国内外地源热泵技术应用状况分析

1我国浅层地热能资源概况

从土壤类型和土壤温度看，我国具有丰富的低温环境资源。1999年，瑞士学者Rybach指出，中国是世界上直接利用地热潜力1.1最大的国家，名列世界第一，原因有2个：一是中国国土辽阔，近地表低温地热资源丰富；二是中国人口众多，采暖和制冷工业的基础相对薄弱，将来需求量无可比拟。

地源热泵技术所利用的能源是常温土壤中的能量，并不需要特殊的地热田或地下热水。它只要有足够进行热交换的浅层土壤（-3.5℃以上的土壤或地下水）就可满足地热泵所要求的技术条件。中国城市中约有30％～50%的建筑物具备此条件。从气候区上看，从寒冷的黑龙江到炎热的海南岛都可使用，尤其南方气候条件是夏热冬暖，需要较多的供热和空调装置。

1.2夏热冬暖地区的土壤特点

土壤属于多孔介质，是由矿物质和有机质构成其固相骨架、水和空气充填其中孔隙的三相体。土壤传输地热的能力及存储热能的能力与土壤的含湿量、地下水的流动有很大的关系。因此土壤的传热是由土壤中固相导热、液相导热及液体对流传热组成。当土壤中富含水分和有地下水流动存在时，土壤总的传热热阻大大减小，使得土壤具有较高的热交换效率。

夏热冬暖地区尤其是两广地区，雨水丰富，水源充足。丰富的水资源使得我国南方大部分地域属于富水土壤，土壤的含水率极高，且地下水位较高，为土壤热交换器闭式地源热泵系统应用提供了得天独厚的条件。

2.国内外地源热泵技术应用状况分析

2.1国外应用状况

美国能源部（ＤＯＥ）和美国环境保护署（ＥＰＡ）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。目前世界安装的地源热泵系统的总容量和产热量达9500MW和52000TJ/y（14400GWh/yr），实际安装地源热泵的数量为80万套，世界主要国家安装地源热泵的情况见表1。

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ＣＯ2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%。DouglasCane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%。

2.2国内应用状况

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1000ｍ2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。

目前，我国实施地源热泵工程主要有两大类：

（1）地下水源方式我国目前实际应用的地源热泵工程大部分是利用地下水源方式。事实表明，打井抽水虽然实施地下水回灌，由于循环消耗，仍不可避免的要损失相当一部分水源，加上抽水时虽有过滤网，但一些细纱粒移位或随水一起抽上来，日长月久会破坏地层结构，有些地方在抽水井附近出现了莫名的坍塌。我国一些地方也出现开式地源热泵系统运行短短几个月，就造成回灌通路细纱堵塞甚至无法回灌造成废井的状况。因此，打井抽水在一些城市是受到严格控制甚至禁止的。

（2）土壤换热器的闭式系统我国闭式系统的土壤换热器以垂直U型埋管居多，实用经验还非常有限。北方地区实施的大多数采暖工程属于贫水土壤，由于干性土壤传热性能差，垂直埋管深度一般要超过60米，而换热量则一般小于50W/m，使得埋管的总埋深较大，往往造成初期投资大，效果不够理想，一般用户难以接受。一些地方没有经过长期地温变化监测，实施几万平方米甚至十几万平方米的大型地源热泵取暖系统，很难预计，几年后或十多年后这样的系统其效率和对周围的地温影响如何，北方已有些系统在运行两三年后出现效率明显下降的情况。