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地源热泵和地热蓄能在欧洲的现状
更新时间:2012/8/25  浏览次数:2154

摘要: 迄今为止地热热泵已经应用了50余年(第一个地热热泵出现在美国),但是这项技术的市场渗透却仍然还在起步阶段,因为化石燃料和空气-空气热泵早已分别占据了室内供暖和室内供冷市场的统治地位。在德国、瑞士、奥地利、瑞典、丹麦、挪威、法国和美国,大量的地热热泵已经是可运作了的,目前争论的主要问题在于安装指导、质量管理和承包商证明。

关键词: 地源热泵 地热蓄能

1.介绍
  首先,列出本文中将被频繁使用到的缩写词如下:
  •地源热泵GSHP(Ground Source Heat Pump);
  •埋管换热器BHE(Borehole Heat Exchanger)(注:在美国,公认的术语则是“竖直环路”);
  •地热蓄能UTES(Underground Thermal Energy Storage)。
  大多数的欧洲国家并未拥有足量的可以直接拿来使用的地下热水资源(但像冰岛、匈牙利和法国等国家则不在此例)。应用低焓蓄水层来向大量的用户供暖也只是局限于具有特殊地质背景的地区。在这种情况下,在非集中式的GSHP系统中利用普遍存在的浅层地热资源成为了必然的选择。如此一来,在大多数欧洲国家,这项技术在应用领域的快速成长日益浮现和发展。结果是该系统的快速的市场渗透,从事该领域的商业公司的数目持续增长,并且他们的产品也已经足够出名到能够被收录进“黄页”了。
  在这项技术市场发展出现得最多的的欧洲中部和北部,那里的气候是整个欧洲最需要室内供暖的,但是在那里空调却很少需要。因此,不同于美国的“地热热泵”,欧洲的热泵通常主要工作在制热模式下。但是在欧洲南部,尤其是在希腊和土耳其西部,GSHP装置最近才仅仅通过论证的阶段;在瑞士的技术支持下,希腊于1993年安装了第一个利用BHE的GSHP实验装置[Papageorgakis,1993]。受此影响,随后在雅典的国家技术大学校内的矿业工程大楼项目中,也采用了复合有地下水井和BHE的地热热泵方式来对建筑物进行供暖和供冷[Karytsas等,2002];很快,这项项目就有了其他的追随者[Mendrinos等,2002]。在广泛的商业应用、持续的供冷需求以及眼下该技术在欧洲南部的日益推广的共同作用下,这种既能供暖又能供冷的技术在将来一定会有更加重要的地位。

2.GSHP技术概况
  地源热泵(GSHP),又名地热热泵,实际上都是热泵和与大地换热系统的复合物(图.1)。他们基本上都含有一个地下换热器(称这种系统为“闭环系统”),或是一个用井中的地下水来运行的系统(称这种系统为“开环系统”)。热量能通过以下几种方式从地下提取出来:
  •地下水井(即所谓的“开式系统”);
  •竖直埋管换热器(即BHE);
  •水平埋管换热器(包括带管沟、螺旋管等的紧凑型系统);
  •所谓的“地下构造物”(装有换热器的基桩)。


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  多年的实验和理论研究(现场测量和数学模型仿真)为BHE系统的设计和性能评估打下了详尽坚实的基础[见Knoblich等,1993;Rybach和Hopkirk,1995;Rybach和Eugster,1997]。在20世纪80年代里,瑞典主要从事了对BHE系统的理论热量的分析[Claesson和Eskilson,1988;Eskilson和Claesson,1988],而瑞士进行了监测和仿真[Gilby和Hopkirk,1985;Hopkirk等,1988],德国则在实验室里完成了对地下传热的测量[Sanner,1986]。
  图.1表示了一个典型的BHE装置。在制热工况下运行时,此类系统以大地作为热源,用液体(通常是水或是水与防冻剂的混合物)作为从大地转移热量到热泵蒸发器的媒介,如此来利用地热。在制冷工况下,系统则以大地作为冷源。每输出1kWh的热量或冷量,他们通常只消耗0.22~0.35kWh的电能,较之使用空气作为热/冷源的空气-空气热泵,在相同时间里节省了30~50%的能耗。
  在额定工况的条件下,热泵产出的有效能量与其所耗电能的比率被定义为“性能系数”即COP(Coefficient of Performance)。COP值主要取决于从地下回路中出来的即将进入热泵的水的温度,而入口水温又主要取决于当地的地质条件(地下热能和地下水的参数,气候环境)和热泵的技术参数(地下换热器的长度、类型,灌浆的原料、类型和质量,等等)。影响一台热泵的COP值的其他因素有热/冷负荷,建筑物供暖/冷系统的类型和相关的设计供给温度。在地表下约10m深处,地下温度全年基本上都是不变的(主要取决于当地天气的情况和周围介质的温度),而且随着距地表处深度的增加温度的增幅却不大,因此,BHE显示出了比水平埋管换热器更好的运行性能和节能效果。
  在美国,水源热泵工程委员会对各种模型在不同标准下进行了效率对比的实验室测试。结果是对比达到指定COP值时的额定功耗,地下环路热泵少了超过40kW的功耗,所用指定值为现有的ARI(空调制冷学会)标准所指定的COP值,其最低值在制热时为2.5,在制冷时为2.9。该委员会建议对在ASHRAE(美国供暖制冷空调工程师协会)90.1标准中所推荐的水源热泵允许效率下限值进行以下调整,到2001年地下环路系统的允许效率下限值在制热时为3.1,在制冷时为3.9。在欧洲的瑞士热泵测试中心,由与上述测量相似的测量所得出的评价也充分证明了这种热泵的效率之高。在热源温度为0℃时,供暖温度为35℃时COP值几乎可以达到5.0,供暖温度为60℃时COP值为3.5(见图.2)。


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  尽管现有的地源热泵的COP最高值在4.5左右,但是他们运行时的COP平均值却不高。这个通常也被成为“周期性能因数”即SPF(Seasonal Performance Factor)的COP平均值,被定义为在机组运行时的COP值的平均数,一般都在SPF=3.0~3.8的范围内。对于属于地热热泵范畴的所有系统,或是任何一个有适宜建筑物使用的供暖系统,如果对其应用较高品质的标准,其SPF的值也能达到SPF=4.0的水平,但是如此一来,却不能再从热泵处获得一般都能由此获得的生活热水了。
  在使用BHE时,能否达到指定的能量产出量在于埋管长度是否足够,而埋管长度则主要取决于土壤的特性,包括温度、含水量、颗粒的形状尺寸和传热系数。BHE的正确尺寸是而且总是设计中所关注的问题,另外与BHE邻近并接触的土壤的地质特性也受到了特别的关注。而最关键之处在于建筑物的负荷,埋管间距,埋管填充材料和当地土壤特性。由于投入了很高的初投资费用,如果埋管的尺寸过大的话,我们将会付出比常规的系统费用更大的代价。
  在这一方面,应该提到两项近年来很重要的技术发展:
  •能当场判定地热参数的热反应测试;
  •能提高导热系数的灌浆材料的应用。
  在热反应测试中[Sanner等,2000],使BHE承担一个已设定好的热负荷,然后测出在循环中最终的温度变化(图.3)。由于通过这项技术确定的埋管尺寸是以可靠的地下数据为基础的,因此从1999年年中起,在欧洲中部的大容量BHE设计中也开始采用了该项技术。热反映测试早在1995年就在瑞典和美国得到了率先发展[Eklof和Gehlin,1996;Austin,1998];目前,已经在包括土耳其在内的许多国家得到了应用。在使用了可靠的设计软件之后[Hellstrom和Sanner,1994;Hellstrom等,1997],即便是在大型的应用中,BHE也能成为一种安全可靠的技术。


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  增强导热的灌浆材料在美国已有近10年的应用了,现在在欧洲也同样能买到它。这种材料的应用使得埋管热阻有了明显的降低(图.4),而埋管热阻则决定着温度恒定的地下和BHE管里面的流体两者之间的温度损失。在图.4的表格中给出了典型BHE的一些数据,通过对不同灌浆材料的BHE应用热反映测试,也能在现场证明其使用效果。


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3.市场机遇和阻碍
  在BHE设计中经常遇到的问题包括缺乏适当的溢流地点、确定压降和控制参数、填充物渗透腐蚀、工艺粗糙、选择管材和循环传热的流体。所有上述问题给地源热泵的市场渗透带来了明显阻碍,也对负责其安装的工程师和承包商提出了质量要求。在地热热泵售价较高的国家(如瑞典,瑞士和德国),为了防止其出现质量低下和寿命不足的情况,采取了强制实施技术指南、承包商证明和质量奖励等措施来保护该项产业及其消费者。
  现有的地热热泵的特征使得他们只能适用于在低温供暖系统中的运行,这样或多或少地限制了他们在新建筑物中的应用,因为他们的设计不能满足向供暖系统提供高温热水的要求,而这种较老的供暖系统在整个欧洲的建筑物中都普遍存在。用来向风机盘管、地板供暖系统或是低温辐射供暖器提供热水的热泵通常将水流的温度从40℃加热到45℃,水流在建筑物的供暖系统中循环的最高温度为50℃。所提供的热水温度越高,热泵的COP值就越低。在ISO(国际标准化组织)13256-2标准中,水-水系统中流入室内用户侧的热水,其温度的标准值和测验最高值分别为40℃和50℃,在某些欧洲国家的指导方针中,其温度的最高值则为55℃。
  上述温度的上限值把商用热泵的应用范围限制在了诸如风机盘管、低温辐射供暖器和地板供暖一类的低温供暖系统中。然而在整个欧洲的许多建筑物中,所安装的传统供暖系统通常由燃烧化石燃料的锅炉和标准的散热器构成,此即所谓的高温供暖系统。这些散热器系统设计使用的热水温度为80~90℃,温差为10~20℃。如果商用热泵的设计所提供的热水温度上升到50℃或60℃,温差为5~6℃,那么他们在现有建筑物中的安装将会使得高温供暖系统全部被低温供暖系统所替代,包括将散热器替换为风机盘管或其他的高级系统和安装大管径的供水管道。最近瑞士已经开发出了一种能够提供65℃热水的热泵[SATAG/Viessmann;http://www.satagthermotechnik.ch/english/aktuell.htm],这个可以看作是向占领较老建筑物的换代市场中迈出的第一步。
  很难查明在欧洲已经安装了的热泵的可靠数目,尤其是独立的热源。图.5给出了近期欧洲几个应用热泵的主要国家已经安装的机组的数目。瑞士在2001年的数目非常高是因为有大量的废气和其他空气-空气热泵的应用,同时瑞士拥有GSHP的数目在欧洲也是最高的(见图.5中的1998年的数据)。除了瑞典和瑞士之外,就总体而言我们还是可以得出在欧洲,GSHP的市场渗透还是不高的结论(表.1)。可以预测,将来还有很多机会来深化市场的发展,而且这项技术的前景也支持了以上预测。瑞士庞大的装机容量的事例(图.6)给了其他国家很大鼓舞。在德国,2002年GSHP(包括了地源热泵和水源热泵)占有了约82%的装机容量,同样有着乐观的前景(图.7)。


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