地热热泵——适用于任何地方的地热能:当前世界发展
徐伟(译)郑克邦(校)
摘要:1995期间在意大利佛罗伦萨举行的世界地热大会上，一篇关于地热热泵增长的论文引起了世界地热界的广泛关注。随着降低建筑能耗压力的增加和建筑二氧化碳排放指标的提高，安装地源热泵的趋势逐渐上升。应用地热泵的国家数量也在增加。他们中的一些人没有传统意义上的地热资源，但现在他们有充满活力的地热热泵项目。此外，一些国家正在探索其应用潜力。从小家庭安装到大功率系统安装，各种类型的地源热泵越来越多。本文主要评价了近10年来这些高效率、长寿命、低污染的可再生能源系统的开发和安装情况。
1简介
地热热泵是世界上发展最快的可再生能源利用技术之一。在过去的10年中，约30个国家的平均增长率达到10%。它的主要优点是可以利用普通地温或地下水温度(5 ~ 30℃)进行操作，这些资源在世界各国都可以获得。在佛罗伦萨1995世界地热大会上，人们试图总结当时的技术状况和发展水平。到2005年，地源热泵作为一种新能源和替代能源被进一步提升到重要地位。特别是，它们被视为一种高效的可再生加热设备，更重要的是，它们在减少二氧化碳方面得到了认可。一篇来自加拿大的文章提到:“目前，在减少温室气体排放和导致全球变暖方面，市场上没有其他单一技术比地热热泵更有潜力。”这句话符合一个流行的理解:热泵作为一种供热装置，可以使全球二氧化碳排放量减少6%以上，是目前市场上可利用的最大的单项二氧化碳减排技术之一。这种说法正好适合当前提倡将更多注意力转移到可再生热能的利用上，就像当前提倡可再生电能一样。2005年，九个欧洲组织和贸易协会推广使用可再生能源供暖和制冷。提到了三种主要技术:生物能源、太阳能和地热能。10年来所做的工作表明，无论是单孔安装还是多孔安装，正确设计的热泵系统都能保证从地下提取的热能是真正可再生和永久的。最近，世界能源组织公布了各种可再生技术的生命周期分析。对于供暖技术，地热热泵的生命周期二氧化碳排放量是第二低的，仅次于木屑。
在本文中，我们简要介绍了地热热泵技术，并提出了一些流行的综合信息。读者会发现，《2005年世界地热大会论文集》第14章比往届大会收集了更多关于地热热泵的论文，反映了其在世界范围内的快速增长。虽然地源热泵具有很高的应用潜力，但它在一个国家或地区的优势取决于当地的经济可行性、应用能力和增长速度。我们介绍了几个不同地理区域和国家的发展情况。许多地源热泵已经在一些地区安装，并呈现出日益增长的趋势，而有些地区才刚刚开始。开发利用较好的国家有美国、北欧、瑞士、德国，尤其是瑞典。刚刚开始开发利用的国家有英国、挪威等。其他装机量较大的国家包括加拿大和奥地利，法国和荷兰也呈现较快的增长速度。中国、日本、俄罗斯、英国、挪威、丹麦、爱尔兰、澳大利亚、波兰、罗马尼亚、土耳其、韩国、意大利、阿根廷、智利、伊朗等国家开始实现地热热泵技术。在文集的第一部分，许多国家介绍了它们的开发和利用情况。
2装载机
虽然许多国家都对热泵感兴趣，但热泵的增长主要发生在美国和欧洲。据不完全统计，全球装机容量可能接近10100MWt，年能源利用约59000TJ(16470GWh)。实际安装的机组数量约为90万台。表1列出了地源热泵利用率最高的几个国家。
表1使用地热热泵的主要国家
3地热热泵系统
热泵系统利用相对恒定的地下温度为家庭、学校、政府和公共建筑提供供暖、制冷和生活热水。输入少量电能驱动压缩机后，可产生相当于输入能量4倍的能量。这样的机器使热能从低温区流向高温区，实际上是一个可以逆向流动的制冷机。“泵”是做功的意思，温差叫“升”。升力越大，输入的能量越多。这项技术并不是新技术。开尔文勋爵在1852年提出了这个概念。在20世纪40年代，罗伯特·韦伯将其改造成地热热泵，并在20世纪60年代和70年代将其商业化。图1是典型的水-空气热泵系统。这种热泵在北美应用广泛，但水-水热泵主要用于北欧家庭供暖市场。
热泵有两种基本配置:土壤偶极子系统(闭路系统)和地下水系统(开路系统)。地下系统可以水平或垂直安装，以获取井水或湖水。系统的选择取决于安装地点的土壤和岩石类型，水井或现有水井能否经济地建造取决于现场条件。图2是这些系统的示意图。如前面的水-空气热泵所示，对于热水供暖系统，家用热水交换器可以利用夏季回注的热量和冬季输出的热量来加热生活用水。水-水热泵一般只能通过将制热模式改为生活热水模式，并最大限度提高输出温度来加热生活热水。
图1a地热热泵制冷循环
图1b水煤气地热热泵供热循环
图2a闭环热泵系统
图2b开环热泵系统
在土壤偶极系统中，一个封闭的管道水平或垂直埋在地下，防冻剂通过塑料管循环，或在冬季从地下获取热量，或在夏季向地下注入热量。开环系统使用地下水或湖水直接通过热交换器，然后倒入另一个眼井(或河渠、湖泊，或直接用于灌溉)，主要是按照当地的法律法规。
其他种类的热泵系统正在出现，如轴和在这次会议上提到的一种新的类型。这些系统效率很高，但大多数都需要比闭路系统更详细的水文地质信息和更专业的设计。
热泵机组的效率用制热模式下的运行系数COP和制冷模式下的能效比(EER)来表示，能效比是输出能量与输入能量(电能)的比值。目前设备基本在3到6之间不等。这样的COP为4意味着每单位电能输入可以产生4单位热能。相比之下，空气源热泵的COP在2左右，取决于高峰制热制冷所需的备用功率。在欧洲，这个比值有时被用作“季节运行参数”，即采暖季和制冷季的平均COP，要考虑系统特性。
浅谈地源热泵的再生
随着热泵装机数量的稳步增长，人们意识到了热泵对可再生能源利用的贡献。这只是理解的一部分，因为他们只涉及到表面的加热和冷却，所以没有考虑可再生电力。但是，还有另外两个因素——一是关于地下能源的可持续性，二是基于空气源热泵。能量输出时没有纯能量的增加，所以它们只是一种能效技术。
上世纪五六十年代，空气源热泵大行其道的时候，城市里的化石燃料电厂发电效率接近30%。当时空气源热泵的COP一般在1.5 ~ 2.5之间变化。表2显示了建筑物中的能量释放。60%的能量来自空气，用于发电的一次能源只有75%被用作有用的热能。这样，从空气中提取的可再生能源高效地释放了热能，但没有剩余能量。表2的第二列是当前数据。新建联合或联合循环电厂的发电效率已超过40%。地源热泵的SPF已经超过了3.5。这就导致效率为140%，其中71%的最终能量来自地下。更重要的是，超过40%的盈余高于发电消耗的原始能源。
表2能源和效率对照表
水源热泵与新型发电效率的结合构成了剩余可再生能源的释放。
如果从一开始就使用可再生能源发电，那么所有传输的能源都将是可再生的。为了最大限度地释放可再生能源，建议尽快实现可再生电能的经济性，并与地源热泵相结合。
能源讨论可能会有争议，但二氧化碳排放量的减少很容易证明。比如英国的电网和地热热泵联合供热，与传统的化石燃料供热技术相比，可以减少50%的二氧化碳排放。这是由于目前英国电网的组合。因为目前发电排放的二氧化碳在减少，使用地热热泵排放的二氧化碳会更少。随着可再生能源发电的使用，建筑供暖将不再需要排放二氧化碳。
如果要计算目前全球范围内可以节约的石油当量和地热热泵装机容量可以减少的二氧化碳排放量，需要有几个假设。如果每年利用地热能28000 TJ(7800 GWh)，与30%的高效燃油发电相比，将节省1540万桶石油，即230万吨油当量，减少700万吨二氧化碳排放。如果我们假设每年的冷却量相同，这个数字将会翻倍。
5美国经验
在美国，大部分系统是按照高峰冷负荷设计的，高峰冷负荷高于采暖负荷(主要在北方地区)，所以估计平均每年有1000小时的满负荷采暖。在欧洲，绝大多数系统都是按照供热负荷来设计的，所以往往是按照基本负荷，加上化石燃料的调峰来设计的。因此，欧洲系统每年可以满负荷运行2000至6000小时，平均每年2300小时。制冷模式虽然向地下注入热量，但不属于地热，仍然节约能源，有利于清洁环境。在美国，地源热泵的装机容量可以稳定在12%，大部分安装在中西部和从北达科他州到佛罗里达州的东部地区。目前每年安装近5万台热泵机组，其中46%为立式闭环系统，38%为卧式闭环系统，15%为开环系统。超过600所学校安装了热泵系统来供暖和制冷，尤其是在德克萨斯州。需要注意的是，热泵是按吨(1吨冰产生的制冷量)分类的，相当于12000Btu/hr或3.51kW(Kavanaugh和Rafferty，1997)。典型的家用热泵机组应该是3吨或105kW装机容量。
美国安装的最大热泵是肯塔基州路易斯维尔的一家酒店。通过热泵为600间酒店客房、100套公寓、89000m2办公面积(全酒店为161650m2)提供冷热空调服务。热泵使用4口出水量为177l/s、出水温度为14℃的井，提供15.8MW的冷负荷和196MW的热负荷。能耗是没有热泵系统的同类建筑的53%，每月节省25000美元。
6欧洲的情况
地热热泵实际上可以在任何地方提供供暖和制冷，可以满足任何需求，因此具有很大的灵活性。在西欧和中欧，许多用户直接使用地热能进行区域供热受到了地区地质条件的限制。在这种情况下，通过分散式热泵系统到处收集浅层地热能是明智的选择。因此，在各个欧洲国家，热泵正在快速增长和发展。热泵系统的市场正在蔓延，从事这项工作的商业公司也在不断壮大，其产品已经进入“黄页”。
热泵在欧洲20多年的研发，为这项技术的可持续性建立了完善的理念，解决了噪音问题，制定了安装标准。图3是典型的地下热交换器型热泵(BHE)。这种系统每输出1kWh的热量或冷量需要0.22 ~ 0.35 kWh的电能，比季节用大气作为热源的空气源热泵节省30% ~ 50%。
图3 BHE热泵系统在中欧家庭的典型应用，典型BHE长度超过100m
根据欧洲很多国家的天气情况，现在的需求大部分是暖气，很少需要空调。所以热泵通常只在制热模式下使用。但是，随着大规模商业利用的增加，对制冷的需求以及这一技术向南欧的普及，供热和制冷的双重功能在未来将变得越来越重要。
在欧洲，很难统计热泵装置的可靠数量，尤其是个人使用的热泵装置。图4显示了欧洲几个主要使用热泵的国家安装的热泵数量。2001年，瑞典的热泵主要是空气源热泵，但瑞典也是欧洲安装地热热泵最多的国家(见表1)。总的来说，除了瑞典和瑞士，欧洲的地源热泵市场拓展并不算太大。
7德国经验
1996之后，根据热泵的销量统计，德国各种热源的热泵销量都不一样(图5)。1991年销量不足2000台后，热泵销量呈现稳定增长。地热热泵的份额从20世纪80年代的不到30%上升到1996年的78%，2002年达到82%。而且从2001到2002年，德国房地产因为经济萧条而萎缩的时候，地热热泵的销量依然在增长。未来在市场上还是有增长机会的，因为有更好的技术前景做保障。
图4部分欧洲国家热泵机组安装数量对比。
图5德国热泵每年销量对比。
德国的地热热泵数量巨大。许多小型系统安装在独立的房屋中，而较大的系统用于一些商业区域，如需要加热和冷却的办公楼。德国大部分地区夏天的湿度允许制冷不需要除湿，比如冷却天花板。热泵系统非常适合直接利用地下冷能而不需要冷却器，并且表现出很高的制冷效率，COP可以达到20以上。第一个使用地下换热器和直接制冷的系统安装在1987，该技术成为标准设计选择。Sanner和Kohlsch介绍了德国地热热泵的一些最新实例。
在德国，地源热泵已经走过了研究、开发、研制阶段，目前的重点是选型和质量安全。正在执行技术标准VDI4640、合同规范和质量认证等工作，以保护行业和消费者，避免地热热泵系统质量不合格和长期运行等问题。
地热热泵在瑞士的繁荣
瑞士的地热热泵系统一直以每年15%的速度快速增长。目前，有超过25000个热泵系统在运行。来自地下的热能供应系统有三种:浅层水平管(占全部已安装热泵不到5%)、地下换热系统(100 ~ 400 m深，占65%)和地下水源热泵(占30%)。仅在2002年，就钻了600，000米的井眼并安装了地下热交换器系统。
地热热泵系统非常适合开发各地的浅层地热资源。热泵系统长期运行的可靠性已被理论和实践研究及多个采暖季的测试所证明。季节性运行系数已经大于3.5。
各种试验和模型模拟证明，该系统可以持续吸热。长期运行的可靠性保证了系统的无故障应用。热泵系统地下换热器的合理尺寸也有利于广泛应用和选择。事实上，热泵系统的安装从1980开始，经过快速发展，现在已经是瑞士地热能直接利用的最大部分。
自20世纪70年代末被认识以来，地源热泵系统的安装发展迅速。这一令人印象深刻的增长可以在图6和图7中看到。
图6从1980到2001瑞士地源热泵安装发展趋势。
图71980年至2001年瑞士地下水埋管换热器和地源热泵系统装机容量发展趋势。
每年的增长是显著的:新安装系统的数量以每年超过10%的速度增长。小系统(< < 20kW)显示增长率最高(大于15%，如图1所示)。2001年地热热泵系统装机容量440MWt，发电量660GWh。2002年，建造了大量钻孔(数千个)，并安装了带有双U形管的地下热交换器。地下换热器平均埋深约为150 ~ 200m；深度超过300米的井眼越来越多，每米的平均成本约为45美元，包括钻井、下U形管和回填。2002年，地下换热器的进尺达到60万米
热泵迅速进入瑞士市场的原因。
热泵系统在瑞士市场发展迅速，主要是因为地壳浅层除了到处都是这种地热能之外，没有其他地热能资源。此外，还有很多其他原因，包括技术、环境和经济原因。
技术原因
大多数人居住的瑞士高原适宜的天气条件:大气温度在0℃左右，冬天日照少。
浅层地下温度在10 ~ 12℃之间，采暖期长。
通过正确选择尺寸，恒定的地下温度可以提供最佳的季节运行系数和热泵的长期使用寿命。
地源热泵以分散的方式安装，适合独立用户的需求，避免了像区域供热系统那样昂贵的热量分配。
安装位置在建筑物附近(或者地下)，相对自由，不需要太多的建筑空间。
至少对于小型系统来说，是不需要回灌的，因为在系统的闲置期(夏季)，地下热能可以自动恢复。
环境原因
不存在运输、储存和操作的危险(与石油相比)；
没有地下水污染的危险(与石油相比)；
系统运行可以减少温室气体二氧化碳的排放。
经济原因
环保型地源热泵的安装费用与传统(燃料)系统相当(赖贝琦，2006 54 38+0)；
运行成本更低(与使用化石燃料加热相比，无需购买石油或天然气以及燃烧器控制)；
对于环保热泵，当地政府将在用电方面给予优惠。
二氧化碳排放税有望实施。
地热热泵进一步快速普及的诱因是公共事业的“能源合同”。它意味着使用热泵的公司自费设计、安装、操作和维护地热热泵，同时以合同价格向合适的用户出售热能或冷能。
虽然绝大多数地源热泵用于单体住宅供暖(生活热水)，但一些新的利用方式正在兴起(包括各种地下换热系统、与太阳能相结合的集热蓄热、地热供暖制冷以及“能量反应器”)。就每平方公里一个单位而言，它们的区域密度是世界上最高的。这就保证了瑞士在地热能直接利用方面的优势(人均装机容量世界前五)。人们认为，瑞士的地热热泵将在很长一段时间内蓬勃发展。
9英国的地热热泵
在英国，卢特·开尔文(Lute Kelvin)努力发展热泵理论，但用热泵供暖进展缓慢。最早安装地源热泵的记录要追溯到1976年夏天。20世纪90年代初，苏格兰的家庭安装了小型闭路电视系统。英国花了很长时间才发现为什么这项技术至今落后于北美和北欧。主要原因是天气相对温暖，建筑材料的隔热性差，缺乏合适的热泵机组，以及与庞大的天然气管网的竞争。
20世纪90年代中期，英国的地源热泵在借鉴加拿大、美国和北欧热泵利用的基础上，开始缓慢发展。他们用了很长时间来确定合理的技术应用于自己的房屋材料，并克服了英国特有的各种问题。另一个问题是英国复杂的地质条件。
在过去的两年里，热泵被认为在英国的几项政策中发挥了重要作用，如供热保障程序、可再生能源和能效目标。
在英国，很少有人知道与传统系统相比，热泵系统实际上可以显著减少二氧化碳排放。使用英国电网的地热热泵系统将立即减少40% ~ 60%的二氧化碳排放。随着未来几年英国电网越来越清洁，长寿命热泵的排放量将进一步减少。建筑师和开发商发现，新的建筑评估标准开始考虑二氧化碳的新参数。
从一个很小的开始，地热热泵系统已经出现在英国各地，从苏格兰到康沃尔。私人建筑师、房地产开发商和建筑协会现在都是这些系统的消费者。室内热泵系统一般在25kW-2.5 kw之间，主要在几个地质条件不同的地区选择安装各种水对水、水对空气热泵。
最近，宣布有一个资助计划(清洁天空项目)，以帮助建立这项技术的部门鉴定，并建立一个可信的安装团队，技术标准和适合英国的室内热泵。去年，英国的主要用户发起了安装65，438+0，000台热泵的活动，希望对这项技术的兴趣迅速增加，同时希望在未来几年内能够涌现出大量室内地热热泵安装的成功案例。
使用地源热泵的另一个重要领域是需要加热和冷却的商业和公共建筑。2002年，国际能源协会热泵中心安排了第一批国家研究，研究热泵减少二氧化碳排放的可能性(IEA，2002)。第一个是在英国进行的，研究的结论是热泵系统最适合在办公室和小商店使用。第一个没有安装在室内的热泵只有25kW，在锡利的Isles健康中心。这套系统从2000年到今天发展迅速，目前设备的规模和型号已经达到300kW。
热泵的使用已经发展到学校、单层或多层办公楼和展览中心。一个显著的例子是德比郡的国家森林展览中心，切斯特菲尔德、诺丁汉和克罗伊登的办公楼，以及康沃尔的Tolvaddon能源公园。彼得伯勒的新宜家销售中心安装了一套大型系统。这些系统的安装采用了多种类型，如简单的地板采暖、反循环热泵采暖和制冷，以及同时采暖和制冷的复杂集成单元。采用了单独或混合配置，包括使用大型地下水平循环和其他相互连接的钻孔网络。
10瑞典地热热泵
20世纪80年代初，地热热泵在瑞典开始流行。到1985，已经安装了50000台热泵机组。随后，低能源价格和技术质量问题导致热泵市场萎缩。在接下来的10年里，平均每年安装2000台热泵机组。从65438到0995，由于瑞典政府的支持和补贴，大众对地热热泵的兴趣开始增加。根据占住宅销售市场约90%的瑞典热泵机构(SVEP)的销售数据，2001和2002年安装了约27，000台热泵机组(见图8)。因此装机量估计达到20万台。
目前，热泵是瑞典小型住宅区最流行的液体循环供暖方式。因为现在的油价，替代了烧油。因为电费高，所以取代了电；因为方便而不用炭炉。直接电加热的发展已经大大放缓。除了住房之外，还有一些大型系统装置(包括闭路和开路循环)用于区域供热网。所有热泵机组的平均输出热能估计约为10kW。
瑞典的地源热泵安装通常建议占额定负荷的60%，即每年满负荷运行约3500 ~ 4000小时。集成在热泵中的电加热器提供剩余负荷，该剩余负荷倾向于将热泵负荷增加到80% ~ 90%。大约80%的热泵是立式的(钻孔式)。驻地钻孔平均深度约125米，水平式平均循环长度约350米。几乎所有的热泵装置都使用一个充满地下水的开放式单U形管(树脂管，直径40毫米，标准压力6.3巴)。当需要将热量抽回地下时，有时会使用双U型管。热响应试验表明，在充满地下水的钻孔中，自然对流比在充满沙子(砾石)的钻孔中更强烈。地源热泵的盛行逐渐引起了人们对相邻钻孔间长期热影响的关注。
图8瑞典热泵年销售量对比
客户住宅的大型系统变得越来越受欢迎。用于制冷的垂直安装正在占领市场，但它并没有引起人们对住房的兴趣。工商业对制冷的需求为地源热泵打开了一个全新的市场。
热泵技术的发展有逐步用透平压缩机取代活塞式压缩机的趋势，透平压缩机具有运行稳定、设计简单等优点。此外，人们对各种容量控制感兴趣，例如在同一单元中安装一个小压缩机和一个大压缩机，在夏天可以通过小压缩机供应生活热水。大部分进口热泵使用的工质是R410A。瑞典厂商仍在使用R407C，但有向R410A转变的趋势，部分也对丙烷感兴趣。目前，我们正在研究使用极少量的工作流体来建造热泵。一些厂商通过利用废气和土壤作为热源的热泵来抢占市场。废气可用于预热从钻孔中提取的传热流体，或在热泵空闲时泵入地下。
在大型地埋管热泵系统中，为了保证系统的长期运行，不得不考虑地下热能的平衡。如果主要是为了满足热负荷，夏季就需要向地下回灌热能。应考虑自然可再生能源，如室外空气、地表水和太阳能。在纳斯比公园，在建筑物下安装了一个系统，建造了48个200米深的井眼，并使用400千瓦的热泵提供基本的热负荷，每年运行6000小时。夏天，从附近湖泊中抽取的地表温水(15 ~ 20℃)通过钻孔泵入地下。
11挪威的例子
在奥斯陆的尼达伦，65，438+080个基岩井将是一座近200，000平方米建筑供暖和制冷的关键。这是欧洲同类项目中最大的一个。
一个能源供应站将为尼达伦的建筑供暖和制冷。通过使用热泵和地热井，可以从地下收集热能并储存在地下。在夏天，当需要冷却时，热能可以被泵入地下。基岩的温度可以从8℃提高到25℃。冬天，热能可以用来取暖。供热输出功率为9MW，制冷输出功率为7.5MW，与电、油、天然气供热相比，年供热费用可降低60% ~ 70%。供热和制冷的联合调用保证了能源站的高效利用。
这个项目最独特的地方是地热储能。这里有180口井，每口井深200米，可提供4 ~ 10kW的能量。整个储热基岩体积为654.38+80万m3，主要在建筑物下。塑料管形成一个封闭的回路来传递热能。
项目总投资6000万挪威克朗(折合750万欧元)。与传统方式(即没有能量井和收集装置)相比，投资为17万挪威克朗。但每年购买的能源减少约400万挪威克朗，项目仍有盈利。该项目得到了政府实体Enova SF和奥斯陆能源基金的支持，赠款为65，438+065，438+000万挪威克朗。
能源站的建设按计划于2003年4月开始，包括一半基础岩石井的建设。其余井可能安排在2004年施工。
项目详情可在项目组网站www.avantor.no和热能储存网站www.geoenergi.no查阅
结论
地热热泵是一项新兴技术，它能够利用地下储存的巨大可再生能源提供高效的供热和制冷。它们逐渐被视为化石燃料的替代品。在许多国家，它们可以大大减少建筑物供暖和制冷时的二氧化碳排放总量。相信安装热泵系统的数量和国家将迅速增加。
参考文献(略)