歐洲地源熱泵和地熱能儲量的現狀

張世將 楊逍鵬 陳正順

摘要 地源熱泵作為一項節能技術在歐美國家已得到大量的應用,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,這項技術在市場上仍處于初期,而燃料供熱和空氣源熱泵供冷占據了市場的主要地位。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、質量控制和承包證明仍是現在主要的爭議點。

關鍵詞 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,是熱泵與地埋管換熱器(閉環系統)或地下井水(開環系統)綜合的系統。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器,因此,利用的是地熱能。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,對較多地適應各種要求。

大多數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]。在有特殊地下設施的地區,利用低焓地下水為大量顧客提供區域供熱受到限制。這種情況下,在非集中GSHP(地源熱泵)系統中,利用到處存在的淺層地熱資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用和發展,結果是這種系統在市場上也得到了快速的推廣,經營這一領域的公司數目也在逐步增加。

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;在瑞士人的技術支持下,第一個地埋管地源熱泵系統試驗點于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一工程的實行——使用地下水井和地埋管混合地源熱泵系統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)。考慮到在較大規模的商業建筑中需要供冷,還有這項技術在歐洲南部得到不斷應用,同時供熱和供冷將變得越來越重要。

1 GSHP技術的現狀

地源熱泵(GSHP),實質上是熱泵和與地下換熱系統的綜合。基本上,它們由地埋管換熱器(閉環系統)或者地下井水換熱系統(開環系統)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);

2)豎直地埋管換熱器(BHE);

3)水平地埋管換熱器(包括水平鋪設在管溝內的埋管,螺旋管等等);

4)“樁基埋管”(換熱器安裝在地基內)。

在過去的幾年中,進行了實驗和理論研究(現場測量和數值模擬),為設計和性能評價地埋管系統得出詳細可靠的數據(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進行理論熱分析(Claesson 和 Eskilson,1988;Eskilson 和 Claesson,1988),同時,瑞士在進行監測和模擬(Gilby 和 Hopkirk,1985;Hopkirk et al,1988),德國在測試點進行土壤熱傳導測量(Sanner,1986)。

這些系統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器,因此,使用了地熱能。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,比空氣源熱泵系統節能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”或COP。COP值取決于來自地下循環的熱泵進水溫度,而進水溫度取決于地質條件(地下熱參數和水壓參數,氣候條件)和技術參數(地埋管的長度和形式,材料,灌泥漿的性質,等)。其它影響熱泵COP的因素有供熱/供冷負荷,建筑供熱/供冷系統的形式和有關的供水溫度。地下大約10m深處,土壤溫度常年為常數(取決于主要氣候條件和周圍環境溫度),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,結果指出了現有的ARI(空調與制冷學會)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,已真實出現了更高的能效比值。當源側溫度為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),測于熱泵測試中心

雖然對于已有的地源熱泵系統的COP值最高為4.5左右,但是它們運行期間內的平均COP值較低。平均COP值,通常稱“季節性能系數”(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]。當地源熱泵系統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,包括土壤的溫度、含濕量、顆粒大小和形狀、導熱系數。選擇正確的豎直埋管換熱器的大小是設計的一個目的,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,設計過大則會導致比傳統系統更高的損失。

最近幾年,在地源熱泵方面的兩個重要的技術發展是:

1)熱響應測試,現場確定地下的各項熱參數;

2)使用加強導熱的灌泥漿材料。

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

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的導熱熱阻,從而控制了遠邊土壤與埋管內流體間的溫差。也能通過對不同灌泥漿材料的地埋管換熱器進行熱相應測試得出其結果。

2 市場機會和阻礙

豎直埋管的設計常出現對流動、壓降和控制參數處理不當,由于設備的腐蝕出導致的滲漏,施工質量較差,還有管材和循環換熱流體的選擇等諸多問題。以上都要求工程師的專業技術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置了很大的障礙。在地源熱泵系統市場較好的國家(例如瑞典、瑞士和德國),開始強制設立技術指南、承包資格證明、質量鑒定表彰等,以保護廠家和消費者避免質量很差和使用壽命短的地源熱泵系統。

已有的地源熱泵只適用于低溫供熱系統,因為它們不能滿足歐洲地區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。熱泵系統提供熱水給風機盤管、地板供熱或低溫散熱器時,通常將水溫從40℃升高到45℃,熱水在建筑內供熱系統中循環的最高溫度為50℃。供水溫度越高,熱泵COP越低。水-水熱泵內熱水流入室內測的標準溫度和最高溫度分別為40℃和50℃。依據ISO 13256-2,歐洲一些指南中的最高溫度為55℃。

以上的商業熱泵系統中的溫度上限,使得其只限用于低溫供熱系統,比如風機盤管系統、低溫散熱器系統或低溫地板輻射系統。但是,在歐洲許多建筑中安裝的是傳統供熱系統,一般由燃油鍋爐和標準散熱器組成,也就是高溫供熱系統。散熱器內熱水溫度為80~90℃,溫降為10~20℃。由于商業熱泵的設計溫度最高為50℃或60℃,溫降為5~6℃。因此,在已有的建筑中用低溫供熱系統替換高溫供熱系統則必須整個的替換,包括用風機盤管或其它高級系統取代散熱器,還要安裝更大管徑的管子。瑞士已出現了能使用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。

很難統計出歐洲已經安裝的熱泵的數目,尤其是統計每一種熱源的熱泵數目。圖5給出了主要的歐洲國家所安裝的熱泵數目的一些數據。2001年瑞典的非常大的數目的出現是安裝了大量的廢氣排氣-水熱泵系統和其他水-水熱泵系統的結果。但是,瑞典安裝的地源熱泵系統的數目也最多。總的來說,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,其技術前景也認可這一期望。以瑞士為例,其在產熱量上的增長(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(數據來源于Van de Ven,1999)

圖2 瑞士豎直埋管地源熱泵系統的地熱產熱量(進入熱泵之前)。數據來源于AWP銷售統計數據。由瑞士伯爾尼聯邦能源辦事處調查(見 Wilhelm 和 Rybach,1999)。

圖3 德國每年熱泵銷售量,根據不同的熱源(數據來源于漢諾威的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 結論

地源熱泵技術最早是瑞士工程師Zoelly發明的一項專利,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用,隨著1973年的世界能源危機,歐洲,北美等地區加大了對該項技術的研究,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展。我國對該項技術的研究應用起步于上個世紀90年代,作為一項引進的技術,直接跨過了很多技術方面的“彎路”,特別是最近幾年,地源熱泵已作為一項節能標志,在工程上大量應用,但具體的早期土壤測試,設計,包括施工都沒有適應中國氣候環境的有力技術支持。從歐洲對這項技術的幾十年的發展狀況和現在研究的主要內容看,我國應該提高地源熱泵應用的前提技術條件,即地埋管周圍巖土的情況勘察,包括地下水流動。推廣的區域應該是黃河以北的冬、夏季空調負荷相當的區域或供熱為主的東北地區,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村,地源熱泵替代小型家庭供熱的“煤爐”將會給我國的“節能減排”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].建筑節能,2009(2):47-49.

哈爾濱科協“調研30天”活動成效顯著

11月16日,哈爾濱市科協召開2009年“調研30天”優秀調研成果表彰會,對在“調研30天”活動中的優秀部門及優秀個人調研成果進行表彰。哈爾濱市科協黨組書記、常務副主席孫鴻達為獲獎部門及個人頒獎。哈爾濱市科協全體機關干部40余人參加了會議。

在今年的“調研30天”活動中,哈爾濱市科協機關共完成調研課題41篇,其中,部門成果12篇,個人成果29篇。經成果發布、全員打分和黨組會審定,最后有8個部門、15名個人,共計23項調研成果獲優秀調研成果獎。

為進一步激發科協干部對調研工作的積極性、主動性和自覺性,不斷提高調研工作層次水平,推動調研工作為科協工作向更高層次發展服務,從2006年起,哈爾濱市科協先后開展了由市科協機關部門負責人牽頭的“調研月”、由市科協機關全員參與的“調研30天”以及由科協系統共同參與的“調研30天”活動,據統計,截至2008年,哈爾濱市科協系統在“調研月”和“調研30天”活動中累計立項并完成調研成果107篇,提出問題343項、對策建議413條,完成工作成果轉化10余項,采納建議近百條。

從“調研月”到“調研30天”,哈爾濱市科協通過突出抓好調研選題、成果轉化、調研參與面、調研制度建設四個關鍵環節,使哈爾濱市科協全體干部的理論思維能力和工作實踐能力得到了鍛煉,工作作風得到改善。

為適應黨和國家對新時期科協組織提出的新要求,切實解決科協干部作風不硬、站位不高、思路不寬、創新能力不強等制約和影響科協事業發展的瓶頸問題,哈爾濱市科協黨組提出,要在哈爾濱市科協系統上下掀起調查研究、求真務實之風,鍛煉科協干部迎接挑戰、勇挑重擔的能力,以積極探索的求實態度創建深入基層、深入實際,掌握實情、破解難題的調研工作新機制,努力為推動科協事業進步,更好服務哈爾濱經濟社會發展做出新貢獻的奮斗目標和工作部署。

(黑龍江省科協)

重慶巫溪縣委發文要求健全鄉鎮科協組織

了切實加大基層科普宣傳工作力度,建立健全科普組織網絡,全面貫徹實施《全民科學素質行動計劃綱要》,提高農民科學素質,加速新農村建設步伐,近日,重慶市巫溪縣委發文要求在全縣30個鄉鎮健全充實科協組織。

巫溪縣地處渝東南,近年來由于鄉鎮、村建制多次調整,人員變動大,基層科協組織很多已不存在。今年10月,巫溪縣委研究決定,在新建制的30個鄉鎮全部建立科協組織,鄉鎮科協組織由2~3人組成,原則上由鄉鎮副職任科協主席,農技服務中心負責人任秘書長,成員由鄉屬部門負責人組成。鄉鎮科協的主要任務有推廣農村實用技術,促進新成果轉化,指導農民運用農村科技,促進農民增收,舉辦實用技術和技能培訓班,拓展農民致富和農民工務工的渠道,協助鄉鎮人民政府組建科普服務站、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,維護其合法權益,指導轄區各專業學(協)會開展工作等。

目前,各鄉鎮正在積極行動,巫溪縣科協全力推動,將在11月底前全面完成組建任務。