地源熱泵研究與應用的最新進展

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發布日期：2007-11-20 作者：王宇航陳友明彭建國瀏覽次數：342

【關鍵詞】地源熱泵

【摘要】地源熱泵研究與應用的最新進展

1、前言

　　地源熱泵技術，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩定的特性,，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內的余熱轉移到低位熱源中,達到降溫或制冷的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網等傳統的供暖方式和中央空調系統。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時,它還可供應生活用水，可謂一舉三得，是一種有效地利用能源的方式。地源熱泵（ground source heat pumps,GSHP）系統包括三種不同的系統：以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵，也有資料文獻成為地下耦合熱泵系統（ground-coupled heat pump systems）或者叫地下熱交換器熱泵系統（ground heat exchanger）；以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統（ground water heat pumps）；以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統（surface-water heat pumps）。這樣的分類在國內的暖通空調界已經達到了共識。

　　在中國，煤作為主要能源, 煤炭在我國能源體系中占主導地位，長期以來，煤炭在我國能源生產結構、消費結構中一直占有絕對主導地位，盡管近年來，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈現出上升的跡象。2002年煤炭在我國能源生產結構、消費結構中的比例分別由2001年的68.6%和65.3%上升為70.7%和66.1%。【3】從下表可以看出，雖然占能源消費總量得比重在逐漸降低，但煤炭在能源消費中依然是高據榜首。特別在冬季,在國內的農村和部分城市幾乎全部靠煤取暖。煤是各種能源中污染環境最嚴重的能源,只有減少城市地區煤的使用,城市大氣污染問題是才可能得到解決。現在各地都在采取措施控制燃煤的數量,選用電采暖、燃油或者燃氣采暖等措施,但都存在運行費用高、資源不足和排放CO2這些問題。受能源、特別是一次性能源與環保條件的限制,傳統的燃油、燃煤中央空調方式將逐步受到制約。從降低運行費用、節省能源、減少排放CO2排放量來看,地源熱泵技術是一個不錯的選擇。

能源消費總量

占能源消費總量的比重％

年份

（萬噸標準煤）

煤炭

石油

天然氣

水電

1957

9644

92.3

4.6

0.1

3.0

1970

29291

80.9

14.7

0.9

3.5

1980

60275

72.2

20.7

3.1

4.0

1990

98703

76.2

16.6

2.1

5.1

1999

122000

67.1

23.4

2.8

6.7

能源消費總量及構成

TOTAL CONSUMPTION AND COMPOSITION OF ENERGY

2、地源熱泵的發展歷史

　　地源熱泵是一種先進的技術，它高效、節能、環保，有利于可持續發展。這項技術最先開始于1912年，瑞士Zoelly提出了“地熱源熱泵”的概念。1946年美國開始對地源熱泵進行系統研究，在俄勒岡州建成第一個地源熱泵系統，運行很成功，由此掀起了地源熱泵系統在美國的商用高潮。1985年美國安裝地源熱泵14000臺，1997年則安裝了45000臺，目前已安裝了400000臺以上的地源熱泵，并且以每年10％的速度遞長。1998年美國商用建筑的地源熱泵空調系統已經占到空調保有量的19％以上，其中在新建筑里面占30％?！?】～【2】在歐洲國家里更多的是利用淺層地熱資源，來供熱或者取暖。

　　上個世紀70年代以來,隨著能源和環境問題的逐漸變得嚴重,在各個方面節能也被更多的考慮，以可再生的地熱源為能源的地源熱泵又引起了人們的重視。尤其是近年來,隨著能源和環境問題的日益突出,地源熱泵的研究和應用發展迅速,國內外的很多高校和研究機構相繼開展了理論和實際應用方面的研究。隨著研究的深入，我們的地源熱泵研究工作者在全國范圍內舉行了各種交流探討會。中國制冷學會第二專業委員會主辦了“全國余熱制冷與熱泵技術學術會議”；1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應用與發展問題專家研討會”；【4】中國能源研究會地熱專業委員會于1994年9月6日至8日在北京召開了第四次全國地熱能開發利用研討會；從90年代開始，每屆全國暖通制冷學術年會上都有“熱泵應用”的專題；2000年6月19～23日，中美地源熱泵技術交流會在北京召開，會議介紹了地源熱泵技術，國外的應用狀況和在中國的推廣；山東建筑工程學院地源熱泵研究所與山東建筑學會熱能動力專業委員會聯合發起并承辦“國際地源熱泵新技術報告會”于2003年3月17日在山東建筑工程學院舉行，加強了國內外地源熱泵先進技術的交流。

3、研究現狀及成果

　　從上個世紀80年代開始，國內對地源熱泵進行了一系列的研究工作，主要集中于以下幾個方面：（1）地下埋管換熱器的傳熱模型和傳熱研究；（2）夏季瞬態工況數值模擬的研究；（3）熱泵裝置與部件的仿真模型的理論和實踐研究；（4）地源熱泵空調系統制冷工質替代研究；（5）其他能源如太陽能、水電等與地熱源聯合應用的研究；（6）地源熱泵系統的設計和施工；（7）地源熱泵系統的經濟性能和運行特性的研究；（8）地源熱泵系統與埋地換熱器的技術經濟性能匹配方面機組整體性能的研究；（9）土壤熱物性及土壤導熱系數的試驗研究等等。

　　地源熱泵地下傳熱模型的理論基礎有三種：Ingersoll and Plass提出的線源理論；1983年BNL提出的修改過的線源理論；1986年V.C.Mei提出的三維瞬態遠邊界傳熱模型?！?】文獻[5]同時提出了現在比較廣泛應用的三種傳熱模型：基于能量守恒定律的V.C.Mei傳熱模型；IGSHPA（International Ground-Source Heat Pump）模型,該模型提供了計算單根豎埋管、多根豎埋管及水平埋管換熱器土壤熱阻的方法；NWWA（National Water Well Association）模型,該方法可直接給出換熱器內平均流體溫度。

　　在地源熱泵的三種不同的系統形式中，由于采用地下埋管換熱器，使得土壤源熱泵的技術難度最大，設計和施工都要很困難，所以一直也是地源熱泵技術的難點和核心所在。同濟大學的李凡、仇中柱和青島建筑工程學院的于立強應用有限單元法對土壤熱源地下U型垂直埋管周圍土壤的非穩態溫度場進行了數值模擬，其結果與實驗測試值吻合良好。根據數值模擬計算程序可給出U型垂直埋管向地下放熱量與埋管的埋深及埋管的熱作用半徑的對應關系，為U型垂直埋深、數量及間距的設計提供了參考依據?！?】對于土壤源熱泵在冬季工況下的啟動特性，同濟大學李元旦、張旭等結合實例表明，土壤源熱泵的冬季啟動時間比夏季的短，僅為4-5h。實測獲得了單位鉆孔長的取熱率為40-60W/m，可作為設計參考數據。分析發土壤源熱泵冬季制熱工況的系統COP值和壓縮機COP值，指出要獲得好的節能效果，必須優化系統，減少循環不和風機等的能耗?！?0】重慶大學的丁勇、劉憲英等則根據在所建設的15kW淺埋豎管換熱器地源熱泵試驗裝置上做的冬季供暖效果測試，建立了地下淺埋套管式換熱器的傳熱模型?！?】他們還介紹了根據淺埋豎管換熱器地熱源熱泵冬季測試結果，在夏季試驗中對試驗裝置及實驗方法的改進，測試了夏季定水量（63天）的運行效果和變水量運行時各性能指標的變化。采用系統能量平衡結合熱傳導方程建立的地下豎埋套管管群換熱器傳熱模型和過渡季大地溫度場模擬，與實測值吻合較好?！?】大地初始溫度是地源熱泵設計中的重要參數，實際測量很不現實，在文獻[5]中,他們采用計算法來確定大地的初始溫度。在不同的地質條件下，地下換熱器會收到不同的影響，重慶大學的付祥釗、王勇等人通過建立地源熱泵巖土換熱器的簡易數理模型，計算分析了豎直埋管的換熱器性能，并在重慶和上海兩地進行了巖土換熱器試驗，發現短期運行參數與實驗數據一致，長期連續運行性能參數小于實際值。結果表明，巖土性能及由年平均溫度決定的巖土原始溫度對巖土換熱器對巖土換熱器性能有顯著影響，在砂巖中設置的換熱器比沉積土中的性能好。【11】天津大學的李新國等人通過螺旋盤管地源熱泵供暖制冷實驗表明:（1）冬季從地下取熱盤管的出口溫度能保持在10℃左右,明顯高于冬季環境空氣溫度,有利于制熱性能。但夏季制冷地下盤管的進出口溫度已超過標準空調工況,分析原因,認為是地下盤管布置過于密集和未使用適宜的回填土,致使盤管散熱性能差。（2）實驗測得的系統COP和壓縮機COP值并不高,這與水源熱泵機組設計是否匹配、優化、水泵、風機的選擇是否匹配等有關,也是下一步改進的地方。（3）對小型地源熱泵,垂直螺旋盤管占地面積小,換熱性能較優。【9】天津大學的趙軍,袁偉峰等依據能量平衡,建立了地下淺埋套管式換熱器傳熱模型,求解并分析了影響傳熱的主要因素,提出了強化換熱的措施,給出了相應的函數關系圖?！?】

　　HCFC禁用期限的臨近，也推對了對地源熱泵替代工質的研究。天津大學和天津地熱研究培訓中心采用CSD方程進行循環工質的理論計算和選擇，針對以40～45℃地熱尾水為低溫能源的熱泵系統，在該系統中采用了循環性能較好的質量分數比為1：1的非共沸二元混合工質，以達到實際運行和環保要求。【12】R744作為一種天然工質，是熱泵系統中最有潛力的替代工質之一，中原工學院對此進行了研究，在文獻[13]中介紹了近10年來美國、歐洲和日本等發達國家和地區對R744熱泵系統進行的大量研究和取得的一些突破性研究成果，介紹了R744熱泵樣機及其壓縮機、換熱器、膨脹閥等各重要部件的研究狀況。中南大學運用基于AHP的綜合性能評價指標體系，認為HFCs及其混合物具有與R22相近的熱力性質，是目前地源熱泵系統的理想替代工質，其中R134a、R410A和R407C是近期合適的R22的替代工質。【14】

　　為了更好的利用能源，節約能源，保護環境，也有專家學者進行了其他能源和地源熱泵的聯合應用方面的研究。山東建筑工程學院和西安建筑科技大學對太陽能輔助供暖的地源熱泵的經濟型進行了分析。他們指出，在冬季，我國北方地方土壤溫度較低，并且以熱負荷為主，如果采用地源熱泵供暖，則機組和換熱器的初投資比較高，連續運行的效率也較低，夏季運行時機組容量過大，造成浪費?？梢岳锰柲芗療崞髯鳛檩o助能源，白天時，依靠地源熱泵供暖，夜間利用太陽能集熱器儲存的熱量，由地熱和太陽能共同供暖，這樣的方案比單純用地源熱泵供暖更經濟節能。【15】另外，浙江江能建設有限公司的研究人員在文獻[16] 里面分析了地源熱泵系統在水電站中應用的優勢，對于利用地下水進行了分析，不過，筆者認為，在水電站附近，適當的采取地表水熱泵系統，因為地表水豐富，所以會更加節能，降低費用，在地源熱泵的三種系統形式里面，國內研究較多的是土壤源熱泵和地下水熱泵系統，關于地表水熱泵系統研究的比較少，主要是合適的地表水資源太少了，或者是因為地理位置的原因限制了地表水熱泵的發展。不過，假如條件允許的話，比如在水電站附近，或者附近有豐富的地表水資源，不妨考慮運用地表水熱泵系統。

　　地源熱泵系統的設計主要集中在系統地下部分的設計，包括冷熱負荷的確定，地下換熱器的選型、布置，室內空氣氣流的組織形式，熱泵的容量等，不過要重視對地源熱泵空調系統設計的基礎資料的準確性和真實性進行鑒別，特別是水文地質、地表情況、試驗井(坑)、水質這些資料，以免造成系統失敗或者和預期效果大相徑庭。對于地下水熱泵系統、土壤源熱泵系統、地表水熱泵系統，都有不同的設計步驟和施工方法，具體可參考文獻[17]~[21]，[25]。

　　隨著地源熱泵在中國的逐漸推廣，對地源熱泵系統經濟性能和運行特性的研究也日益受到重視。哈爾濱工業大學針對地源熱泵鉆井費昂貴、初投資比普通供暖空調高的問題,利用經濟評價方法,以哈爾濱地區供暖面積10000m2為計算對象,分析比較了地源熱泵3種驅動源(電動機、燃氣機、柴油機)、3種輔助熱源(電鍋爐、油鍋爐、燃氣鍋爐)、共計9種系統組合的經濟參數(初投資、年經營成本、年總成本、凈現值,凈現值率及投資回收期),分析計算得出燃氣機驅動、190KW輔助燃氣鍋爐的地源熱泵系統為最佳的結論?！?2】北京建筑工程學院的研究從節能分析出發,結合工程實例,對地源熱泵系統即地下水熱泵系統和土壤源熱泵系統與風冷熱泵系統在技術性能和經濟性能方面進行了對比。分析表明地源熱泵系統性能參數比風冷熱泵系統有較大提高;初投資和運行費用比風冷熱泵系統節省24～30%左右。【23】天津大學熱能研究所和河北建筑科技學院依據圓柱源理論，建立了耦合地面熱泵機組和地下埋管換熱器特性的模擬模型，探討了模擬過程中有關參數的確定方法，并運用模型對地源熱泵的冬季和夏季運行特性進行了模擬，模擬結果和實驗實際測得的數據相符?！?4】

　　對于土壤源熱泵來說，土壤作為熱泵系統的熱源，對土壤熱物性及土壤導熱系數的試驗研究顯得尤為重要。同濟大學采用探針法，通過實驗得到了土壤及其與不同比例黃砂混合物的導熱系數隨含水率和密度的變化規律，土砂混合比為1：2時的混合物的導熱系數最大，為尋找最佳的回填材料提供了基礎數據。【26】

4、工程應用實例

　　目前國內地源熱泵的應用實例比較少，但是在逐漸增多，這里影響比較大是中美合作在中國建設的三個地源熱泵示范工程。1997年，中國科技部與美國能源部簽署了《中華人民共和國國家科學技術委員會與美利堅合眾國能源部地熱開發利用的合作協議書》。根據協議規定，中美兩國政府合作在中國的北部、中部和南部建立三個地源熱泵的示范工程。北部示范工程是中國食品發酵研究所綜合辦公樓及專家樓，中部示范工程是寧波雅戈爾工業城，南部示范工程是廣州松田職業技術學院。

　　除了這些之外，還有其他的一些工程實例。其中比較有代表性的工程有：

　　清華同方人工環境有限公司承擔的山東東營市勝泰大廈的地下水熱泵系統和空軍豐臺招待所、辦公樓的地下水熱泵空調改造系統。其中，東營市勝泰大廈的建筑面積4500m2，制冷量271KW，冷凍供回水溫度7℃/14℃，輸入功率62KW，制熱量290KW，熱水供回水溫度50℃/40℃，輸入功率83KW。設計了2口水源水井，當其中1口為抽水井時，另1口水源井為回灌井?？哲娯S臺招待所、辦公樓冷量1400KW，熱量1500KW，生活熱水約265KW，采用3口供水井，井深50米，地下水出水溫度為15℃左右，回灌井2口，井深28米?！?】，【27】

重慶大學城市建設與環境工程學院參與的新疆米泉市小型辦公樓和重慶大學B區暖通實驗樓兩個房間采用了土壤源熱泵系統。其中，米泉市小型辦公樓空調總面積123m2，冷量10.4KW，熱量9.84KW，采用水平埋管土壤源熱泵系統。暖通實驗樓兩個房間78m2，采用15根深10m的淺埋套管換熱器，還設有2組埋深分別為1m和2m的水平埋管，埋管長度為50m，運行效果良好?！?0】

　　山東建筑工程學院地源熱泵研究所與煙臺荏原空調設備有限公司合作推出地源熱泵系統并成功地應用在該院學術報告廳的中央空調系統中,空調總面積為500m2，冷量110KW，采用垂直埋管土壤源熱泵系統。【1】，【4】

　　遼寧省遼陽市郵電局的兩棟宿舍樓（建筑面積共計6000ｍ2）采用了由山東海陽富爾達公司與清華大學工程力學系聯合研制出的富爾達地溫中央空調。運行結果表明:冬季室內溫度始終保持在18℃以上,最高可達25℃?！?】

　　內蒙古的地源熱泵科技攻關項目，由內蒙古機電設計研究院組織人員攻關。科技廳選擇了一所賓館和一幢具有辦公、餐廳、商場、體育運動場為一體的建筑,做試驗示范基地。總建筑面積為7900m2。系統水源為兩個井深為180m,井的直徑為320mm的水井,其中一口井為供水井,另一口為回灌井,兩口井可交替使用。該系統于2002年元月開始試水、試運行,通過冬季采暖期180天、夏季運行90天的試驗證實,該系統制冷時提供的出口溫度為7～12℃冷水,供熱時提供出口溫度為45～50℃熱水,最高可達50℃。夏季使室溫控制在25℃以下,冬季使室溫保持在16～25℃,同時可供42℃衛生熱水,集供熱、制冷、供應衛生熱水為一體，是一個很成功的例子?！?8】

　　另外，為了將北京2008年奧運會辦成歷史上最為成功的一屆，實現“綠色奧運、人文奧運”的目標，北京市政府將地熱資源的開發利用列入奧運公園的能源供應規劃之中。專家們預測，2008年北京奧運會之前北京奧運公園將鉆10眼地熱生產井與回灌井，預計井深3000～4000m，每口井日出水量在1500m3以上，水溫均大于65℃以上。【30】這個是讓暖通空調工作者振奮的好消息。

5、存在的需要注意的問題

　　地源熱泵從開始研究到應用的過程中，雖然它是環保、節能、先進的空調方式，但仍然存在一些需要注意的問題：

（1）水資源利用的問題

　　水資源的利用，應建立在合理的基礎之上，對于地下水的使用問題，國家已經有相關的法律、法規、標準出臺，應嚴格執行《中華人民共和國水法》和《城市地下水開發利用保護管理規定》等法規，確保水資源不受污染，不對地質造成災害。

（2）采取可靠的回灌手段

　　大量的開采地下水而不采取可靠的回灌手段的話，后果不堪設想。應加強對水井抽取后進行回灌，還要對水井進行維護，增加水井的使用壽命?；毓嗨€不應污染地下水源。

（3）設計過程中要注意水文地質問題

　　利用地下水源時，要了解地源熱泵系統設計的基礎資料。要在當地完成對工程所在地的井深、水溫、水量、水質等原始資料的采集，并保證這些資料的有效性和正確性，對這些資料進行分析研究。這是一項很重要的工作，可是經常在工程實踐中被忽視，從而造成了系統的失敗，比較典型的是寧波雅戈爾工業城的例子?！?】主要是出水量的問題，在提供的可行性報告中提出的是單井每小時的出水量，但實際上是單井每天的出水量，所以造成不得不采用其他的方式進行補救。

（4）水質處理問題

如果水質不適合直接使用于地源熱泵機組，那需要采取相應的水處理措施。

　　比如用過濾器、水處理儀、沉淀池等裝置處理后再用于地源熱泵機組。一般情況下地下水不能直接用于供暖，因為地下水一般會含有一定數量的碳酸鹽、硫酸鹽、腐蝕性氣體及泥沙等物質，可以經過板式換熱器間接利用地下水，延長機組使用壽命，減少維修費用。

（5）地下換熱器的設計

　　地下換熱器的設計要注意對建筑負荷、回填材料、土壤地層特性等進行精確的勘測和分析。

（6）國產設備的質量問題

　　現在國內生產的地源熱泵產品的廠家越來越多，但大部分的產品質量和性能堪憂。由于過去沒有水源熱泵的國家標準，所以各廠家的規格、參數不一。有的設備廠家直接從別的公司買進設備，拆了自己照著做，沒有自己的設備研究和開發能力，所以造成這樣的局面也在情理之中。2002年12月6日全國制冷設備標準化委員會會議已審訂了《水源熱泵》國家標準，以后可以逐漸達到統一。【29】不過，中國暖通空調界需要更多其他的相關的地源熱泵的國家標準或規范。

（7）合理地配置整個系統

地源熱泵雖然是綠色的空調方式，但是沒有一套合理的系統，它的節能、環保的優勢就無法發揮出來。

6、結束語

　　地源熱泵作為一種環保節能的空調方式，應該得到我們的研究工作者對其進行更為深入的研究，探索其關鍵性技術。目前在國內地源熱泵機組的設計、安裝、運行、維護等各個方面還沒有成型的行業標準和規范,其推廣應用還有待時日。但地源熱泵技術在中國就像一個新事物必須經歷挫折和教訓一樣逐漸地發展。作為一門新技術，它為我們的國家的可持續發展帶來了契機，在不遠的將來，隨著國富民強，經濟實力的提高和生活水平的進步，研究和技術人員的努力，在中國一定有廣闊的市場前景。

參考文獻：

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