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地源热泵在国外的发展概况及其在我国应用前景初探
作者:管理员    发布于:2017-04-05 09:00:44    文字:【】【】【

  1前言地源热泵的研究虽然从1912年就已开始,但直到20世纪70年代初世界上出现次能源危机,它才开始受到重视。自此,世界各国的科学工作者就从来没有停止对其进行研究和探讨,这些研究工作涉及地源热泵的系统构件,地下热交换器型式,土壤特性和系统运行寿命周期,费用分析等方面。由于其高效的节能效益和优良的工作性能,在日本,北美及中、北欧等国家得到了广泛的应用。

  在美国,到2001年4月为止已安装了40多万台地源热泵,且每年以10的增长速度递增。同时出现了多家生产地源热泵及供热制冷系统的企业,如:Waterfurnace、GeothermalDX、Hydron等。在中、北欧国家,地源热泵主要用于室内地板辐射供暖和提供生活热水,尤其是瑞士,在家用供热装置中,地源热泵所占的比例很大。我国在该领域的研究才刚刚起步,到20世纪80年代末才有少及地源热泵自身所具有的节能和环保的优势,这项技术受到了国人越来越多的重视,该方面的研究日趋活跃,越来越多的技术人员开始投身于此项研究。近几年更取得了突破性的进展,清化大学工程力学系与山东海阳富尔达公司率先研制成功了富尔达地温中央空调,并于1997年被辽宁省辽阳市邮电局投入使用。但是我国在地能换热器实际应用方面仍然缺乏深入研究,在这方面的很少,尚未有成熟的理论和设计方法。本文就地源热泵的发展及在我国应用前景作一探讨。

  2地源热泵在欧洲2.1地源热泵在欧洲的应用背景欧洲作为世界上仅次于澳洲的倒数第二小的洲只有1千多万平方公里的面积,仅占世界的7,却有着世界第二大一7亿3千万人口。欧洲是由36个不同国家所组成,虽然其中的15个国家已经组成了欧盟,但这些国家在语言,政治,经数单魅锢展这项项工作1受际大环境的影响以济文化u面都有很大的区别这导致了地源成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,环保是重要的原因,但对于许多其他国家的人民,经济性依旧是基本的因素。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“的概念早出现在1912年瑞士的一份专利中,20世纪50年代,欧洲开始了研究地源热泵的次高潮,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1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。

  表1欧洲7国地源热泵2001年销售量及其近3~ 5年的预测⑴国家人口(百万)2001年的销售量(台)预期增长率原因瑞典市场成熟,90的房屋已经安装奥地利德国新制订的关于能源消耗的法律能促进市场瑞士市场成熟,主要是新的房屋安装法国英国公众对热泵了解很少丹麦近几年发展迅速由上表可以看出,欧洲的热泵市场是不平衡的。2001年,地源热泵在欧洲的总销售量是39350台,但其中27000台是在瑞典。因此可以说,除了瑞典以及其他的几个北欧国家,地源热泵在欧洲的市场渗透是比较缓慢的,地源热泵要想在欧洲得到样,必须依赖于政府,例如对热泵产业的扶持,对电能与其他能源的价格关系进行调整等,以及热泵系统本身的科技进步。

  3地源热泵在美国3.1地源热泵在美国的发展历程进步的发展,很大程度上要与世界上其他国家厂y的地源热泵主要是在水源热泵的基础上年份DOE的资助(百万美元)公共单位赞助(百万美元)总赞助额发展起来的。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,它仍然在被使甩并被称为“水环路热泵”(Wate―loopHeatPump)。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近几十年美国地源热泵产业的快速增长。

  3.2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)和世界地源热泵究所和大学合作建立了许多项目。其中的项目是‘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2.表2关于地源热泵项目的经济赞助4地源热泵在我国4.1地源热泵在我国的发展历程我国在地源热泵领域的研究始于20世纪80年代初的天津大学和天津商学院。自此,其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究,但是,由于我国能源价格的特殊性,以及其他一些因素的影响,地源热泵的应用推广非常缓慢。20世纪90年代以后,由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势,这项技术日益受到人们的重视,越来越多的技术人员开始投身于此项研究。

  1995年,中国国家科技部与美国能源部共同签署了《中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书》,并于1997年又签署了该合作协议书的附件六一《中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书》。其中,两国政府将地源热泵空调技术纳入了两国能源效率和可再生能源的合作协会,HP6等织局关的猛、邀室、研通墨1!大地足进了遂技术的/爨作和net推广应用。1998年是我国在该领域的一个里程碑,从这一年开始,国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。其中,1998年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置;1998年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置;1998年湖南大学建设了水平埋管地源热泵实验装置;1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置等。同时,我国也成立了一些专门的生产厂家,开始批量生产相关产品。这些科研单位和企业互相合作,在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展,做了许多实验研究和工程示范,产生了很多有效数据,这些宝贵的经验教训势必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。

  4.2我国在推广地源热泵过程中的问题地源热泵作为一项新技术,在推广过程中不可避免地会出现很多问题。

  首先,由于地源热泵可以分为:地下水源热泵系统,地表水源热泵系统和土壤源热泵系统。因此,深入考察应该采用那一种系统是一个关键的问题。

  如果采用地下水源热泵,则必须考虑国家的政策法规以及我国目前地下水源的情况。根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国城市规划法》、法》和《城市地下水开发利用保护管理规定》,我国对城市使用地下水有非常严格的规定。而且国土资源部的调查结果表明,我国大部分地区的地下水位呈下降趋势,河北与河南北部地区以及山东黄河以西形成了一个包括北京、天津在内的地下水降落的大漏斗,总面积超过4万平方公里。面对如此严峻的形势,地下水源热泵要在我国得到广泛的使用必然会受到十分严格的限制。

  如果采用地表水源热泵,必须考虑水温是否在进水温度的范围内,季节性水温、水位的变化以及地表水的质量。我国西、北部大部分地区都缺乏水表水源热泵系统的冷源的可行性很小,只有地表水十分丰富的长江流域,无论是初投资还是运行费用都比较具有竞争力,但是由于这部分地区工业相对比较发达,地表水源的污染问题也比较突出,因此在安装前必须先对水文地质进行调查,如有污染,必须让使用者了解可能会出现的问题。

  如果使用土壤源热泵,以下两个问题是很重要的。首先是我国特殊的国情,我国的东、西部无论是地质、气候还是人口、经济都极不平衡。据1995年的统计资料,东部地区占全国国土面积的13.75,有着全国41.26的人口,西部地区占全国57.28的国土面积,却只有全国22.98的人口,西部地区的人口密度是东部地区的1/7.东部地势虽然比较平坦,土壤潮湿,适合埋管,但是却人多地少,寸土如金。因此,对于占地面积很大的水平埋管地源热泵是不适用的,而垂直埋管地源热泵,虽然占地面积小,但是涉及钻探工程,施工困难,提高了投资费用。目前地下换热器的一次投资,如果全部采用国外的产品和技术,将高达3000元/t.这引出了第二个问题,我国大部分人民还处于温饱的边缘,虽然东部相对比较富裕,但如此高的初投资费用,人们宁愿选择其他暖通空调系统。

  而我国西部虽然人少地多,但是地理条件,人民的生活水平都极大地限制了地源热泵在西部的应用推广。

  其次,我国有关地源热泵的现成技术资料不多,缺乏这方面的设计、生产、安装和维护人员,而且生产相关设备的厂家很少,产品的规格型号也较少,难以满足工程用户的需要,同时,国家还没有出台有关的国家标准,也没有形成检测制度。

  后,由于地源热泵在我国是一个全新的领域,国人对它不熟悉,持观望,甚至是怀疑的态度。

  这也是我国地源热泵推广过程中需要克服的一大障碍。资源,而南方地区由于夏季江水水温偏高,作为地

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