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地源热泵在国外的发展概况
地源热泵在国外的发展概况
[摘要]地源热泵技术是一项空调、供暖和热水供应技术．本文分析了国外地源热泵的结构型式，地热热交换器的型式；介绍欧美国家地源热泵研发背景、发展状况及应用概况。
[关键词]地源热泵地热交换器能源应用
一、概述
地源热泵（GroundSourceHeatPumpGSHP）是以大地为热源对建筑进行空调的技术。
冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。
夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相当，冷暖负荷基本相同，用同一系统，可以充分发挥地下蓄能的作用。
地下蓄能系统的埋管可环绕建筑布置；可布置在花园、草坪、农田下面或湖泊、水池内；可布置在土壤、岩石或地下水层内；也可在混凝土桩基内埋管。
不必远距离输送，不必大面积开挖，也不占用地面，实是一种节能、对环境无害的绿色空调设备，符合可持续发展的要求。
“地源热泵”（GSHP）的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，20世纪50年代欧洲出现了利用地源热泵的第一次高潮。
在此期间,Ingersoll和Plass根据Kelvin线源概念提出了地下埋管换热器的线热源理论，但当时由于能源价格低，系统造价高，未得到广泛应用。
上世纪70年代初期，由于石油危机的出现和环境的恶化，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。
二、热泵工作原理
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。
但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。
所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。
热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：
压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；
蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；
冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；
膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。
根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
三、地源热泵特点
1.属可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。
地表浅层地热资源可以称之为地能（EarthEnergy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。
地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。
它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。
这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
2.属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。
另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。
3.环境效益显著
地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。
虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。
该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
4.一机多用，应用范围广
地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。
此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。
当然，象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约，实际上地源热泵并不需要开采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染。
四、地源热泵的分类及其各自特点
美国制冷与空调学会（ARI）根据地下换热介质的不同分为三类：
一是与地表水换热的水源热泵（water-sourceheatpumps）；二是与地下水换热的地下水源热泵（groundwater-sourceheatpumps）；三是与土壤换热的地下耦合热泵（ground-coupledheatpump，groundsourceclosed-loopheatpumps，也叫土壤源热泵、闭环水源热泵）。
美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）出版的《地源热泵工程指南》一书中，将以上三种地源热泵名称统一称为地源热泵（ground-sourceheatpump）。
针对以上三种地源热泵，ARI（Air-ConditioningandRefrigerationInstitute）在1998年分别制订了水源热泵（water-sourceheatpumpsARI320）、地下水源热泵（groundwater-sourceheatpumpsARI325）、闭环水源热泵（groundsourceclosed-loopheatpumpsARI330，也叫土壤源热泵）的标准。
最近，ARI出版了其新标准：
ANSI/ARI/ASHRAEISOStandard13256-1:
1998,Water-SourceHeatPumps-TestingandRatingforPerformance-Part1:
Water-to-AirandBrine-to-AirHeatPumps（水源热泵.性能试验和功率测量.第1部分:
水-气体和盐水-气体热泵）；ANSI/ARI/ASHRAEISOStandard13256-2:
1998,Water-SourceHeatPumps-TestingandRatingforPerformance-Part2:
Water-to-WaterandBrine-to-WaterHeatPumps（水源热泵.性能试验和功率测量.第2部分:
水-水和盐水-水热泵）。
这些新标准用来替代ARI320，325，330。
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—水或热泵机组或水—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（<30m）,中层（30～100m）和深层（>100m）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。
下耦合热泵（ground-coupledheatpump，groundsourceclosed-loopheatpumpsARI闭环水源热泵
（groundsourceclosed-loopheatpumpsARI330）标准
名称
ARI分类
制冷时的分布
制冷与供热
制冷
供热
整体式系统
HSP-GS
HOSP-GS
HOSP-GS
风扇
压缩机
蒸发器
冷凝器
分体式系统
HRCU-GS-CB
HORCU-GS-CB
HORCU-GS-CB
风扇
压缩机
蒸发器
冷凝器
分体式系统室内无风扇
HRCU-GS-C
HORCU-GS-C
HORCU-GS-C
压缩机
蒸发器
冷凝器
标准等级工况
a.制冷（不宜用于仅供热的机组）：
室内单元空气温度：
干球温度26.7℃，湿球温度19.4℃
环境空气温度：
干球温度26.7℃
换热器进口流体温度：
21.1℃
流体流量：
由制造商确定（该流量应用于所有测试工况）
b.供热（不宜用于仅制冷的机组）
室内单元机组空气温度：
干球温度21.1℃，湿球温度15.6℃（最大值）
环境空气温度：
干球温度21.1℃
换热器进口流体温度：
0℃
流体流量：
由标准等级制冷工况测试确定
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—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。
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。
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。
地下水源热泵（groundwater-sourceheatpumps）ARI地下水源热泵
（groundwater-sourceheatpumpsARI325）标准
名称
ARI分类
制冷时的分布
制冷与供热
供热
整体式系统
HSP-GW
HOSP-GW
风扇
压缩机
蒸发器
冷凝器
分体式系统
HRCU-GW-CB
HORCU-GW-CB
风扇
压缩机
蒸发器
冷凝器
分体式系统室内无风扇
HRCU-GW-C
HORCU-GW-C
压缩机
蒸发器
冷凝器
标准等级工况
a.制冷（高温，不宜用于仅供热的机组）：
室内单元空气温度：
干球温度26.7℃，湿球温度19.4℃
环境空气温度：
干球温度26.7℃
换热器进口水温：
21.1℃
水流量：
由制造商确定
b.制冷（低温，不宜用于仅供热的机组）：
室内单元空气温度：
干球温度26.7℃，湿球温度19.4℃
环境空气温度：
干球温度26.7℃
换热器进口水温：
10℃
水流量：
由制造商确定
c.供热（高温）
室内单元空气温度：
干球温度21.1℃，
湿球温度15.6℃（最大值）
环境空气温度：
干球温度21.1℃
换热器进口水温：
21.1℃
水流量：
由制造商确定
d.供热（低温）
室内单元空气温度：
干球温度21.1℃，
湿球温度15.6℃（最大值）
环境空气温度：
干球温度21.1℃
换热器进口水温：
10℃
水流量：
由制造商确定
五、地源热泵在国外的应用
1.地源热泵在美国
1.1地源热泵在美国的发展历程
美国的地源热泵主要是在水源热泵的基础上发展起来的。
自从20世纪50年代,水源热泵在美国就已经作为一种商品开始生产,但那时的市场主要是南佛罗里达的居民住宅。
这些早期的系统都是运用地下水或河湖作为水源,利用水泵把水抽到地表再通过热泵来实现供暖的功能。
60年代初,为了满足建筑物不同区域的不同空间用途,出现了能用于建筑物不同区域的分开式热泵系统,它们通过水环路与中央水泵站和地热源连接起来。
这种系统一开始主要出现在美国的西海岸,但是由于它能与冷却器和锅炉合用从而保证进水温度在水源热泵的范围内,这种系统迅速地在美国东海岸和北美的其他地区传开。
到今天为止,它仍然在被使用,并被称为“水环路热泵”（Water2loopHeatPump）。
这种系统主要应用于商业办公大楼和公共大楼,例如学校等。
70年代末80年代初,地源热泵在原有的水源热泵的基础上得到发展。
通过改进,水源热泵扩大了进水温度范围,这也使得闭式环路地热交换器能够取代以前的热交换系统。
至此,美国进行了多种形式的地下埋管换热器的研究、安装和测试工作。
现在美国所安装的地源热泵主要是闭式环路系统,它根据塑料管的安装形式可分水平埋管和垂直埋管。
它可以被有效地应用于任何地方,也正是这种广泛应用促使了最近几十年美国地源热泵产业的快速增长。
1.2美国政府对地源热泵的支持
在美国政府介入地源热泵产业之前,就有实业家,包括承包商和生产者,建立了有关这方面的公司,但它们的规模都很小。
从20世纪80年代初,许多公共事业单位开始在他们的服务区赞助有关地源热泵的项目,并获得了成功。
到了20世纪90年代,美国政府开始关注地源热泵。
美国能源部下属的能源信息管理机构在一份关于国家能耗战略发展的报告中指出:
“如果使用地源热泵,到2030年估计可以节约能源2.7百万的四次方Btu”。
而美国环境保护局的一份报告中也指出:
“与传统的家用空调制冷系统相比,地源热泵是最节能并且对环
境没有污染的一种选择,如果全国大范围的使用地源热泵系统,将能够显著地节约能源和减少污染”。
1994年,为了大力发展地源热泵,使它能被消费者接受。
美国能源部（DOE）、自然乡村电力合作社（NRECA）、电力研究所（EPRI）和世界地源热泵协会（IGSHPA）等组织与相关的工厂、实验室、研究所和大学合作建立了许多项目。
其中最著名的
项目是“国家能源综合规划项目（NECP）”,它的目标是:
①到2000年,每年减少会导致温室效应的有害气体150万t,②到2000年,地源热泵的年销售量从4万台增加到40万台;③为地源热泵提供
一个持续发展的市场。
为了实现这个目标,消除导致地源热泵不能被广泛采用的三个主要障碍,组委会成立了相应的三个委员会,它们分别是初投资竞争委员会、技术保证委员会和公共建筑加强委员会。
这三个委员会根据各自的问题分别提出了解决方案,并基本解决了问题。
到2001年4月为止,美国已安装了40多万台地源热泵。
值得注意的是,美国政府对这些项目的经济赞助情况见表1。
表1关于地源热泵项目的经济赞助
年份
DEO的资助（百万美元）
公共单位赞助（百万美元）
总赞资助额（百万美元）
1994
0.0
6.0
6.0
1995
6.5
13.0
19.5
1996
9.0
13.0
22.0
1997
8.5
14.0
22.5
1998
5.5
8.0
13.5
1999
4.0
7.0
11.0
2000
1.5
4.0
5.5
总数
35.0
65.0
100.0
2.地源热泵在欧洲
2.1热泵在欧洲不同国家之间的不平衡发展。
驱使政府去投资研究使用地源热泵的原因是为了降低能耗和污染。
虽然欧洲的能源消耗增长率远低于亚洲和北美,但是许多欧洲国家因为各自的原因,例如许多国家想要限制或停止使用核能;许多用气的国家不得不面对气费增加的问题;欧洲自身的油产量很低;水力的进一步使用受到了自然热爱者的抗议等问题,不得不考虑如何节能。
驱使用户购买地源热泵的原因在于它本身的经济性。
对许多欧洲国家,环保是最重要的原因,但对于许多其他国家的人民,经济性依旧是最基本的因素。
地源热泵是通过消耗电能来工作的,在欧洲,尤其在北欧,气是不常用的,而油价通常又高于电价,所以地源热泵在北欧的广泛应用就不足为奇了。
而随着油价的进一步上扬,地源热泵的应用必将得到进一步的发展。
2.2地源热泵在欧洲的发展历史
“地热源热泵”的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中,20世纪50年代,欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮,但由于当时的能源价格低,这种系统并不经济,因而未得到推广。
直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机,它才开始受到重视。
在政府的资助下,许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。
这一时期,欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵,主要用于冬季供暖。
这时的研究主要集中于土壤的传热性质,换热器形式,影响埋管换热的因素等方面。
虽然欧洲是世界上发展地源热泵最成熟的地区,但是它也曾经走过一段弯路。
当时,热泵专家不懂安装技术,安装工人又不懂热泵原理。
因此,在一段时间的快速增长以后,市场充斥了许多不可靠的产品,错误的安装,而价格也没有按预期下降,这都导致了80年代末热泵市场的全面崩溃。
仅仅只有少数企业可以幸存,至今为止,绝大多数地源热泵的生产厂家只是某一公司的其中一个部门。
瑞典的IVT公司是欧洲最大的热泵生产厂家,但尽管如此,在世界范围内,它仍然只是一个小公司。
随着科技的进步,关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格,地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。
一些国家组织了专门的机构来帮助用户、安装者和生产厂家,这些组织包括“欧洲热泵协会”（EuropeanHeatPumpAssociation）与“DACH”（由来自德国,奥地利和瑞士的专家组成的协会）等。
同时,一些大的生产厂家开始为设计地源热泵而编写软件,尤其是地下换热器部分。
现有的软件有:
EED、GchpCalc、GLDesign、GLHEP2RO和GS2000等。
因此,与80年代相比,现在的地源热泵有微电脑控制,自动化程度高;机组设计、安装简单方便,而且安全,周期短。
系统运行稳定,效率高,无污染。
2.3地源热泵在欧洲的应用
对整个欧洲来说,地源热泵主要应用于新建房屋,系统末端可以提供地板辐射采暖。
但是它在所应用的国家发展是不平衡的。
表2列出了欧洲几个主要国家在2001年地源热泵系统的销售情况。
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。
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），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。
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83850km2，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。
表2 欧洲7国地源热泵2001年销售量及其预期增长率
国家
人口（百万）
2001年的销售量（台）
预期增长率％
原因
瑞典
9
27000
6
市场成熟，９０％的房屋已经安装
奥地利
8
4800
8
德国
80
3600
20
新制订的关于能源消耗的法律能促进市场
瑞士
7
2800
6
市场成熟，主要是新的房屋安装
法国
58
850
10
英国
58
150
>100
公众对热泵了解很少
丹麦
5
150
>100
最近几年发展迅速
六、
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