地源熱泵國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r對比

鮑 旭 明

(寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211)

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地源熱泵國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r對比

鮑 旭 明

(寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211)

介紹了地源熱泵的類型及其特點(diǎn)，分析對比了地源熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展方向和走勢，并針對地源熱泵在國內(nèi)外發(fā)展中存在的問題，提出了解決措施，指出中國的地源熱泵市場雖然起步晚，但發(fā)展迅猛，具有極大的上升空間。

地源熱泵，地埋管，水源，節(jié)能環(huán)保

地源熱泵技術(shù)利用淺層地?zé)崮埽蠓档土穗娔艿南?，具有?jié)能、清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)，因而在近年來受到廣泛的推廣。該技術(shù)在地下埋設(shè)換熱器，通過冷凝液循環(huán)完成換熱。在冬季時，地?zé)崮鼙惶崛〕鰜韺?shí)現(xiàn)室內(nèi)制熱；在夏季時，熱量被注入地下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制冷。通常，地源熱泵空調(diào)產(chǎn)生一個單位熱量所消耗的電能僅為普通空調(diào)的1/4。

正因?yàn)榈卦礋岜眉夹g(shù)的優(yōu)勢所在，國內(nèi)學(xué)者對其技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性等開展了大量研究。姜波等[1]大體歸納了地源熱泵技術(shù)整體的優(yōu)缺點(diǎn)和我國發(fā)展地源熱泵的現(xiàn)狀及問題。袁繼康等[2]對地源熱泵系統(tǒng)的各項(xiàng)分類和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，總結(jié)了地源熱泵系統(tǒng)存在的主要問題。黃吉永等[3]針對地源熱泵管埋設(shè)技術(shù)提出了基于靜鉆根植樁的地埋管方案。

1 地源熱泵的分類及特點(diǎn)

熱泵根據(jù)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同可以分為空氣源熱泵，水源熱泵以及土壤源熱泵。其中水源熱泵和土壤源熱泵合稱為地源熱泵。土壤源熱泵根據(jù)布管方式不同，可分為垂直埋管式和水平埋管式。垂直埋管占地面積小、埋管深、穩(wěn)定性好，是目前廣泛采用的形式；而水平埋管施工簡便，造價低廉，適用于場地面積足夠大的情況。水源熱泵根據(jù)熱源不同可分為地下水源熱泵系統(tǒng)和地表水源熱泵系統(tǒng)。地下水源熱泵系統(tǒng)簡單經(jīng)濟(jì)，適合擁有豐富地下水且允許開采的地區(qū)；地表水源熱泵最經(jīng)濟(jì)，包括污水源熱泵系統(tǒng)、海水源熱泵系統(tǒng)以及淡水源熱泵系統(tǒng)，在地表水資源豐富的地區(qū)應(yīng)用前景廣闊(見表1)。

表1 地源熱泵的分類及特點(diǎn)

2 國外地源熱泵發(fā)展?fàn)顩r

地源熱泵概念最早起源于瑞士，而地源熱泵技術(shù)提出始于美國，但實(shí)際大范圍使用是在石油危機(jī)以后。早期由于問題考慮、設(shè)計(jì)技術(shù)和施工水平有限，地源熱泵的實(shí)際功用并沒有達(dá)到概念宣傳的程度。隨著工程案例的增加，問題逐漸得到暴露，使得后期考慮問題更加周全，技術(shù)水平得到提高，施工工藝也得到改進(jìn)。目前據(jù)2015年世界地?zé)岽髸慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，世界范圍內(nèi)地源熱泵的利用量比2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)增長了1.62倍，年均增長率為10.3%；地源熱泵的設(shè)備容量為49 898 MWt(兆瓦熱量)，5年間增長了1.51倍，年均增長率為8.65%。而且目前，世界各國地?zé)豳Y源利用量仍在不斷攀升，開展地?zé)豳Y源利用的國家已經(jīng)達(dá)到82個。其中，中國、美國、瑞典、土耳其、德國位列前五位。正是由于地源熱泵的節(jié)能環(huán)保，各個關(guān)鍵技術(shù)得到攻克，各國才會大力推廣。事實(shí)證明，使用地源熱泵，對于個人，可以減少家庭電費(fèi)支出，獲得更舒適的生活環(huán)境；對于社會，可以節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境，倡導(dǎo)綠色的消費(fèi)方式；對于國家，可以增加能源儲備，減少對資源的依賴性。

美國最開始使用開放式地下水源熱泵，但由于系統(tǒng)的腐蝕失效問題，棄用后采用閉式地下水源熱泵。同時開展土壤源熱泵技術(shù)的研究，攻克地埋管計(jì)算設(shè)計(jì)等問題。目前美國使用最廣泛的是土壤源熱泵，此系統(tǒng)可以被高效應(yīng)用于大部分地區(qū)，克服水源熱泵的弊端。同時地方政府提供獎勵、免稅、資助、補(bǔ)貼等措施來激勵地源熱泵的發(fā)展。

德國熱泵市場在1973年石油危機(jī)后快速發(fā)展，目前廣泛使用的是土壤源熱泵。其性能系數(shù)較好，加上政府在各權(quán)威平臺上大力宣傳和各種獎勵措施，使得土壤源熱泵市場整體呈現(xiàn)增長趨勢。但目前由于空氣源熱泵的成熟技術(shù)和廉價服務(wù)、能源價格走低以及地源熱泵安裝麻煩等因素，地源熱泵發(fā)展緩慢。

日本由于資源缺乏，對地源熱泵的研究較深入，在國際上也處于技術(shù)領(lǐng)先地位。目前日本廣泛使用的是水源熱泵，主要應(yīng)用于住宅、公共設(shè)施的供冷供暖。在日本大地震之后，對環(huán)境和能源的高要求，加上政府的補(bǔ)貼政策支持，地源熱泵發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

3 我國地源熱泵發(fā)展?fàn)顩r

在20世紀(jì)80年代，我國地源熱泵研究進(jìn)入起步階段；在2002年，在北京組織召開了世界第七次熱泵大會；20世紀(jì)初，地源熱泵得到逐步推廣，地源熱泵的研究也引起專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，論文專利數(shù)量屢創(chuàng)新高，但初期投資高，技術(shù)復(fù)雜等問題讓眾多開發(fā)商不愿使用；從2005年開始，在國家政策的推動下，地源熱泵開始在建筑項(xiàng)目上得到大量應(yīng)用。經(jīng)過10年的發(fā)展，涌現(xiàn)了一批從事地源熱泵勘察、設(shè)計(jì)、施工的單位。地源熱泵技術(shù)也在近年來得到了快速的發(fā)展。能源樁技術(shù)[4]——一種樁基埋管的新型布管技術(shù)，在我國取得了初步應(yīng)用，該技術(shù)的創(chuàng)新之處在于將換熱器隨打樁過程送入地下，降低了打孔費(fèi)用，縮短了工期，并不斷有工程實(shí)例證明其換熱的可靠性。

較為成功的使用地源熱泵系統(tǒng)案例，例如上海的東方海港國際大廈，總建筑面積39 889.6 m2，采用樁基空當(dāng)內(nèi)垂直埋管的土壤源熱泵，以水為換熱介質(zhì)。基于場地地?zé)崮軆α?、冬季熱?fù)荷和夏季冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，該系統(tǒng)所在場地可以在25年內(nèi)維持熱平衡[5]。

在政策推動下，我國地源熱泵市場發(fā)展迅速。總體上來說，地源熱泵應(yīng)用面積從2005年3 000萬m2增長到2014年3.6億m2，呈爆發(fā)式發(fā)展?fàn)顟B(tài)；從地區(qū)發(fā)展水平來說，目前我國的地源熱泵市場主要集中在山東、北京、遼寧、河北等地，而在東南部地區(qū)，地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用較少；從地源熱泵種類來說，我國仍主要以水源熱泵為主，占地源熱泵使用量的54.59%，而且形勢多樣，土壤源、地下水源、地表水源等都有應(yīng)用，主要原因是我國幅員遼闊，水系發(fā)達(dá)，而水源熱泵簡單經(jīng)濟(jì)，施工方便；從地源熱泵行業(yè)來講，企業(yè)規(guī)模從100萬元至數(shù)億元不等，截至2013年，5 000萬元以下占54.5%，整體以中小企業(yè)居多，行業(yè)發(fā)展還是處于起步階段；從使用范圍來講，各類型建筑都有涉及，包括住宅、公共建筑和工業(yè)建筑等，地源熱泵都能有效運(yùn)行[6]。

4 我國地源熱泵發(fā)展面臨的問題

1)一次性投資費(fèi)用高昂。采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的建筑初投資較高，這是由技術(shù)本身所決定的。單體型住宅每平方米費(fèi)用增加400元左右，在節(jié)約空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)用30%～40%的基礎(chǔ)上，經(jīng)過投資回收期分析，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)投資回收期為6年～8年，相對于一般投資來說，投資回收期較長。

2)施工質(zhì)量難以保證。由于地源熱泵技術(shù)復(fù)雜程度相比于傳統(tǒng)的空調(diào)技術(shù)高，專業(yè)性強(qiáng)且應(yīng)用時間短(僅10年)。目前，相關(guān)行業(yè)還缺乏統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)評價體系。加上大量設(shè)備制造企業(yè)和工程承包商急速涌入，施工團(tuán)隊(duì)技術(shù)準(zhǔn)備和人才儲備都不充分，使得部分工程項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量得不到有效保障。

3)使用壽命有待考證。地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命為30年，地埋管換熱器的設(shè)計(jì)壽命為50年。但地源熱泵技術(shù)在20世紀(jì)60年代由美國首次提出后，整體發(fā)展也不過50年左右，對地源熱泵真實(shí)的使用壽命還需要更多的時間驗(yàn)證。同時地埋管意外損壞以及壽命期以后的維修工作較為困難，要考慮重新安裝的問題，比較麻煩。

4)不適合改造項(xiàng)目。地源熱泵工程需要較大面積做預(yù)埋管道，已有建筑很難有充足的場地進(jìn)行地埋管埋設(shè)，即使附近有地下水或者河流，也會受到當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)的限制。

5 對我國地源熱泵發(fā)展的建議

1)地埋管優(yōu)化設(shè)計(jì)。改進(jìn)設(shè)計(jì)和安裝的方法來最小化地埋管的長度，并采用合理的埋管方式，降低地源熱泵的初始投資，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2)政府激勵政策。地方政府可以提供各種鼓勵補(bǔ)助政策，比如財政補(bǔ)貼，降低貸款利率，延長還款時間等，降低地源熱泵的初期投資費(fèi)用。

3)完善行業(yè)規(guī)范。建議政府盡快完善相關(guān)法規(guī)，行業(yè)內(nèi)部規(guī)范地源熱泵技術(shù)，制定行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)部門對地源熱泵設(shè)計(jì)、運(yùn)行、驗(yàn)收過程中發(fā)生的人員資質(zhì)進(jìn)行審核，同時加強(qiáng)專業(yè)知識的培訓(xùn)，加強(qiáng)監(jiān)督。

4)可行性分析。地源熱泵前期地質(zhì)勘探信息需要得到重視，通過計(jì)算確定該地區(qū)地源熱泵最大功率能否滿足設(shè)計(jì)要求。同時針對改造項(xiàng)目，要收集場地大量信息確定安裝地源熱泵系統(tǒng)的可行性，不能盲目跟風(fēng)。

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[1] 姜 波,海 洋.我國地源熱泵技術(shù)發(fā)展綜述[J].中華建設(shè),2010(7):68-69.

[2] 袁繼康,張 凱.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究綜述[J].住宅產(chǎn)業(yè),2014(7):39-42.

[3] 黃吉永,鄧岳保,鄭榮躍.基于靜鉆根植樁的地源熱泵管埋設(shè)技術(shù)[J].浙江建筑,2014(12):33-36，39.

[4] 王佳玉,周德源,薇薇安·洛夫特尼斯.綠色建筑暖通空調(diào)方案——能源樁系統(tǒng)及其發(fā)展綜述[J].動感(生態(tài)城市與綠色建筑),2012(1):50-55.

[5] 魯和祥,劉振宏.上海地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用及質(zhì)量監(jiān)督探索[J].福建工程學(xué)院學(xué)報,2010(S1):135-137，238.

[6] 可再生能源蓄能技術(shù)在低能耗建筑的應(yīng)用課題組，徐 偉.中國地源熱泵發(fā)展研究報告[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013：4-67.

The development comparison of ground source heat pump at home and abroad

Bao Xuming

(GeotechnicalEngineeringInstitute,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

This paper introduced the types and characteristics of ground source heat pump, compared and analyzed the development direction and trend of ground source heat pump system at home and abroad, and according to the existing problems of ground source heat pump development at home and abroad, put forward the solving measures, pointed out that though the ground source heat pump market in China started late, but developing rapidly, had great rise space.

ground source heat pump, buried pipe, water supply, energy saving and environmental protection

1009-6825(2016)20-0126-03

2016-05-07

鮑旭明(1994- )，男，在讀本科生

TU832

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