地源热泵在国外的发展状况

 1 地源热泵在欧洲

    1.1 地源热泵在欧洲的应用背景

    欧洲作为世界上仅次于澳洲的倒数第二小的洲只有1 千多万平方公里的面积, 仅占世界的7 % ,却有着世界第二大——7 亿3 千万人口。欧洲是由36 个不同国家所组成,虽然其中的15 个国家已经组成了欧盟,但这些国家在语言,政治,经济,文化,气候方面都有很大的区别,这导致了地源热泵在欧洲不同国家之间的不平衡发展。

    驱使政府去投资研究使用地源热泵的原因是为了降低能耗和污染。虽然欧洲的能源消耗增长率远低于亚洲和北美,但是许多欧洲国家因为各自的原因,例如许多国家想要限制或停止使用核能;许多用气的国家不得不面对气费增加的问题;欧洲自身的油产量很低;水力的进一步使用受到了自然热爱者的抗议等问题,不得不考虑如何节能。

    驱使用户购买地源热泵的原因在于它本身的经济性。对许多欧洲国家,环保是最重要的原因,但对于许多其他国家的人民,经济性依旧是最基本的因素。地源热泵是通过消耗电能来工作的,在欧洲,尤其在北欧,气是不常用的,而油价通常又高于电价,所以地源热泵在北欧的广泛应用就不足为奇了。而随着油价的进一步上扬,地源热泵的应用必将得到进一步的发展。

    1.2 地源热泵在欧洲的发展历史

    “地热源热泵”的概念最早出现在1912 年瑞士的一份专利文献中,20 世纪50 年代,欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮,但由于当时的能源价格低,这种系统并不经济,因而未得到推广。直到20 世纪70 年代初世界上出现了第一次能源危机,它才开始受到重视。在政府的资助下,许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。这一时期,欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵,主要用于冬季供暖。这时的研究主要集中于土壤的传热性质,换热器形式,影响埋管换热的因素等方面。

    虽然欧洲是世界上发展地源热泵最成熟的地区,但是它也曾经走过一段路。当时,热泵专家不懂安装技术,安装工人又不懂热泵原理。因此,在一段时间的快速增长以后,市场充斥了许多不可靠的产品,错误的安装,而价格也没有按预期下降,这都导致了80 年代末热泵市场的全面崩溃。仅仅只有少数企业可以幸存,至今为止,绝大多数地源热泵的生产厂家只是某一公司的其中一个部门。瑞典的IVT 公司是欧洲最大的热泵生产厂家,但尽管如此,在世界范围内,它仍然只是一个小公司。

    随着科技的进步,关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格,地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。一些国家组织了专门的机构来帮助用户、安装者和生产厂家,这些组织包括“欧洲热泵协会”( European Heat Pump Association ) 与“DACH”(由来自德国,奥地利和瑞士的专家组成的协会) 等。同时,一些大的生产厂家开始为设计地源热泵而编写软件,尤其是地下换热器部分。现有的软件有: EED、GchpCalc、GLDesign、GLHEP2RO 和GS2000 等。因此,与80 年代相比,现在的地源热泵有微电脑控制,自动化程度高;机组设计、安装简单方便,而且安全,周期短。系统运行稳定,效率高,无污染。

    1.3 地源热泵在欧洲的应用

    对整个欧洲来说,地源热泵主要应用于新建房屋,系统末端可以提供地板辐射采暖。但是它在所应用的国家发展是不平衡的。表1 列出了欧洲几个主要国家在2001 年地源热泵系统的销售情况。

    由上表可以看出,欧洲的热泵市场是不平衡的。2001 年,地源热泵在欧洲的总销售量是39350台,但其中27000 台是在瑞典。因此可以说,除了瑞典以及其他的几个北欧国家,地源热泵在欧洲的市场渗透是比较缓慢的,地源热泵要想在欧洲得到进一步的发展,很大程度上要与世界上其他国家一样,必须依赖于政府,例如热泵产业的扶持,对电能与其他能源的价格关系进行调整等,以及热泵系统本身的科技进步。

    2 地源热泵在美国

    2.1 地源热泵在美国的发展历程

    美国的地源热泵主要是在水源热泵的基础上发展起来的。自从20世纪50年代,水源热泵在美国就已经作为一种商品开始生产,但那时的市场主要是南佛罗里达的居民住宅。这些早期的系统都是运用地下水或河湖作为水源,利用水泵把水抽到地表再通过热泵来实现供暖的功能。60年代初,为了满足建筑物不同区域的不同空间用途,出现了能用于建筑物不同区域的分开式热泵系统,它们通过水环路与中央水泵站和地热源连接起来。这种系统一开始主要出现在美国的西海岸,但是由于它能与冷却器和锅炉合用从而保证进水温度在水源热泵的范围内,这种系统迅速地在美国东海岸和北美的其他地区传开。到今天为止,它仍然在被使用, 并被称为“水环路热泵”( Water2loop Heat Pump)。这种系统主要应用于商业办公大楼和公共大楼,例如学校等。

    70年代末80年代初,地源热泵在原有的水源热泵的基础上得到发展。通过改进,水源热泵扩大了进水温度范围,这也使得闭式环路地热交换器能够取代以前的热交换系统。至此,美国进行了多种形式的地下埋管换热器的研究、安装和测试工作。现在美国所安装的地源热泵主要是闭式环路系统,它根据塑料管的安装形式可分水平埋管和垂直埋管。它可以被有效地应用于任何地方,也正是这种广泛应用促使了最近几十年美国地源热泵产业的快速增长。

    2.2 美国政府对地源热泵的支持

    在美国政府介入地源热泵产业之前,就有实业家,包括承包商和生产者,建立了有关这方面的公司,但它们的规模都很小。从20世纪80年代初,许多公共事业单位开始在他们的服务区赞助有关地源热泵的项目,并获得了成功。到了20世纪90 年代,美国政府开始关注地源热泵。美国能源部下属的能源信息管理机构在一份关于国家能耗战略发展的报告中指出:“如果使用地源热泵,到2030年估计可以节约能源2.7百万的四次方Btu”。而美国环境保护局的一份报告中也指出:“与传统的家用空调制冷系统相比,地源热泵是最节能并且对环境没有污染的一种选择,如果全国大范围的使用地源热泵系统,将能够显著地节约能源和减少污染”。

    1994 年,为了大力发展地源热泵,使它能被消费者接受。美国能源部(DOE)、自然乡村电力合作社(NRECA)、电力研究所( EPRI)和世界地源热泵协会(IGSHPA)等组织与相关的工厂、实验室、研究所和大学合作建立了许多项目。其中最著名的项目是“国家能源综合规划项目(NECP) ”,它的目标是:①到2000年,每年减少会导致温室效应的有害气体150万t, ②到2000年,地源热泵的年销售量从4 万台增加到40万台；③为地源热泵提供一个持续发展的市场。为了实现这个目标,消除导致地源热泵不能被广泛采用的三个主要障碍,组委会成立了相应的三个委员会,它们分别是初投资竞争委员会、技术保证委员会和公共建筑加强委员会。这三个委员会根据各自的问题分别提出了解决方案,并基本解决了问题。到2001年4月为止,美国已安装了40多万台地源热泵。值得注意的是,美国政府对这些项目的经济赞助情况见表2 。