摘要：迄今為止地?zé)釤岜靡呀?jīng)應(yīng)用了50余年（第一個(gè)地?zé)釤岜贸霈F(xiàn)在美國），但是這項(xiàng)技術(shù)的市場滲透卻仍然還在起步階段，因?yàn)榛剂虾涂諝?空氣熱泵早已分別占據(jù)了室內(nèi)供暖和室內(nèi)供冷市場的統(tǒng)治地位。在德國、瑞士、奧地利、瑞典、丹麥、挪威、法國和美國，大量的地?zé)釤岜靡呀?jīng)是可運(yùn)作了的，目前爭論的主要問題在于安裝指導(dǎo)、質(zhì)量管理和承包商證明。
關(guān)鍵詞：地源熱泵地?zé)嵝钅?/p>
1．介紹
首先，列出本文中將被頻繁使用到的縮寫詞如下：
·地源熱泵GSHP（GroundSourceHeatPump）；
·埋管換熱器BHE（BoreholeHeatExchanger）（注：在美國，公認(rèn)的術(shù)語則是“豎直環(huán)路”）；
·地?zé)嵝钅躑TES（UndergroundThermalEnergyStorage）。
大多數(shù)的歐洲國家并未擁有足量的可以直接拿來使用的地下熱水資源（但像冰島、匈牙利和法國等國家則不在此例）。應(yīng)用低焓蓄水層來向大量的用戶供暖也只是局限于具有特殊地質(zhì)背景的地區(qū)。在這種情況下，在非集中式的GSHP系統(tǒng)中利用普遍存在的淺層地?zé)豳Y源成為了必然的選擇。如此一來，在大多數(shù)歐洲國家，這項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速成長日益浮現(xiàn)和發(fā)展。結(jié)果是該系統(tǒng)的快速的市場滲透，從事該領(lǐng)域的商業(yè)公司的數(shù)目持續(xù)增長，并且他們的產(chǎn)品也已經(jīng)足夠出名到能夠被收錄進(jìn)“黃頁”了。
在這項(xiàng)技術(shù)市場發(fā)展出現(xiàn)得最多的的歐洲中部和北部，那里的氣候是整個(gè)歐洲最需要室內(nèi)供暖的，但是在那里空調(diào)卻很少需要。因此，不同于美國的“地?zé)釤岜谩?，歐洲的熱泵通常主要工作在制熱模式下。但是在歐洲南部，尤其是在希臘和土耳其西部，GSHP裝置最近才僅僅通過論證的階段；在瑞士的技術(shù)支持下，希臘于1993年安裝了第一個(gè)利用BHE的GSHP實(shí)驗(yàn)裝置[Papageorgakis，1993]。受此影響，隨后在雅典的國家技術(shù)大學(xué)校內(nèi)的礦業(yè)工程大樓項(xiàng)目中，也采用了復(fù)合有地下水井和BHE的地?zé)釤岜梅绞絹韺?duì)建筑物進(jìn)行供暖和供冷[Karytsas等，2002]；很快，這項(xiàng)項(xiàng)目就有了其他的追隨者[Mendrinos等，2002]。在廣泛的商業(yè)應(yīng)用、持續(xù)的供冷需求以及眼下該技術(shù)在歐洲南部的日益推廣的共同作用下，這種既能供暖又能供冷的技術(shù)在將來一定會(huì)有更加重要的地位。
2．GSHP技術(shù)概況
地源熱泵（GSHP），又名地?zé)釤岜茫瑢?shí)際上都是熱泵和與大地?fù)Q熱系統(tǒng)的復(fù)合物（圖．1）。他們基本上都含有一個(gè)地下?lián)Q熱器（稱這種系統(tǒng)為“閉環(huán)系統(tǒng)”），或是一個(gè)用井中的地下水來運(yùn)行的系統(tǒng)（稱這種系統(tǒng)為“開環(huán)系統(tǒng)”）。熱量能通過以下幾種方式從地下提取出來：
·地下水井（即所謂的“開式系統(tǒng)”）；
·豎直埋管換熱器（即BHE）；
·水平埋管換熱器（包括帶管溝、螺旋管等的緊湊型系統(tǒng)）；
·所謂的“地下構(gòu)造物”（裝有換熱器的基樁）。
多年的實(shí)驗(yàn)和理論研究（現(xiàn)場測(cè)量和數(shù)學(xué)模型仿真）為BHE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估打下了詳盡堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[見Knoblich等，1993；Rybach和Hopkirk，1995；Rybach和Eugster，1997]。在20世紀(jì)80年代里，瑞典主要從事了對(duì)BHE系統(tǒng)的理論熱量的分析[Claesson和Eskilson，1988；Eskilson和Claesson，1988]，而瑞士進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和仿真[Gilby和Hopkirk，1985；Hopkirk等，1988]，德國則在實(shí)驗(yàn)室里完成了對(duì)地下傳熱的測(cè)量[Sanner，1986]。
圖．1表示了一個(gè)典型的BHE裝置。在制熱工況下運(yùn)行時(shí)，此類系統(tǒng)以大地作為熱源，用液體（通常是水或是水與防凍劑的混合物）作為從大地轉(zhuǎn)移熱量到熱泵蒸發(fā)器的媒介，如此來利用地?zé)帷Ｔ谥评涔r下，系統(tǒng)則以大地作為冷源。每輸出1kWh的熱量或冷量，他們通常只消耗0.22~0.35kWh的電能，較之使用空氣作為熱/冷源的空氣-空氣熱泵，在相同時(shí)間里節(jié)省了30~50%的能耗。
在額定工況的條件下，熱泵產(chǎn)出的有效能量與其所耗電能的比率被定義為“性能系數(shù)”即COP（CoefficientofPerformance）。COP值主要取決于從地下回路中出來的即將進(jìn)入熱泵的水的溫度，而入口水溫又主要取決于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件（地下熱能和地下水的參數(shù)，氣候環(huán)境）和熱泵的技術(shù)參數(shù)（地下?lián)Q熱器的長度、類型，灌漿的原料、類型和質(zhì)量，等等）。影響一臺(tái)熱泵的COP值的其他因素有熱/冷負(fù)荷，建筑物供暖/冷系統(tǒng)的類型和相關(guān)的設(shè)計(jì)供給溫度。在地表下約10m深處，地下溫度全年基本上都是不變的（主要取決于當(dāng)?shù)靥鞖獾那闆r和周圍介質(zhì)的溫度），而且隨著距地表處深度的增加溫度的增幅卻不大，因此，BHE顯示出了比水平埋管換熱器更好的運(yùn)行性能和節(jié)能效果。
盡管現(xiàn)有的地源熱泵的COP最高值在4.5左右，但是他們運(yùn)行時(shí)的COP平均值卻不高。這個(gè)通常也被成為“周期性能因數(shù)”即SPF（SeasonalPerformanceFactor）的COP平均值，被定義為在機(jī)組運(yùn)行時(shí)的COP值的平均數(shù)，一般都在SPF=3.0~3.8的范圍內(nèi)。對(duì)于屬于地?zé)釤岜梅懂牭乃邢到y(tǒng)，或是任何一個(gè)有適宜建筑物使用的供暖系統(tǒng)，如果對(duì)其應(yīng)用較高品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，其SPF的值也能達(dá)到SPF=4.0的水平，但是如此一來，卻不能再從熱泵處獲得一般都能由此獲得的生活熱水了。
在使用BHE時(shí)，能否達(dá)到指定的能量產(chǎn)出量在于埋管長度是否足夠，而埋管長度則主要取決于土壤的特性，包括溫度、含水量、顆粒的形狀尺寸和傳熱系數(shù)。BHE的正確尺寸是而且總是設(shè)計(jì)中所關(guān)注的問題，另外與BHE鄰近并接觸的土壤的地質(zhì)特性也受到了特別的關(guān)注。而最關(guān)鍵之處在于建筑物的負(fù)荷，埋管間距，埋管填充材料和當(dāng)?shù)赝寥捞匦?。由于投入了很高的初投資費(fèi)用，如果埋管的尺寸過大的話，我們將會(huì)付出比常規(guī)的系統(tǒng)費(fèi)用更大的代價(jià)。
在這一方面，應(yīng)該提到兩項(xiàng)近年來很重要的技術(shù)發(fā)展：
·能當(dāng)場判定地?zé)釁?shù)的熱反應(yīng)測(cè)試；
·能提高導(dǎo)熱系數(shù)的灌漿材料的應(yīng)用。
在熱反應(yīng)測(cè)試中[Sanner等，2000]，使BHE承擔(dān)一個(gè)已設(shè)定好的熱負(fù)荷，然后測(cè)出在循環(huán)中最終的溫度變化（圖．3）。由于通過這項(xiàng)技術(shù)確定的埋管尺寸是以可靠的地下數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，因此從1999年年中起，在歐洲中部的大容量BHE設(shè)計(jì)中也開始采用了該項(xiàng)技術(shù)。熱反映測(cè)試早在1995年就在瑞典和美國得到了率先發(fā)展[Eklof和Gehlin，1996；Austin，1998]；目前，已經(jīng)在包括土耳其在內(nèi)的許多國家得到了應(yīng)用。在使用了可靠的設(shè)計(jì)軟件之后[Hellstrom和Sanner，1994；Hellstrom等，1997]，即便是在大型的應(yīng)用中，BHE也能成為一種安全可靠的技術(shù)。
增強(qiáng)導(dǎo)熱的灌漿材料在美國已有近10年的應(yīng)用了，現(xiàn)在在歐洲也同樣能買到它。這種材料的應(yīng)用使得埋管熱阻有了明顯的降低（圖．4），而埋管熱阻則決定著溫度恒定的地下和BHE管里面的流體兩者之間的溫度損失。在圖．4的表格中給出了典型BHE的一些數(shù)據(jù)，通過對(duì)不同灌漿材料的BHE應(yīng)用熱反映測(cè)試，也能在現(xiàn)場證明其使用效果。
3．市場機(jī)遇和阻礙
在BHE設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問題包括缺乏適當(dāng)?shù)囊缌鞯攸c(diǎn)、確定壓降和控制參數(shù)、填充物滲透腐蝕、工藝粗糙、選擇管材和循環(huán)傳熱的流體。所有上述問題給地源熱泵的市場滲透帶來了明顯阻礙，也對(duì)負(fù)責(zé)其安裝的工程師和承包商提出了質(zhì)量要求。在地?zé)釤岜檬蹆r(jià)較高的國家（如瑞典，瑞士和德國），為了防止其出現(xiàn)質(zhì)量低下和壽命不足的情況，采取了強(qiáng)制實(shí)施技術(shù)指南、承包商證明和質(zhì)量獎(jiǎng)勵(lì)等措施來保護(hù)該項(xiàng)產(chǎn)業(yè)及其消費(fèi)者。
現(xiàn)有的地?zé)釤岜玫奶卣魇沟盟麄冎荒苓m用于在低溫供暖系統(tǒng)中的運(yùn)行，這樣或多或少地限制了他們?cè)谛陆ㄖ镏械膽?yīng)用，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)計(jì)不能滿足向供暖系統(tǒng)提供高溫?zé)崴囊?，而這種較老的供暖系統(tǒng)在整個(gè)歐洲的建筑物中都普遍存在。用來向風(fēng)機(jī)盤管、地板供暖系統(tǒng)或是低溫輻射供暖器提供熱水的熱泵通常將水流的溫度從40℃加熱到45℃，水流在建筑物的供暖系統(tǒng)中循環(huán)的最高溫度為50℃。所提供的熱水溫度越高，熱泵的COP值就越低。在ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）13256-2標(biāo)準(zhǔn)中，水-水系統(tǒng)中流入室內(nèi)用戶側(cè)的熱水，其溫度的標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)驗(yàn)最高值分別為40℃和50℃，在某些歐洲國家的指導(dǎo)方針中，其溫度的最高值則為55℃。
上述溫度的上限值把商用熱泵的應(yīng)用范圍限制在了諸如風(fēng)機(jī)盤管、低溫輻射供暖器和地板供暖一類的低溫供暖系統(tǒng)中。然而在整個(gè)歐洲的許多建筑物中，所安裝的傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)通常由燃燒化石燃料的鍋爐和標(biāo)準(zhǔn)的散熱器構(gòu)成，此即所謂的高溫供暖系統(tǒng)。這些散熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的熱水溫度為80~90℃，溫差為10~20℃。如果商用熱泵的設(shè)計(jì)所提供的熱水溫度上升到50℃或60℃，溫差為5~6℃，那么他們?cè)诂F(xiàn)有建筑物中的安裝將會(huì)使得高溫供暖系統(tǒng)全部被低溫供暖系統(tǒng)所替代，包括將散熱器替換為風(fēng)機(jī)盤管或其他的高級(jí)系統(tǒng)和安裝大管徑的供水管道。最近瑞士已經(jīng)開發(fā)出了一種能夠提供65℃熱水的熱泵，這個(gè)可以看作是向占領(lǐng)較老建筑物的換代市場中邁出的第一步。
很難查明在歐洲已經(jīng)安裝了的熱泵的可靠數(shù)目，尤其是獨(dú)立的熱源。圖．5給出了近期歐洲幾個(gè)應(yīng)用熱泵的主要國家已經(jīng)安裝的機(jī)組的數(shù)目。瑞士在2001年的數(shù)目非常高是因?yàn)橛写罅康膹U氣和其他空氣-空氣熱泵的應(yīng)用，同時(shí)瑞士擁有GSHP的數(shù)目在歐洲也是最高的（見圖．5中的1998年的數(shù)據(jù)）。除了瑞典和瑞士之外，就總體而言我們還是可以得出在歐洲，GSHP的市場滲透還是不高的結(jié)論（表．1）?？梢灶A(yù)測(cè)，將來還有很多機(jī)會(huì)來深化市場的發(fā)展，而且這項(xiàng)技術(shù)的前景也支持了以上預(yù)測(cè)。瑞士龐大的裝機(jī)容量的事例（圖．6）給了其他國家很大鼓舞。在德國，2002年GSHP（包括了地源熱泵和水源熱泵）占有了約82%的裝機(jī)容量，同樣有著樂觀的前景（圖．7）。