连载：地源热泵系统技术流派与应用第一期

慧聪暖通与舒适家居网 2009-08-27 09:56 来源：慧聪空调制冷网作者：中国可再生能源学会李元普

【慧聪暖通制冷网】地源热泵系统技术流派与应用系列第一期：

试论地源热泵系统的两种技术路线

概要

本文首先概述了“地源热泵系统技术路线与应用”系列文章的主要内容及欧美两种主要技术路线之间既竞争又互补的关系。之后阐述了两种路线在中国的发展和应用情况、存在的技术与管理问题以及系统解决方案。同时也介绍了中美两国政府地源热泵合作项目中的一个典型案例。

关键词

地源热泵技术路线发展历程市场划分

Abstract

Firstthisarticleprovidesanoverviewofthemainelementsofaseriesofarticlesabout"TechnologyRoutesandApplicationonGeothermalHeatPump(abbr.GHP)",anddiscoursesthattwomajorroutesofEuropeandtheUnitedStatesarecomplementaryrelationshipbetweenthecompetition,andthenexpoundsapplicationanddevelopmentofGHPtechnologyinChina,technical&managementissuesandsystemssolutions,anddemonstratesatypicalcaseinthecooperationofChina-USGHPprogram.

KeyWords

GHP,Thetechnologyroutes,Issuesandsolutions

引言

众所周知，随着能源与环境问题的凸显，近十年来地源热泵技术作为一种清洁、环保、节能的可再生能源技术在中国得到了很大的发展。即使在当今经济危机之际，其安装总量仍保持着每年20％以上的高速发展。为促进热泵技术发展和市场推广，“地源热泵系统技术路线与应用”系列将回根溯源，详细阐述地源热泵系统中欧系和美系这两种主要技术路线，以及在室内系统和室外系统设计选型方面的差异；之后将前瞻性的介绍地源热泵技术在建筑节能一体化中的应用，介绍地源热泵技术与其他节能技术包括太阳能光热、光伏、水（冰）蓄冷（热）、冷却塔以及制备生活热水方面的配合使用；最后介绍地源热泵技术在社会生产生活各个领域中的应用，如在尾水利用，游泳池、草坪温度调节，油田余热利用，工业应用，超大型表水系统中的应用等等。

1、地源热泵系统（GeothermalHeatPumpSystem）定义

学术上的定义是指一种利用少量高位能，实现从低位能向高位能转移的热泵空气调节系统。通俗的定义是指一种通过浅层土壤（或地下水）进行热交换的高效节能、无污染的，既可供暖又可制冷，并可提供生活用水的空气调节系统。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种的理想的“绿色技术”。由于它是以0-200m的浅层岩土体做低温热源故称之为地源热泵。从能量转换角度来说，它是利用浅层岩土体作为蓄热体并利用其中的能量，这些能量主要来源于太阳能和地热能，所以，这是一种用之不尽的可再生能源。

连载：地源热泵系统技术流派与应用第一期

图1地源热泵系统构成图

点击此处查看全部新闻图片

如图1所示，地源热泵系统分为室内系统和室外系统两个部分。其中室内系统有分散式和中央式，中央式系统在我国通常被人比较熟悉,因为这种系统跟传统的中央空调系统的室内部分是一样的,都是由主机加末端装置构成的，这种室内系统在我国和欧洲被广泛采用。分散式系统在我国应用的少一些，这种系统通常没有主机，热泵系统和风系统或水系统合二为一，而且机组是小型化的，分散布置于各个空调分区，每个分区单独工作。这种系统在北美地区被广泛使用，2000年以后才应用于我国。

室外系统根据换热方式的不同，分为利用土壤换热的闭式地源热泵系统和利用地下水、地表水及人工再生水换热的开式地源热泵系统。闭式地源热泵系统即通常所说的埋管式地源热泵系统，开式地源热泵系即通常所说的水源热泵系统。

相关阅读：

我们要的仅仅是能源吗？应该是理性解析

李凡教授：“空气能”热水器可节电75%

PHNIX设计选型节能方案备受重庆学界推崇

2、两种地源热泵技术路线发展史

根据室内和室外系统形式的不同，目前世界上存在两种技术路线：美国土—气（水）地源热泵技术和欧洲水—水型地源热泵技术。

2.1欧系地源热泵发展历程

地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，之后于二十世纪六十年代逐步发展成为主要用于采暖的水—水型地源热泵技术。目前，主要在中、北欧国家如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国使用，其应用方式主要用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。

2.2美系地源热泵发展历程

由于“能源危机”的出现，二十世纪八十年代以后，美国人在水—水型地源热泵技术的基础上开发出可以不用地下水的，从浅层常温土壤中取热或向其排热直接转换成热风或冷风的土—气型地源热泵系统，既解决了冷暖两用问题，提高了节能效率，大幅度降低了运行成本，又克服了限制开采地下水的障碍，使土—气型地源热泵空调系统迅速得到推广。

2.3国内两种地源热泵系统的引进

地源热泵技术是一种舶来品。无论是美系的闭式地源热泵系统还是欧系的开式地源热泵系统都是由国外引进到我国，但是两者在引进的方法、途径、推广的方式上有所不同。

地源热泵技术由系统应用技术和产品制造技术两种技术构成。美系闭式地源热泵技术是通过中美两国政府地源热泵合作项目的形式引入中国的。其引进过程是一个从技术引进到技术国产化的过程，重点首先放在系统应用技术的引进上，在市场成熟到一定程度时再引进产品制造技术从而完成该技术的国产化进程。欧系开式地源热泵技术则是通过国内一些厂商仿造欧洲地源热泵厂家的机组的形式引入中国的，是一个从机组制造技术引进到机组国产化的过程，重点放在机组仿造上而不是系统应用技术上面。

3、两种技术路线实际推广中的优势及问题

3.1闭式地源热泵系统的优势、存在的问题

闭式地源热泵系统利用土壤温度常年恒定的特点，通过埋设在土壤中的封闭管道内的水与土壤进行热交换来为室内提供供暖制冷，它不需要使用地下水，对水质、地质不会产生任何影响。因此这种技术的适用性更广泛。

由于闭式系统的换热主要是通过固态的岩土体进行的，换热机理十分复杂，尤其是岩土体本身的结构与成份就非常复杂，这就更增加了设计闭式换热系统的难度。因此能够完全掌握此系统的设计方法并在工程实施时按相关规定正确完成换热器的安装是很困难的。这也是目前出现很多失败案例的重要原因。

目前闭式系统的主要问题是在地质条件恶劣的地区，室外地耦管部分的施工费用偏高，影响了市场推广的速度。

3.2开式地源热泵系统的优势、存在的问题

开式系统的室外施工费用相对较低，无需占地，受建筑周围环境影响小，同时机组换热效率也较高。尤其是地下水式，室外换热系统设计难度低，因此被较为广泛的采用。

尽管开式使用流体进行换热，系统设计相对简单，但是，开式系统对地下水的水质及水量都有较高的要求，如果水质及水量不能满足要求，将很难达到良好的换热效果。而地下水的水质和水量的情况是由地下水本身的资源状况决定的。如不能充分了解该资源的情况就盲目使用，就会带来水量不够、回灌不利甚至无法回灌的情况发生。另外，开式系统使用地下水资源，如果不严格按相关规定使用，将会对地下水造成浪费和污染。

相关阅读：

我们要的仅仅是能源吗？应该是理性解析

李凡教授：“空气能”热水器可节电75%

PHNIX设计选型节能方案备受重庆学界推崇

3.3岩土热平衡的问题

如果地源热泵系统只是提供单一的制冷或供暖，就可能会对岩土体温度的年度平衡产生影响。从静态宏观的角度来看，在浅层岩土体中，无论是太阳能还是大地热流都不可能在一个供暖周期内为体积庞大的建筑提供热能。这种自然恢复是缓慢的，在特定条件下是有意义的，一般情况下远远不能满足大型工程的需要。而从动态微观的角度看，对某一区域而言，岩土体中的热量是不断转移和变化的。在岩土体中的地下水渗流将加速这种热的扩散，而且地下水的渗流在很大程度上决定了地下温度的恢复速度。相邻换热区域的岩土通过这种渗流和传导机制为换热区域带来或带走了大量的热，这也是某些排热与取热非平衡的地源热泵分散项目一样能够安全运行多年的重要原因。根据美国能源部资助专门研究地耦管对地温影响的Stockton大学所进行的6年实测研究表明，埋管地区土壤温度变化幅度在0.01℃之内，远远小于太阳能对地温的影响，因此其岩土体热量不平衡的问题可以忽略不计。

但是，随着我国地源热泵城市级应用的高速发展，这种风险在日益加大，尤其是相邻的两个或数个地源热泵系统之间的热干扰问题已经在一些项目中出现并引起了系统瘫痪的重大事故。地源热泵系统的关键在于地下换热器，而设计地下换热器的关键是年冷热负荷的平衡上，必须强调保持全年释热量与取热量的基本平衡的设计原理与原则，地源热泵系统利用的“热”主要来源于工程上的补充，而不是简单的自然的储存或再生的热能。在设计上不考虑这些因素的系统将迟早面临崩溃的危险。尽管这种风险是长期的和非确定的，但也要引起我们足够的重视。而且国土资源管理部门的研究重点也应从浅层地热能总量评估转到加快管理政策制定上来。

3.4两种技术路线产品混用中存在的问题

欧系和美系的地源热泵系统来源于两个不同的技术流派，所以机组制造标准、进/出水温度的设定、压缩机、换热器的选配以及末端装置的形式都有很大差异。目前，对室外地埋管系统的设计，无论是从理论上，还是设计公式、软件上，均来自美系系统的理论和设计方法。而这些方法和理论都是基于美系分散式系统和标准研发的。我国有很多推广者简单地把欧系中央式机组与按美国技术计算得来的地耦管系统相结合使用，造成了很多的失败案例，出现机组出水结冰、系统无法连续运行或运行达不到预期节能效果等情况，其根本原因，就是室内系统、机组、室外系统之间采用的不是同一个技术流派的产品或设计标准不一致。这个问题必须引起我们的高度重视。

从技术角度看，这两种技术路线都是非常成熟的，在实际操作中出现的种种问题的原因一部分是客观条件限制，但更多的是由于推广者对地源热泵技术掌握得不够全面，甚至违背系统应用原则，盲目勉强使用地源热泵技术造成的。如果全国的推广者能够充分掌握各种形式地源热泵技术，就可以设计和完成节能效率和性价比非常高的地源热泵工程。对此，中国可再生能源学会地源热泵专业组集合了国内地源热泵顶级专家和知名企业，经过十余年的深入研究和项目实践，推出地源热泵技术支持、培训和会员业务，帮助业内企业和专业人士学习到最高端、最实用的地源热泵知识，指导企业做出满意的地源热泵工程，并通过横向联合，促进企业在上下游产业链获得支持和帮助。在规范市场和技术的同时，学会还会为企业提供国内外广泛的宣传，争取地方政府和招标单位的认可和支持，与企业一起促进地源热泵技术的推广和应用。

3.4两种技术路线的发展

在此需要说明一下，欧系和美系这两种地源热泵技术流派并不是对立而是相互补充的。虽然开放式水－水型地源热泵技术诞生并发展于西欧和北欧，封闭式土—气型地源热泵技术流行与美国等北美国家，但实际上发展至今，欧洲也有封闭埋管地源热泵技术，美国也有开式地源热泵系统和产品，它们已相互融合为一个地源热泵技术整体。而且在其他地区像中国、澳大利亚、日本等国家也都有了很大发展及适应当地情况的技术改进。只不过在欧洲，开放式地源热泵系统的应用比例大于封闭式地源热泵系统；美国则相反，封闭式地埋管地源热泵系统的应用大于开式热泵系统而已。

在中国，地源热泵从业者要根据各地的气候、水文地质和经济发展状况差异以及工程需要，引进适合的地源热泵技术体系和产品。关键是认识到各种技术流派的使用条件和特点，不断学习提高，掌握最新的技术发展趋势。以前重点搞封闭式型地源热泵系统的人员也可以设计开放式地源热泵系统，同样搞开放式的人员也可搞封闭式的。总之，根据项目条件，因地制宜的选择适当的系统形式，使得不同的技术手段通过共融而提高。

相关阅读：

我们要的仅仅是能源吗？应该是理性解析

李凡教授：“空气能”热水器可节电75%

PHNIX设计选型节能方案备受重庆学界推崇

4、地源热泵技术的优势和劣势

优势

高度环保，不排放废水、废气、废渣，不向大气排热，实现零污染

节能节电。供暖时可节能40-60%，制冷时可节电30-50%

运行费用低。供暖时可节省50-70%，制冷时可节省30-50%

舒适度高。空气清新，噪音低、利于身心健康

可实现智能控制、分室控制、分户计量

劣势

初装费略高

需具备可供热交换用的土壤或地表水或地下水，在不具备这些条件的地方，推广受到条件限制

5、地源热泵技术市场划分及前景

中国幅员辽阔，各地的气候和经济发展水平和生活水平差异较大，因而中国的空调市场在不同区域呈现不同的发展态势，这对研究地源热泵空调的市场潜力影响较大。

根据中国空调市场特殊的市场情况及相应的气候特点，我们将全国市场划分为南部市场、中部市场和北部市场。南部市场包括广东、福建、广西、贵州、云南、海南，基本上为珠江流域省区；中部市场包括山东、河南、江苏、安徽、湖北、湖南、重庆、四川、江西、浙江和上海，基本上为长江、淮河流域省区；北部地区包括北京、天津、河北、山西、辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古以及西北五省，基本上是黄河以北省区。根据这种划分的方法，华南属于南方市场而华中、华东和西南一部分则属于中部市场，华北，西北以及东北则属于北方市场。

从技术上来说，南部亚热带气候、中部夏季酷热冬季阴冷气候、北部严寒气候，各种房型、各种用途建筑物、各种大小楼宇，只要能装空调和暖气的地方都可使用，其适用范围是非常广的。但由于外部技术条件、开启时间、电价的不同，其初投资、安装费、运行费等经济优势虽然在所有适用范围内都能得到体现，但发挥程度有较大的差异。电价高的地区，使用时间越长的地区，采暖、制冷时节省的费用愈多，用户受益越大，性价比愈高，反之亦然。

6、典型案例

6.1北京嘉和丽园国际公寓－中美两国政府地源热泵示范项目介绍

连载：地源热泵系统技术流派与应用第一期