欧洲地源热泵和地热能储量的现状

张世将 杨逍鹏 陈正顺

摘要 地源热泵作为一项节能技术在欧美国家已得到大量的应用,尤其供冷在市场上已被人接受,但对于供热,尤其是高温供热(>50℃),仍处于论证阶段。尽管地源热泵至今已被使用了超过50年(最先在美国),但是,这项技术在市场上仍处于初期,而燃料供热和空气源热泵供冷占据了市场的主要地位。在德国、瑞士、奥地利、丹麦、挪威、法国和美国,大量地源热泵被使用,而安装指南、质量控制和承包证明仍是现在主要的争议点。

关键词 地源热泵;地下蓄热;欧洲

中图分类号 TK11文献标识码 A文章编号1674-6708(2009)08-0065-03

0 引言

地源热泵系统,是热泵与地埋管换热器(闭环系统)或地下井水(开环系统)综合的系统。供热情况下,地球作为热源,流体(通常为水或水—防冻剂的混合液)作为媒介将热量从地球传递到热泵的蒸发器,因此,利用的是地热能。制冷时,地球为冷源。对于地埋管换热器(BHE),地源热泵既能供热也能供冷,事实上能用于任何场所,对较多地适应各种要求。

大多数欧洲国家没有丰富的能直接利用的热水资源(除了冰岛、匈牙利和法国)[1]。在有特殊地下设施的地区,利用低焓地下水为大量顾客提供区域供热受到限制。这种情况下,在非集中GSHP(地源热泵)系统中,利用到处存在的浅层地热资源是一个明显的选择。因此,在许多欧洲国家,地源热泵得到了快速的应用和发展,结果是这种系统在市场上也得到了快速的推广,经营这一领域的公司数目也在逐步增加。

在欧洲中部和北部,地源热泵的市场大量推广,由于其气候条件,主要用于供热,空调使用较少。因此,不像地源热泵在美国,热泵在欧洲主要在供热模式下运行。在欧洲南部,尤其是希腊和土耳其西部,地源热泵安装使用还只是刚通过论证阶段;在瑞士人的技术支持下,第一个地埋管地源热泵系统试验点于1993年建在希腊(Papageorgakis,1993)。这一努力促使了随后的雅典国立理工大学一工程的实行——使用地下水井和地埋管混合地源热泵系统对一采矿建筑进行供热供冷(Karytsas et al,2002);随后还有其它的工程(Mendrinos et al,2002)。考虑到在较大规模的商业建筑中需要供冷,还有这项技术在欧洲南部得到不断应用,同时供热和供冷将变得越来越重要。

1 GSHP技术的现状

地源热泵(GSHP),实质上是热泵和与地下换热系统的综合。基本上,它们由地埋管换热器(闭环系统)或者地下井水换热系统(开环系统)组成。热量可通过以下几种方式从地下提取:

1)地下水井(“开式”系统);

2)竖直地埋管换热器(BHE);

3)水平地埋管换热器(包括水平铺设在管沟内的埋管,螺旋管等等);

4)“桩基埋管”(换热器安装在地基内)。

在过去的几年中,进行了实验和理论研究(现场测量和数值模拟),为设计和性能评价地埋管系统得出详细可靠的数据(见Knoblich et al,1993;Rybach 和 Hopkirk,1995;Rybach 和 Eugster,1997)。20世纪80年代,在瑞典的研究主要是对地埋管系统进行理论热分析(Claesson 和 Eskilson,1988;Eskilson 和 Claesson,1988),同时,瑞士在进行监测和模拟(Gilby 和 Hopkirk,1985;Hopkirk et al,1988),德国在测试点进行土壤热传导测量(Sanner,1986)。

这些系统供热时将地球作为热源,流体(通常为水或水—防冻剂混合液)作为媒介将热量从地球传递到热泵蒸发器,因此,使用了地热能。制冷时,地球为冷源。每千瓦时的制热量或制冷量,通常需要消耗0.22~0.35KWh的电量,比空气源热泵系统节能30~50%[2]。

在既定的运行条件下,有用能与热泵耗电量的比值被定义为“性能系数”或COP。COP值取决于来自地下循环的热泵进水温度,而进水温度取决于地质条件(地下热参数和水压参数,气候条件)和技术参数(地埋管的长度和形式,材料,灌泥浆的性质,等)。其它影响热泵COP的因素有供热/供冷负荷,建筑供热/供冷系统的形式和有关的供水温度。地下大约10m深处,土壤温度常年为常数(取决于主要气候条件和周围环境温度),而地表面以下温度随着深度的增加缓慢增加,因此,竖直埋管式换热器在性能和能效上优于水平埋管换热器。

在美国,水源热泵工程委员会(WSHPEC),通过实验室测试对多种模型比较了不同标准下的能效比。其额定功率小于40kW,结果指出了现有的ARI(空调与制冷学会)标准:供热时地源热泵的最小COP值为2.5,供冷时最小为2.9。水源热泵工程委员会对2001年ASHRAE 90.1制定的水源热泵的最小能效比提出了推荐修正值,修正为供热时取3.1,供冷时取3.9。在欧洲相似的测量值主要来自瑞士热泵测试中心,已真实出现了更高的能效比值。当源侧温度为0℃,供热温度为35℃时,COP值能接近5,供热温度为50℃时COP值大约3.5(见图1)。

图1 盐水/水热泵的COP值(用于地源热泵系统),测于热泵测试中心

虽然对于已有的地源热泵系统的COP值最高为4.5左右,但是它们运行期间内的平均COP值较低。平均COP值,通常称“季节性能系数”(SPF),定义为运行期间的平均COP值,SPF的取值大约为SPF=3.0-3.8[3]。当地源热泵系统的所有组成部分都达到高标准,而且采用最合适的建筑供热系统时,SPF值能达到4.0;这种情况下,热泵通常不提供生活热水。

使用竖直埋管换热器系统时,输出给定的功率所需要的埋管长度主要取决于土壤的性质,包括土壤的温度、含湿量、颗粒大小和形状、导热系数。选择正确的竖直埋管换热器的大小是设计的一个目的,特别要注意使相邻钻孔间的热干扰尽量小化。关键点在建筑负荷、钻孔间距、回填材料和所在地点的特征。由于地源热泵的初投资较高,设计过大则会导致比传统系统更高的损失。

最近几年,在地源热泵方面的两个重要的技术发展是:

1)热响应测试,现场确定地下的各项热参数;

2)使用加强导热的灌泥浆材料。

在热响应测试中(Sanner et al,2000),给定钻孔内埋管一定的热负荷,测试循环流体相应的温度变化从1999年中期开始,这项技术已在欧洲中部被用来设计更大的竖直埋管地源热泵系统,在可靠的地下数据的基础上确定钻孔尺寸。热响应测试最先于1995年在瑞典和美国出现(Gehlin,1996;Austin,1998),现在被很多国家使用,包括土耳其。同时使用可靠的设计软件(Hellstrom 和 Sanner,1994;Hellstrom et al,1997),即使大量使用,竖直埋管地源热泵系统能成为一项安全可靠的技术。

热加强灌泥浆材料在美国已使用了十几年。它的使用能显著的减少钻孔内的导热热阻,从而控制了远边土壤与埋管内流体间的温差。也能通过对不同灌泥浆材料的地埋管换热器进行热相应测试得出其结果。

2 市场机会和阻碍

竖直埋管的设计常出现对流动、压降和控制参数处理不当,由于设备的腐蚀出导致的渗漏,施工质量较差,还有管材和循环换热流体的选择等诸多问题。以上都要求工程师的专业技术和承包方的地源热泵安装资格,这些都为地源热泵的市场推广设置了很大的障碍。在地源热泵系统市场较好的国家(例如瑞典、瑞士和德国),开始强制设立技术指南、承包资格证明、质量鉴定表彰等,以保护厂家和消费者避免质量很差和使用寿命短的地源热泵系统。

已有的地源热泵只适用于低温供热系统,因为它们不能满足欧洲地区大量老的供热建筑的高温供热要求,从而或多或少地限制了其在新建建筑中的使用。热泵系统提供热水给风机盘管、地板供热或低温散热器时,通常将水温从40℃升高到45℃,热水在建筑内供热系统中循环的最高温度为50℃。供水温度越高,热泵COP越低。水-水热泵内热水流入室内测的标准温度和最高温度分别为40℃和50℃。依据ISO 13256-2,欧洲一些指南中的最高温度为55℃。

以上的商业热泵系统中的温度上限,使得其只限用于低温供热系统,比如风机盘管系统、低温散热器系统或低温地板辐射系统。但是,在欧洲许多建筑中安装的是传统供热系统,一般由燃油锅炉和标准散热器组成,也就是高温供热系统。散热器内热水温度为80~90℃,温降为10~20℃。由于商业热泵的设计温度最高为50℃或60℃,温降为5~6℃。因此,在已有的建筑中用低温供热系统替换高温供热系统则必须整个的替换,包括用风机盘管或其它高级系统取代散热器,还要安装更大管径的管子。瑞士已出现了能使用65℃热水的热泵SATAG;这可以认为是为老建筑进行翻新的第一步。

很难统计出欧洲已经安装的热泵的数目,尤其是统计每一种热源的热泵数目。图5给出了主要的欧洲国家所安装的热泵数目的一些数据。2001年瑞典的非常大的数目的出现是安装了大量的废气排气-水热泵系统和其他水-水热泵系统的结果。但是,瑞典安装的地源热泵系统的数目也最多。总的来说,除了瑞典和瑞士(表1),欧洲地源热泵的市场推广仍比较适度。市场的进一步推广仍有充足的潜力,其技术前景也认可这一期望。以瑞士为例,其在产热量上的增长(图2)鼓舞了其他国家。德国的趋势(图3)也很乐观,2002年地源热泵(土壤源和水源)占了大约82%的份额。

表1 地源热泵在全部民用供热中所占的份额(数据来源于Van de Ven,1999)

图2 瑞士竖直埋管地源热泵系统的地热产热量(进入热泵之前)。数据来源于AWP销售统计数据。由瑞士伯尔尼联邦能源办事处调查(见 Wilhelm 和 Rybach,1999)。

图3 德国每年热泵销售量,根据不同的热源(数据来源于汉诺威的IWZ e.V.和慕尼黑的BWP e.V.。不包括热泵用于提供生活热水)

3 结论

地源热泵技术最早是瑞士工程师Zoelly发明的一项专利,最初作为一种新能源利用方式的概念没有在实际工程中应用,随着1973年的世界能源危机,欧洲,北美等地区加大了对该项技术的研究,特别是工程塑料的管材替代原地源热泵钢管地埋管,克服了地下管材腐蚀的问题,地源热泵在欧洲和北美得到了大力发展。我国对该项技术的研究应用起步于上个世纪90年代,作为一项引进的技术,直接跨过了很多技术方面的“弯路”,特别是最近几年,地源热泵已作为一项节能标志,在工程上大量应用,但具体的早期土壤测试,设计,包括施工都没有适应中国气候环境的有力技术支持。从欧洲对这项技术的几十年的发展状况和现在研究的主要内容看,我国应该提高地源热泵应用的前提技术条件,即地埋管周围岩土的情况勘察,包括地下水流动。推广的区域应该是黄河以北的冬、夏季空调负荷相当的区域或供热为主的东北地区,特别是在需要供热的同时又适合使用地源热泵的北方广大农村,地源热泵替代小型家庭供热的“煤炉”将会给我国的“节能减排”带来显著效果。

参考文献

[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]张勇,王晏平,陈正顺.混合式地源热泵控制方法分析[M].建筑节能,2009(2):47-49.

哈尔滨科协“调研30天”活动成效显著

11月16日,哈尔滨市科协召开2009年“调研30天”优秀调研成果表彰会,对在“调研30天”活动中的优秀部门及优秀个人调研成果进行表彰。哈尔滨市科协党组书记、常务副主席孙鸿达为获奖部门及个人颁奖。哈尔滨市科协全体机关干部40余人参加了会议。

在今年的“调研30天”活动中,哈尔滨市科协机关共完成调研课题41篇,其中,部门成果12篇,个人成果29篇。经成果发布、全员打分和党组会审定,最后有8个部门、15名个人,共计23项调研成果获优秀调研成果奖。

为进一步激发科协干部对调研工作的积极性、主动性和自觉性,不断提高调研工作层次水平,推动调研工作为科协工作向更高层次发展服务,从2006年起,哈尔滨市科协先后开展了由市科协机关部门负责人牵头的“调研月”、由市科协机关全员参与的“调研30天”以及由科协系统共同参与的“调研30天”活动,据统计,截至2008年,哈尔滨市科协系统在“调研月”和“调研30天”活动中累计立项并完成调研成果107篇,提出问题343项、对策建议413条,完成工作成果转化10余项,采纳建议近百条。

从“调研月”到“调研30天”,哈尔滨市科协通过突出抓好调研选题、成果转化、调研参与面、调研制度建设四个关键环节,使哈尔滨市科协全体干部的理论思维能力和工作实践能力得到了锻炼,工作作风得到改善。

为适应党和国家对新时期科协组织提出的新要求,切实解决科协干部作风不硬、站位不高、思路不宽、创新能力不强等制约和影响科协事业发展的瓶颈问题,哈尔滨市科协党组提出,要在哈尔滨市科协系统上下掀起调查研究、求真务实之风,锻炼科协干部迎接挑战、勇挑重担的能力,以积极探索的求实态度创建深入基层、深入实际,掌握实情、破解难题的调研工作新机制,努力为推动科协事业进步,更好服务哈尔滨经济社会发展做出新贡献的奋斗目标和工作部署。

(黑龙江省科协)

重庆巫溪县委发文要求健全乡镇科协组织

了切实加大基层科普宣传工作力度,建立健全科普组织网络,全面贯彻实施《全民科学素质行动计划纲要》,提高农民科学素质,加速新农村建设步伐,近日,重庆市巫溪县委发文要求在全县30个乡镇健全充实科协组织。

巫溪县地处渝东南,近年来由于乡镇、村建制多次调整,人员变动大,基层科协组织很多已不存在。今年10月,巫溪县委研究决定,在新建制的30个乡镇全部建立科协组织,乡镇科协组织由2~3人组成,原则上由乡镇副职任科协主席,农技服务中心负责人任秘书长,成员由乡属部门负责人组成。乡镇科协的主要任务有推广农村实用技术,促进新成果转化,指导农民运用农村科技,促进农民增收,举办实用技术和技能培训班,拓展农民致富和农民工务工的渠道,协助乡镇人民政府组建科普服务站、科普宣传栏、科普宣传员队伍,组织开展科普宣传活动,反映基层科技工作者的建议、意见和诉求,维护其合法权益,指导辖区各专业学(协)会开展工作等。

目前,各乡镇正在积极行动,巫溪县科协全力推动,将在11月底前全面完成组建任务。