1993;Rybach 和 Hopkirk,1995;Rybach 和 Eugster,1997)。20世紀80年代,在瑞典的研究主要是對地埋管系統(tǒng)進行理論熱分析(Claesson 和 Eskilson,1988;Eskilson 和 Claesson,1988),同時,瑞士在進行監(jiān)測和模擬(Gilby 和 Hopkirk,1985;Hopkirk et al,1988),德國在測試點進行土壤熱傳導(dǎo)測量(Sanner,1986)。

這些系統(tǒng)供熱時將地球作為熱源,流體(通常為水或水—防凍劑混合液)作為媒介將熱量從地球傳遞到熱泵蒸發(fā)器,因此,使用了地?zé)崮?。制冷時,地球為冷源。每千瓦時的制熱量或制冷量,通常需要消耗0.22~0.35KWh的電量,比空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能30~50%[2]。

在既定的運行條件下,有用能與熱泵耗電量的比值被定義為“性能系數(shù)”或COP。COP值取決于來自地下循環(huán)的熱泵進水溫度,而進水溫度取決于地質(zhì)條件(地下熱參數(shù)和水壓參數(shù),氣候條件)和技術(shù)參數(shù)(地埋管的長度和形式,材料,灌泥漿的性質(zhì),等)。其它影響熱泵COP的因素有供熱/供冷負荷,建筑供熱/供冷系統(tǒng)的形式和有關(guān)的供水溫度。地下大約10m深處,土壤溫度常年為常數(shù)(取決于主要氣候條件和周圍環(huán)境溫度),而地表面以下溫度隨著深度的增加緩慢增加,因此,豎直埋管式換熱器在性能和能效上優(yōu)于水平埋管換熱器。

在美國,水源熱泵工程委員會(WSHPEC),通過實驗室測試對多種模型比較了不同標準下的能效比。其額定功率小于40kW,結(jié)果指出了現(xiàn)有的ARI(空調(diào)與制冷學(xué)會)標準:供熱時地源熱泵的最小COP值為2.5,供冷時最小為2.9。水源熱泵工程委員會對2001年ASHRAE 90.1制定的水源熱泵的最小能效比提出了推薦修正值,修正為供熱時取3.1,供冷時取3.9。在歐洲相似的測量值主要來自瑞士熱泵測試中心,已真實出現(xiàn)了更高的能效比值。當(dāng)源側(cè)溫度為0℃,供熱溫度為35℃時,COP值能接近5,供熱溫度為50℃時COP值大約3.5(見圖1)。

圖1 鹽水/水熱泵的COP值(用于地源熱泵系統(tǒng)),測于熱泵測試中心

雖然對于已有的地源熱泵系統(tǒng)的COP值最高為4.5左右,但是它們運行期間內(nèi)的平均COP值較低。平均COP值,通常稱“季節(jié)性能系數(shù)”(SPF),定義為運行期間的平均COP值,SPF的取值大約為SPF=3.0-3.8[3]。當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)的所有組成部分都達到高標準,而且采用最合適的建筑供熱系統(tǒng)時,SPF值能達到4.0;這種情況下,熱泵通常不提供生活熱水。

使用豎直埋管換熱器系統(tǒng)時,輸出給定的功率所需要的埋管長度主要取決于土壤的性質(zhì),包括土壤的溫度、含濕量、顆粒大小和形狀、導(dǎo)熱系數(shù)。選擇正確的豎直埋管換熱器的大小是設(shè)計的一個目的,特別要注意使相鄰鉆孔間的熱干擾盡量小化。關(guān)鍵點在建筑負荷、鉆孔間距、回填材料和所在地點的特征。由于地源熱泵的初投資較高,設(shè)計過大則會導(dǎo)致比傳統(tǒng)系統(tǒng)更高的損失。

最近幾年,在地源熱泵方面的兩個重要的技術(shù)發(fā)展是:

1)熱響應(yīng)測試,現(xiàn)場確定地下的各項熱參數(shù);

2)使用加強導(dǎo)熱的灌泥漿材料。

在熱響應(yīng)測試中(Sanner et al,2000),給定鉆孔內(nèi)埋管一定的熱負荷,測試循環(huán)流體相應(yīng)的溫度變化從1999年中期開始,這項技術(shù)已在歐洲中部被用來設(shè)計更大的豎直埋管地源熱泵系統(tǒng),在可靠的地下數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定鉆孔尺寸。熱響應(yīng)測試最先于1995年在瑞典和美國出現(xiàn)(Gehlin,1996;Austin,1998),現(xiàn)在被很多國家使用,包括土耳其。同時使用可靠的設(shè)計軟件(Hellstrom 和 Sanner,1994;Hellstrom et al,1997),即使大量使用,豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)能成為一項安全可靠的技術(shù)。

熱加強灌泥漿材料在美國已使用了十幾年。它的使用能顯著的減少鉆孔內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻,從而控制了遠邊土壤與埋管內(nèi)流體間的溫差。也能通過對不同灌泥漿材料的地埋管換熱器進行熱相應(yīng)測試得出其結(jié)果。

2 市場機會和阻礙

豎直埋管的設(shè)計常出現(xiàn)對流動、壓降和控制參數(shù)處理不當(dāng),由于設(shè)備的腐蝕出導(dǎo)致的滲漏,施工質(zhì)量較差,還有管材和循環(huán)換熱流體的選擇等諸多問題。以上都要求工程師的專業(yè)技術(shù)和承包方的地源熱泵安裝資格,這些都為地源熱泵的市場推廣設(shè)置了很大的障礙。在地源熱泵系統(tǒng)市場較好的國家(例如瑞典、瑞士和德國),開始強制設(shè)立技術(shù)指南、承包資格證明、質(zhì)量鑒定表彰等,以保護廠家和消費者避免質(zhì)量很差和使用壽命短的地源熱泵系統(tǒng)。

已有的地源熱泵只適用于低溫供熱系統(tǒng),因為它們不能滿足歐洲地區(qū)大量老的供熱建筑的高溫供熱要求,從而或多或少地限制了其在新建建筑中的使用。熱泵系統(tǒng)提供熱水給風(fēng)機盤管、地板供熱或低溫散熱器時,通常將水溫從40℃升高到45℃,熱水在建筑內(nèi)供熱系統(tǒng)中循環(huán)的最高溫度為50℃。供水溫度越高,熱泵COP越低。水-水熱泵內(nèi)熱水流入室內(nèi)測的標準溫度和最高溫度分別為40℃和50℃。依據(jù)ISO 13256-2,歐洲一些指南中的最高溫度為55℃。

以上的商業(yè)熱泵系統(tǒng)中的溫度上限,使得其只限用于低溫供熱系統(tǒng),比如風(fēng)機盤管系統(tǒng)、低溫散熱器系統(tǒng)或低溫地板輻射系統(tǒng)。但是,在歐洲許多建筑中安裝的是傳統(tǒng)供熱系統(tǒng),一般由燃油鍋爐和標準散熱器組成,也就是高溫供熱系統(tǒng)。散熱器內(nèi)熱水溫度為80~90℃,溫降為10~20℃。由于商業(yè)熱泵的設(shè)計溫度最高為50℃或60℃,溫降為5~6℃。因此,在已有的建筑中用低溫供熱系統(tǒng)替換高溫供熱系統(tǒng)則必須整個的替換,包括用風(fēng)機盤管或其它高級系統(tǒng)取代散熱器,還要安裝更大管徑的管子。瑞士已出現(xiàn)了能使用65℃熱水的熱泵SATAG;這可以認為是為老建筑進行翻新的第一步。

很難統(tǒng)計出歐洲已經(jīng)安裝的熱泵的數(shù)目,尤其是統(tǒng)計每一種熱源的熱泵數(shù)目。圖5給出了主要的歐洲國家所安裝的熱泵數(shù)目的一些數(shù)據(jù)。2001年瑞典的非常大的數(shù)目的出現(xiàn)是安裝了大量的廢氣排氣-水熱泵系統(tǒng)和其他水-水熱泵系統(tǒng)的結(jié)果。但是,瑞典安裝的地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)目也最多?？偟膩碚f,除了瑞典和瑞士(表1),歐洲地源熱泵的市場推廣仍比較適度。市場的進一步推廣仍有充足的潛力,其技術(shù)前景也認可這一期望。以瑞士為例,其在產(chǎn)熱量上的增長(圖2)鼓舞了其他國家。德國的趨勢(圖3)也很樂觀,2002年地源熱泵(土壤源和水源)占了大約82%的份額。

表1 地源熱泵在全部民用供熱中所占的份額(數(shù)據(jù)來源于Van de Ven,1999)

圖2 瑞士豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)岙a(chǎn)熱量(進入熱泵之前)。數(shù)據(jù)來源于AWP銷售統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由瑞士伯爾尼聯(lián)邦能源辦事處調(diào)查(見 Wilhelm 和 Rybach,1999)。

圖3 德國每年熱泵銷售量,根據(jù)不同的熱源(數(shù)據(jù)來源于漢諾威的IWZ e.V.和慕尼黑的BWP e.V.。不包括熱泵用于提供生活熱水)

3 結(jié)論

地源熱泵技術(shù)最早是瑞士工程師Zoelly發(fā)明的一項專利,最初作為一種新能源利用方式的概念沒有在實際工程中應(yīng)用,隨著1973年的世界能源危機,歐洲,北美等地區(qū)加大了對該項技術(shù)的研究,特別是工程塑料的管材替代原地源熱泵鋼管地埋管,克服了地下管材腐蝕的問題,地源熱泵在歐洲和北美得到了大力發(fā)展。我國對該項技術(shù)的研究應(yīng)用起步于上個世紀90年代,作為一項引進的技術(shù),直接跨過了很多技術(shù)方面的“彎路”,特別是最近幾年,地源熱泵已作為一項節(jié)能標志,在工程上大量應(yīng)用,但具體的早期土壤測試,設(shè)計,包括施工都沒有適應(yīng)中國氣候環(huán)境的有力技術(shù)支持。從歐洲對這項技術(shù)的幾十年的發(fā)展狀況和現(xiàn)在研究的主要內(nèi)容看,我國應(yīng)該提高地源熱泵應(yīng)用的前提技術(shù)條件,即地埋管周圍巖土的情況勘察,包括地下水流動。推廣的區(qū)域應(yīng)該是黃河以北的冬、夏季空調(diào)負荷相當(dāng)?shù)膮^(qū)域或供熱為主的東北地區(qū),特別是在需要供熱的同時又適合使用地源熱泵的北方廣大農(nóng)村,地源熱泵替代小型家庭供熱的“煤爐”將會給我國的“節(jié)能減排”帶來顯著效果。

參考文獻

[1]Austin W,1998.Development of an In-situ System for Measuring Ground Thermal Properties. MScthesis,OSU,Stillwater OK.Claesson,J,Eskilson,P,1988. Conductive heat extraction from a deep borehole. Thermal analysis and dimensioning rules. Energy 13/6,509-527.

[2]Donnerbauer R,2003.Neuer Trend:Vom Boden an die Wand. VDI-Nachrichten 16,Du¨ sseldorf.Eklo¨ f,C.,Gehlin,S.,1996.TED—A Mobile Equipment for Thermal Response Test.Masters Thesis,1996,198E,Lulea University of Technology.

[3]張勇,王晏平,陳正順.混合式地源熱泵控制方法分析[M].建筑節(jié)能,2009(2):47-49.

哈爾濱科協(xié)“調(diào)研30天”活動成效顯著

11月16日,哈爾濱市科協(xié)召開2009年“調(diào)研30天”優(yōu)秀調(diào)研成果表彰會,對在“調(diào)研30天”活動中的優(yōu)秀部門及優(yōu)秀個人調(diào)研成果進行表彰。哈爾濱市科協(xié)黨組書記、常務(wù)副主席孫鴻達為獲獎部門及個人頒獎。哈爾濱市科協(xié)全體機關(guān)干部40余人參加了會議。

在今年的“調(diào)研30天”活動中,哈爾濱市科協(xié)機關(guān)共完成調(diào)研課題41篇,其中,部門成果12篇,個人成果29篇。經(jīng)成果發(fā)布、全員打分和黨組會審定,最后有8個部門、15名個人,共計23項調(diào)研成果獲優(yōu)秀調(diào)研成果獎。

為進一步激發(fā)科協(xié)干部對調(diào)研工作的積極性、主動性和自覺性,不斷提高調(diào)研工作層次水平,推動調(diào)研工作為科協(xié)工作向更高層次發(fā)展服務(wù),從2006年起,哈爾濱市科協(xié)先后開展了由市科協(xié)機關(guān)部門負責(zé)人牽頭的“調(diào)研月”、由市科協(xié)機關(guān)全員參與的“調(diào)研30天”以及由科協(xié)系統(tǒng)共同參與的“調(diào)研30天”活動,據(jù)統(tǒng)計,截至2008年,哈爾濱市科協(xié)系統(tǒng)在“調(diào)研月”和“調(diào)研30天”活動中累計立項并完成調(diào)研成果107篇,提出問題343項、對策建議413條,完成工作成果轉(zhuǎn)化10余項,采納建議近百條。

從“調(diào)研月”到“調(diào)研30天”,哈爾濱市科協(xié)通過突出抓好調(diào)研選題、成果轉(zhuǎn)化、調(diào)研參與面、調(diào)研制度建設(shè)四個關(guān)鍵環(huán)節(jié),使哈爾濱市科協(xié)全體干部的理論思維能力和工作實踐能力得到了鍛煉,工作作風(fēng)得到改善。

為適應(yīng)黨和國家對新時期科協(xié)組織提出的新要求,切實解決科協(xié)干部作風(fēng)不硬、站位不高、思路不寬、創(chuàng)新能力不強等制約和影響科協(xié)事業(yè)發(fā)展的瓶頸問題,哈爾濱市科協(xié)黨組提出,要在哈爾濱市科協(xié)系統(tǒng)上下掀起調(diào)查研究、求真務(wù)實之風(fēng),鍛煉科協(xié)干部迎接挑戰(zhàn)、勇挑重擔(dān)的能力,以積極探索的求實態(tài)度創(chuàng)建深入基層、深入實際,掌握實情、破解難題的調(diào)研工作新機制,努力為推動科協(xié)事業(yè)進步,更好服務(wù)哈爾濱經(jīng)濟社會發(fā)展做出新貢獻的奮斗目標和工作部署。

(黑龍江省科協(xié))

重慶巫溪縣委發(fā)文要求健全鄉(xiāng)鎮(zhèn)科協(xié)組織

了切實加大基層科普宣傳工作力度,建立健全科普組織網(wǎng)絡(luò),全面貫徹實施《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要》,提高農(nóng)民科學(xué)素質(zhì),加速新農(nóng)村建設(shè)步伐,近日,重慶市巫溪縣委發(fā)文要求在全縣30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)健全充實科協(xié)組織。

巫溪縣地處渝東南,近年來由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村建制多次調(diào)整,人員變動大,基層科協(xié)組織很多已不存在。今年10月,巫溪縣委研究決定,在新建制的30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部建立科協(xié)組織,鄉(xiāng)鎮(zhèn)科協(xié)組織由2~3人組成,原則上由鄉(xiāng)鎮(zhèn)副職任科協(xié)主席,農(nóng)技服務(wù)中心負責(zé)人任秘書長,成員由鄉(xiāng)屬部門負責(zé)人組成。鄉(xiāng)鎮(zhèn)科協(xié)的主要任務(wù)有推廣農(nóng)村實用技術(shù),促進新成果轉(zhuǎn)化,指導(dǎo)農(nóng)民運用農(nóng)村科技,促進農(nóng)民增收,舉辦實用技術(shù)和技能培訓(xùn)班,拓展農(nóng)民致富和農(nóng)民工務(wù)工的渠道,協(xié)助鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府組建科普服務(wù)站、科普宣傳欄、科普宣傳員隊伍,組織開展科普宣傳活動,反映基層科技工作者的建議、意見和訴求,維護其合法權(quán)益,指導(dǎo)轄區(qū)各專業(yè)學(xué)(協(xié))會開展工作等。

目前,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)正在積極行動,巫溪縣科協(xié)全力推動,將在11月底前全面完成組建任務(wù)。