地源热泵系统的两种技术路线

  无论是欧系还是美系地源热泵技术，都已十分成熟，在中国的推广应用要本着因地制宜的原则，根据各地的气候、水文地质和经济发展状况以及工程需要，引进适合的地源热泵技术体系和产品。
  近十年，作为一种清洁、环保、节能的可再生能源技术，地源热泵技术在中国得到很大发展。即使在经济危机来临的日子，地源热泵的安装总量仍保持着每年20％以上的增速。目前，地源热泵系统主要有欧系和美系两种技术路线。

  定义与优劣势
  从学术上讲，地源热泵是指一种利用少量高位能，实现从低位能向高位能转移的热泵空气调节系统；而通俗意义上，地源热泵是指一种通过浅层土壤（或地下水）进行热交换的，既可供暖又可制冷，并可提供生活用水的，高效、节能、无污染的空气调节系统。通常，地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量；同时，由于以200m的浅层岩土体作为低温热源，并且不排放任何废气、废水、废渣，地源热泵是一种理想的“绿色技术”。从能量转换角度来说，地源热泵是利用浅层岩土体作为蓄热体并利用其中的能量，而这些能量主要来源于太阳能和地热能，是一种用之不尽的可再生能源。
  地源热泵节能节电，供暖时可节能40%到60%，制冷时可节电30%50%；运行费用低，供暖时可节省50%到70%的运行费用，制冷时可节省30%到50%。但是，地源热泵的初装费较高，并需要可供热交换用的土壤、地表水或地下水，推广受到以上条件的限制。 地源热泵系统分为室内系统和室外系统两个部分，其中室内系统有分散式和中央式两类。中央式系统与传统的中央空调 系统的室内部分相同，由主机和末端装置构成，这种室内系统在中国和欧洲被广泛采用。分散式系统通常没有主机，热泵系统同风系统或水系统合二为一，机组小型化，分布于各个空调分区，每个分区单独工作，这种系统在北美地区被广泛使用，2000年后才逐步在中国得到应用。
  根据换热方式不同，室外系统可以分为利用土壤换热的封闭式地源热泵系统和利用地下水、地表水及人工再生水换热的开放式地源热泵系统。封闭式地源热泵系统是指通常所说的埋管式地源热泵系统，开放式地源热泵系则为通常所说的水源热泵系统。

  技术路线发展史
  根据室内和室外系统形式不同，目前地源热泵有两种技术路线：美系的土-气（水）型地源热泵技术和欧系的水-水型地源热泵技术。欧系地源热泵的历史可追朔至1912年瑞士的一个专利，之后在20世纪60年代逐步发展成主要用于采暖的水-水型地源 热泵技术。目前，该技术主要在中北欧国家（如瑞典、瑞士、奥地利、德国等）使用，主要用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。
  “能源危机”的出现成就了美系地源热泵技术。20世纪80年代，美国在水-水型地源热泵技术的基础上，开发出可以不 用地下水的，从浅层常温土壤中取热或向其排热，并能直接转换成热风或冷风的土-气型地源热泵系统。该系统既解决了冷暖两用问题，提高了节能效率，大幅降低了运行成本，又克服了限制开采地下水的障碍。此后，土气型地源热泵系统得到迅速推广。
  对中国来讲，地源热泵技术是舶来品，无论是美系的封闭式地源热泵系统，还是欧系的开放式地源热泵系统，都是从国外引进的，但是两者在引进的方法、途径及推广方式上有所不同。地源热泵技术由系统应用技术和产品制造技术构成。美系地源热泵技术是通过中美两国政府的地源热泵合作项目引入中国的，经历了从技术引进到技术国产化的过程。这一过程的重点首先放在系统应用技术的引进，在市场成熟到一定程度时再引进产品制造技术，从而完成该技术的国产化进程。欧系地源热泵技术则是通过国内一些厂商仿造欧洲地源热泵厂家机组的方式引入中国的，是一个从机组制造技术引进到机组国产化的过程，重点在机组仿造上，而不在系统应用技术。

  技术路线的推广
  封闭式地源热泵系统利用土壤温度常年恒定的特点，通过埋设在土壤中的封闭管道内的水与土壤进行热交换为室内供暖 或制冷，不需使用地下水，对水质、地质不会产生任何影响，适用性更广泛。 由于封闭式地源热泵系统的换热主要是通过固态岩土体进行的，换热机理十分复杂，同时岩土体本身的结构与成份也非常复杂，增加了封闭式换热系统的设计难度。完全掌握这类系统的设计方法，并在施工时按相关规定正确完成换热器安装的技术难度很大，这也是目前出现很多失败案例的主要原因。目前，在地质条件恶劣的地区，封闭式地源热泵系统的室外地耦管部分的施工费用偏高，影响了该系统的市场推广速度。
  开放式地源热泵系统的室外施工费用相对较低，无需占地，受建筑周围环境影响小，机组换热效率较高。其中，地下水式系统的室外换热系统设计难度低，得到较为广泛的应用。尽管开放式系统使用流体进行换热，系统设计相对简单，但是对地下水的水质及水量都有较高要求，如果水质及水量不能满足系统要求，将难以达到良好的换热效果。而地下水的水质和水量情况是由地下水本身的资源状况决定的，若在未充分了解资源的情况下盲目使用，会导致水量不够、回灌不利甚至无法回灌等情况发生。另外，开放式系统需要使用地下水资源，如果不能严格按相关规定使用，将会对地下水造成浪费和污染。
  如果地源热泵系统只提供单一的制冷或供暖，就可能对岩土体温度的年度平衡产生影响。从静态宏观角度看，在浅层岩土体中，无论是太阳能还是大地热流，都不可能在一个供暖周期内为体积庞大的建筑提供热能。温度的自然恢复是缓慢的，在特定条件下也许是有意义的，但一般情况下远远不能满足大型工程的需要。从动态微观角度看，对某一区域而言，岩土体中的热量是不断转移和变化的。在岩土体中的地下水渗流将加速热的扩散，而且地下水渗流在很大程度上决定了地下温度的恢复速度。相邻换热区域的岩土体，通过渗流和传导机制为换热区域带来或带走大量的热，这也是某些排热与取热非平衡的地源热泵分散项目能够安全运行多年的重要原因。美国能源部资助Stockton大学就地耦管对地温的影响，进行了为期6年的实测，研究结果表明，埋管地区土壤温度变化幅度在0.01℃之内，远远小于太阳能对地温的影响，地源热泵使用引发的岩土体热量不平衡问题可以忽略不计。
  但是，随着中国地源热泵城市级应用的高速发展，这种使用风险在日益加大，尤其是相邻的两个或数个地源热泵系统之间的热干扰，已经在一些项目中出现并引起了系统瘫痪的重大事故。地源热泵系统的关键部件是地下换热器，设计地下换热器的关键则是年冷热负荷的平衡，必须保持全年释热量与取热量的基本平衡。地源热泵系统利用的“热”主要来源于工程上的补充，而不是简单的自然储存或再生热能。在设计上不考虑这些因素的系统，迟早将面临崩溃的危险。尽管这种风险是长期的和非确定的，但必须引起各方的足够重视。国土资源管理部门的研究重点也应从浅层地热能总量评估转到加快管理政策制定上来。
  另外，由于欧系和美系地源热泵系统源于两个不同的技术流派，系统在机组制造标准、进/出水温度设定、压缩机和换热器的选配以及末端装置的形式上存在很大差异。目前，对室外地埋管系统的设计，无论是理论，还是设计公式和软件，均来源于美系地源热泵系统的理论和设计方法。而这些方法和理论都是基于美系分散式系统及其标准进行研发的。在中国，很多推广项目简单地把欧系中央式机组与按美系技术计算得来的地耦管系统结合使用，造成了不少失败案例，出现机组出水结冰、系统无法连续运行或运行达不到预期节能效果等情况。究其根本原因，是室内系统、机组和室外系统采用的不是同一个技术流派的产品，或者设计标准不一致。

  地源热泵的市场前景
  欧系和美系地源热泵技术并不是对立的，而是相互补充的。虽然开放式水-水型地源热泵技术诞生并发展于西欧和北欧，封闭式土气型地源热泵技术流行于美国等北美国家，但是如今欧洲也在应用封闭式地源热泵技术，美国也有开放式地源热泵系统和产品，两种技术路线已相互融合为一个地源热泵技术整体。而在其他地区，如中国、澳大利亚、日本等国家，地源热泵技术都取得了很大发展，并出现了适应当地实际情况的技术改进。区别只在于，在欧洲开放式地源热泵系统的应用比例大于封闭式地源热泵系统，而在美国正好相反，封闭式地源热泵系统的应用比例大于开放式热泵系统。
  由于中国幅员辽阔，各地气候、经济发展和生活水平差异较大，中国空调市场在不同区域呈现不同的发展态势，这对地源热泵的市场潜力的发挥有较大影响。根据中国空调市场的特殊情况及相应的气候特点，可以将中国市场划分为南部市场、中部市场和北部市场。南部市场包括广东、福建、广西、贵州、云南和海南，主要为珠江流域省区；中部市场包括山东、河南、江苏、安徽、湖北、湖南、重庆、四川、江西、浙江和上海，主要为长江及淮河流域省区；北部市场包括北京、天津、河北、山西、辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古及西北五省，基本为黄河以北省区。根据这种划分方法，华南属于南方市场，华中、华东及西南一部分属于中部市场，华北、西北及东北则属于北方市场。 从技术上说，无论是南部亚热带气候、中部夏季酷热冬季阴冷气候和北部严寒气候，还是各种房型、不同用途的建筑物，只要能安装空调和暖气的地方都可以使用地源热泵，具有非常广泛的适用范围。但是，由于外部技术条件、开启时间、电价的不同，地源热泵在初期投资、安装费用和运行费用等方面的经济优势，虽然在所有适用范围都能得到体现，但是发挥程度却有较大差异。电价高的地区，使用时间越长， 采暖和制冷时节省的费用越多，用户受益越大，性价比越高。
  无论是欧系还是美系地源热泵技术，都已十分成熟，在中国的推广应用要本着因地制宜的原则，根据各地的气候、水文地质和经济发展状况以及工程需要，引进 适合的地源热泵技术体系和产品。