地源热泵系统的技术难题及发展现状---修改本.doc

地源热泵系统的技术难题及发展现状The technical problems of Ground Source Heat Pump System and status of development李林林 （上海理工大学动力学院 上海 200093）摘要：从系统的工作原理、定义、分类、技术的应用背景以及系统的优缺点等方面对整个地源地泵系统进行了比较全面的阐述。结合当前的地源热泵技术的发展状况围绕土壤传热传质、换热器装置优化、能耗等方面提出了当前所面临的技术难题同时也介绍了地源热泵系统的国内外发展现状，以及该节能技术对对社会经济发展所产生的深远影响。关键词：地源热泵 技术难题 现状 经济 影响Abstract: from the aspects of the working principle 、definition of system 、 classification、 the Application background of technology and The benefits and drawbacks of the system ，giving a Quite comprehensive elaboration to the whole Ground Source Heat Pump System . combined with the status of development of the Ground Source Heat Pump technology round the Soil heat transfer 、Heat exchanger equipment optimization、Energy consumption come up with the technical problems in nowadays and introduce the status of development of the Ground Source Heat Pump System At home and abroad and the Far-reaching influence for social Economic development caused by this kind of Energy saving technology.Key words: Ground Source Heat Pump Technical problems current situation economy effect 1地源热泵系统 1.1地源热泵系统的定义 地源热泵空调系统式利用部分高位能从地球表层提取地热资源的一种能量交换的空调系统。它是热泵应用领域的一个分支，通常只需要输入少量的高位能通过利用热泵机组可把土壤中贮存的低品位能转化成为日常生活中有用的热能。可以实现冬季取暖和夏季制冷工况的相互转化。冬季，机组提取土壤中的热量用于室内供暖；夏季，机组把室内多余的热量释放到土壤中达到制冷的效果。1.2工作原理 地源热泵空调系统主要有热泵机组、室外地热能换热系统和室内末端系统三部分组成，三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，热泵机组与地热能之间的换热介质是水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵空调的室内末端系统和常规中央空调的末端系统并没有什么不同，可以是风管系统，也可以是风机盘管系统，其他地源热泵机组的工作原理也和常规的水冷热泵是相同的。地源热泵与传统空气源热泵空调的最大不同就是采用地下换热系统取代了常规空调的冷却塔和辅助热源。图1 地源热泵空调系统结构原理图1.3系统分类土壤源热泵 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。地下水热泵系统 目前，该系统主要应用在商业建筑中。一般采用水水板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。这个系统的造价要比土壤源热泵系统低，水井占地较少，技术也相对成熟。地表水系统 该系统主要有开式和闭式系统。这个系统的造价低廉、泵耗能低、维修率低、运行费用少。但是在公共用的河中，图2 地源热泵系统的分类2地源热泵系统优缺点 地源热泵系统蒸在运行过程中基本无废热排放，无噪音污染，该系统污染物排放极少，和传统的空气源热泵相比，减少排放了40%以上的污染物，和目前的电力供暖相比较，相当于减少70%以上；与常规中央空调相比较其优势明显，一是节能效果显著，采用不同的工艺和方式可节省常规能源2040%。二是环保效益显著，与采用燃煤锅炉相比，热泵技术污染物排放可减少5070%。三是运行成本较低，可节省3050%的运行费用。与此同时由于地下水源、岩土虚热体的温度一年四季相对稳定，冬季比环境温度高，夏季比环境温度低，是很好的空调冷热源，使得地源热泵机组运行更可靠、更稳定，保证了地源热泵系统的高效性和经济。但是地源热泵也有其不利的一面，连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤变化的影响而发生波动，土壤导热系数小，导致地埋换热器的面积较大，长期使用会破坏地下土壤中的温度场，导致土壤层的平均温度发生变化，从而会引起其他一些不利的影响。不同的地理环境和气候条件若运用不当，地源热泵的优势就无法很好的发挥，随着时间的积累，也会导致热泵机组的性能下降。地下水源热泵初始投资与常规中央空调基本持平，由于是抽取地下水进行热交换，为避免导致地质灾害、危机建筑安全，要求抽取的地下水必须全部回灌，但是由于施工技术和地质条件的复杂性，在实际的使用过程中难以很好控制，不能100%回灌，这样就会对地下水资源造成难以恢复的污染以及对地质结构产生不良影响。3技术的应用背景社会的发展导致能源消耗的不断增加。能源紧张、环境污染、生态破坏已经成为人类社会面临的共同的严峻的挑战，不可再生能源过量地开采利用导致的气候问题日趋严重，给我们子孙后代的生存发展和发展埋下了不利的因素。我国目前的能源结构主要还是依靠消耗大量的矿石燃料，主要是煤炭和石油。大量燃烧矿物所产生的环境的影响已经成为社会关注的焦点，再加上有形能源的不可再生性，对新能源的需求日益紧迫。有形能源价格日益升高，电价也在逐步提高等诸多因素的影响，因此，除了存在大型集中供热的方式，急需改变原有的能源消耗方式。节能环保是落实科学发展观、应对可持续发展的基本要求，是保护环境。应对气候变化的重要措施，是开拓新的经济增长领域、促进经济转型的重要选择。4技术难题要真正使土壤源热泵能够取代传统的空调系统，尚有众多的核心技术问题有待进一步解决。从系统的角度分析，按微观到宏观的次序来看有下列问题需解决。4.1土壤中传热、传质过程的研究 整个系统中处于最底层的是埋地换热器次级子系统。在该系统中，主要关心的问题是埋地换热器与周围土壤的热交换过程。由于土壤是一个由固态的土壤骨架、液态和气态水以及空气组成的多相分散体，目前大多数的研究中采用的简单的复合不稳态导热，将水分和空气的输运过程作用归结为一导热系数的附加值来描述土壤中的热质耦合的作法显然会带来较大的误差，相应的结果土壤源热泵的埋地换热器的尺寸偏大，热泵装置的初投资加大(埋地换热器的成本一般占到热泵系统总成本的20%-30%)，无法与传统的空调系统相抗衡。因此亟待解决的方法是对埋地换热器与土壤的热交换过程采用更完善的数学模型进行描述，全面考虑传热和传质过程。多孔介质流体力学方法可能是一个有力的工具。有研究者提出采用不可逆热力学的方法来加以研究，也是一个颇有新意的可行的方法。还有研究者提出采用分形的方法来研究土壤中的导热系数，有可能使数学模型得到简化，使研究的难度降低。研究土壤中的传热传质过程的另一个目的，是希望能找到强化传热的新型填充材料，国外已有研究者从事过这方面的研究，并有相关报道。当然，最终的目的是一致的，就是要尽可能的减少土壤源热泵埋地换热器的初投资费用，但国内尚未见到类似的研究报道。4.2与热泵装置的耦合过程研究研究与热泵装置的耦合过程的目的在于优化热泵装置子系统的性能。因采用土壤作为热源，无论是冬季或夏季运行，热泵系统的运行条件(室外侧换热器的工作点)都与传统的空气热泵或一般的水源热泵的工作点有一定的差别，从而引起整个热泵系统的工作特性都随着发生变化。具体说来就是在新的室外侧换热流体温度下，应该如何配置相应的蒸发器、冷凝器、压缩机乃至整个系统的部件，使热泵的热力循环性能最优、最大程度的发挥土壤源热泵的节能潜力。因此有必要采用制冷系统热动力学的方法。4.3土壤源热泵的系统全年能耗的经济分析从土壤源热泵的热力系统图上可以看出待研究问题的第三个层次是对整个热泵系统的全年能耗分析。对于需要全年进行空调的场合，采用土壤源热泵是否具有优越性的结论应该是基于全年能耗分析的结果而得到的。这一点在确定土壤源热泵的方案时尤为重要。对于不同的气象条件及不同的建筑物功能需求，建筑物冬夏两个季节的冷热负荷可能是不一样的。是应该优先考虑冬季采暖，夏季冷负荷的不足部分由传统的空调系统(比如加装冷却塔)加以补充;还是以夏季冷负荷为基准，冬季采用辅助热源的模式?应该在全年能耗分析的基础上，全面考虑系统的初投资和运行费用，最终以投资回收期来作为判断的依据。因此只有在能够对地下换热器的换热过程以及热泵系统的动态热特性有了一个较完备的认识和了解的基础上，结合建筑物的全年动态负荷，才能使得土壤源热泵的优越性得以充分的发挥，达到节能和环保的目的。5国内外应用现状5.1国外应用现状 美国能源部（）和美国环境保护署（）均已确认，地源热泵系统是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统。1998年，美国暖通空调工程师学会的ASHRAE技术奖就颁发给一地源热泵系统。地源热泵供暖空调的优势使其成为近年来世界可再生能源利用及建筑节能领域中增长最快的产业之一。在过去的10 年中，大约30个国家的地源热泵年增长率达到了10。它的主要优点是用普通的地温或地下水温，这在世界各国都可利用。地源热泵发展最快的是欧洲和美国，其他国家如日本和土耳其也正在积极发展地源热泵产业。1985 年美国全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到2001年，美国达到安装40万台地源热泵的目标，降低温室气体(如2等)排放100万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植404686公顷(100万英亩)树的效果，年节约能源费用可达4.2亿美元。而且每年以10% 的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中新建筑中占30%。据1999年的统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例为：瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。Douglas Cane等对25个加拿大和美国的应用地源热泵的实例进行了跟踪调查，并按建筑类型统计了各个实例的年均费用，其中，最早投入运营的实例在1981年，最晚的为1995年，并且有20个实例是在1990年及之后投入运营。与传统空调系统相比，地源热泵系统在运行费用(主要包括能耗费用和维护费用)方面有较大优势。如在商业应用中，节能达到17%；住宅应用中的能耗则减少32.4%。5.2国内应用现状 中国地源热泵的研究和应用虽刚刚起步，但其对地方缓解能源压力、推动经济的作用正日益受到认同，地源热泵作为生态环境保护、高效节能和自然资源再利用的21 世纪可持续发展的新技术和建筑环境供热制冷系统的换代产品，体现出旺盛市场需求的势头。国外的技术已相当成熟，为此，我们一方面要积极借鉴国外的先进技术和成熟经验；另一方面切忌生搬硬套、盲目引进，应该因地制宜、把握优势合理的利用浅层地热能，避免出现新的生态环境失衡。我国从1995 年开始学习和引进欧洲产品，直到1997年才出现有规模的地源热泵采暖工程项目，美国特别看好中国市场，美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中一项内容就是地源热泵发展战略。该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商业建筑，以推广运用这种“绿色技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。到1999年底，全国大约有100套供暖/制冷系统，而且全部为开式循环系统。2000年12月由日本政府无偿援助，日本地热工程株式会社负责长春市地热开发有限公司和吉林大学参与，在长春完成了一个 10002建筑面积的地源热泵供暖/制冷示范项目，为国内第一个闭式循环系统。2001年，重庆大学、北京工业大学、山东建筑工程学院也纷纷建成了各自的封闭循环系统示范工程。近两年来，在我国北方，已成功建立了一批上规模的地源热泵应用示范工程。山东建工学院、北京工业大学等具有较雄厚的理论基础并建立了典型的示范工程，但这些示范工程以采暖为主；在南方，以广州能源所为代表，主要以是地下水式地源热泵应用技术为主，土壤源的地源热泵应用技术在南方还非常薄弱。6对社会发展的意义能源是振兴经济、推动社会生产力发展的重要因素。在当今高技术激烈竞争的时代更是如此。能源是一种战屡资源，是国家发展经济和实现国民经济现代化的关键。在能源构成中，低品位能源比重大，最终能源消费中，直接消费的一次能源比重大，因而总的能源利用效率低；节能和提高能源的利用率成为了社会经济发展的重中之重，地源热泵技术的出现有效的提高了能源的利用率 结合太阳能以及其他技术使低品位能源得到了充分的利用，降低了一次能源消耗的比重，可以有效的缓解我国的能源紧张局面，推动国民经济快速平稳的发展。参考文献1 刘建柱. 地源热泵的应用与前景J.中国高新技术企业,2010,2(1):23-272 王琴明. 地源热泵的特