日本地源热泵发展概况

  日本主要由五个主要岛屿组成，从北到南分别是：北海道、本州、四国、九州、冲绳。

  其年平均气温从北海道地区稚内市的6.4℃到冲绳地区那霸市的22. 4C。札幌、仙台、东京、大阪、鹿儿岛这些主要城市的年平均气温分别为8.2℃、11.9℃、15.6℃、16.3℃、17.6℃。

  相对于各地年平均温差来说，太阳辐射能则比较接近，从北海道地区稚内市的I1. SMJ/m2/d．到冲绳地区那霸市的14. 43MJ/m2/d。札幌、仙台、东京、大阪、鹿儿岛这些主要城市的太阳辐射分别为12.43 MJ/m2/d12.16MJ／m2/d、12.02 MJ/m2/d、12.89MJ/m2/d、13.28MJ/m2/d。日本的供热度日数，比较室外温度与以14℃作为标准度数的温度差，其供热度日数为从那霸的0到旭川3218，札幌、仙台、东京、大阪、鹿儿岛五个主要城市分别为2638、1594、900、850、515；供冷度日数以24℃作为界限，供冷度日数则为旭川的O到那霸的424，札幌、仙台、东京、大阪、鹿儿岛五个主要城市分别为0、10、130、250、515。

  根据日本建设与工商产业省的2号公告，按照冷热程度，日本国土被划分为6个气候区域并根据此制定下一代节能标准。气候区包括北海道岛，夏季凉爽、冬季寒冷、降雪量大，此地区只需要供热，某些地方需要少量供冷，无法应用空气源热泵，在新建建筑中，燃油锅炉的集中采暖很受欢迎，燃油锅炉和燃气锅炉的使用十分普遍；气候区2、3位于本州岛的北部，夏季微热、冬季相对寒冷，其西部海岸线冬季降雪比较严重，此地区需要供热、供冷，最流行的供冷方式就是户用可逆式空气源热泵，供热方式则主要是锅炉和户式空调或电采暖的混合应用；气候区4分布在本州岛的剩余部分以及九州岛的北部，冬季温和但夏季炎热潮湿；气候区5在九州岛的南部，气候区4、5需要供热、供冷，其冷量需求和地区2、3接近，由于热负荷非常小，供暖只需要用户式可逆式空气源热泵就可以满足。气候区6主要指冲绳岛，它们均为亚热带气候，全年炎热，不需要供热。

  在气候区1、2中，地源热泵多采用水循环系统，末端采用地板辐射、风机盘管、散热器。在一次侧直接膨胀系统和间接换热系统都有应用，这个地区夏季如果有冷量需求也可以进行直接供冷；在气候区3、4中，地源热泵多采用风机盘管作为末端，利用桩基进行埋管比地下埋管换热管更加吸引人，它的使用使系统整体初投资大幅度降低，运用地源热泵系统进行热水应的功能应该被加入到每一个系统中，这样会提高系统整体使用能效。

  从中生代以来极其频繁的火山运动导致日本地质结构非常复杂，调查结果显示其中沉积性岩石占58%，火山岩26%，火成岩12%，变质岩4%。大多数的地下含水层形成于第四纪，其他的则形成于新第三纪或从第三纪到第四纪的火山喷发，非常复杂的地质结构以及大量高流速的地下水使推断日本地下热能量的真实储量变的非常困难。但在地下lOm或更深的地方地温基本恒定，调查显示：除了一些特殊地质构造如火山活跃地，其他大部分地区的地下土壤温度比该地年平均室外空气温度高1-2C，例如札幌地区年平均室外空气温度为8.2℃，其土壤温度为9.5℃。
  日本平原处的土壤主要由砂砾层组成，通过河流流动产生的冲积和淤积形成。对于土壤源热泵系统来说土壤导热率是一个非常重要的参数，而此系数受土壤条件影响非常大，如类型、结构、密度、含湿度。相关实验研究表明，在不考虑地下水流速的影响且土壤含湿度为40%时，典型含沙土壤的有效导热率可以达到1.4W/ (m．K)，火山灰和黏土分别为0. 9W/ (m.K)和1.2W/ (m.K)，这些数据比欧洲相应的实验结果要小很多，在欧洲的岩石层，此系数可以达到4W/(m.K)或者更高。

  历史上，在第二次世界大战后直到1970年，日本曾采用了一些地下水源热泵系统。70年代时，几十个地下水热泵系统应用于宾馆、医院、公寓等建筑中。但是，由于用水回灌及地表下陷等问题，地下水源热泵系统没有被大面积推广，到了第二次石油危机后土壤源热泵才逐渐被应用到建筑领域。一家北海道的企业对冷却器进行了改装并且开发了土壤源热泵系统，把它应用到独立别墅和联排别墅中，在医院和旅馆也有部分应用。但在那之后，由于石油价格的回落，土壤源热泵系统的使用开始停滞，并且由于使用年限的关系，大多数系统已经停止使用。

  在1991-2001年间，广岛及周围地区的游泳池和洗浴室逐步引入一些地源热泵系统进行空调制冷以及热水供应。最初系统技术集成上接受了来自瑞士的技术援助，这类系统可以在夏季有效的利用废水中的能量来加热游泳池同时有助于土壤的热量回收，目前在日本类似的系统有9个。

  2001年之后，由于《京都议定书》的签署，以及受到在北美和欧洲地源热泵系统大量使用的影响，日本建立了一些类似的学术组织与协会学习和推进应用地源热泵系统，他们为日本相关企业和集成商提供技术交流以及信息交换的有效平台。例如：日本地热推进协会（The Geo-Heat Promotion Association of Japan）在网络上持续提供相关数据库；日本新能源开发组织( New Energy Development Orgamazation，NEDO)也把地源热泵作为一个节能系统进行推广，此组织在中国和日本都赞助了几项地热热泵系统的示范项目。日本地热能源系统联盟（Division of Ground Thermal Energy System）于2004年成立，实验室设立在北海道大学，主要研究地源热泵系统和其他地热能的高效使用。如今，日本环保部、新能源开发组织和一些地方政府，如东京，大阪对地源热泵系统的使用都进行资助补助。一些企业，例如北海道电力公司也对使用地源热泵系统供热进行补贴，一些住宅开发商也对此系统单独提供他们的补贴。

  总体看来，日本由于其气候和地质原因以及空气源热泵费城成熟的技术与市场划分，相对来说地源热泵系统的发展进行的相对缓慢。

  运用地下水热泵进行建筑冷热供应的系统在40 - 50年前曾经在日本非常流行，但由于日本对地下水应用控制比较严格，此类系统目前已经基本绝迹。所以只对土壤源系统进行统计。图2-16显示了从1981 - 2005年的地源热泵系统安装情况，从图2-16中可以看出，截至2005年6月，日本共有124个土壤源热泵系统正在运行，虽然应用的总量还不是很大，但近年增长的非常迅速。日本近期地源热泵系统发展迅速的主要原因为：一种可用于家庭的集成式热泵机组在2004年投放市场，它主要用于在寒冷地区进行供热，同时最近也有一种新思路在逐渐被社会接受：如果能通过游泳池或SPA的热水供应而对热量进行有效使用，从而使系统在冷热需求之间达到平衡，那么在一些南部地区也可使用地源热泵系统。

  根据调查看出，越寒冷的地区平均安装数量越多，大多数的融雪系统者5应用在有大量降雪的区域。在日本最初推广地源热泵系统之时，人们主要倾向于将地源热泵系统安装到寒冷地区，其原因部分为寒冷地区冬季室外温度过低，空气源热泵有其明显的性能缺陷而导致的供热不利，而地源热泵则可以在任何条件下得到应用。

  土壤源热泵在日本主要应用在别墅和小型建筑中，几乎所有独立别墅的地源热泵系统都采取水一水热泵机组，日本企业新推出的专门为独立别墅设计的小型水源热泵机组极大的推动了地源热泵系统的发展。根据详细调查，52个土壤源热泵系统应用于独立别墅建筑，其中41个系统于2002年后建设，系统中运用建筑物地下桩基埋管的系统增加到11个，但垂直埋管任然占据大部分市场，此类系统主要安装于气候区3、4，运用冷热双供。2；20世纪80年代期间5套联排别墅也安装了地源热泵系统，但80年代后，由于空气源热泵发展的非常迅速，同时，很多联排别墅也分户采取了独立别墅使用的分户能源计量系统'所以，联排别墅地源热泵系统增长基本停止。商业建筑和公共建筑诸如学校、医院中地源热泵系统的应用50%所增加，而且一些类似系统也应用到绿色大棚和连锁餐馆。垂直埋管系统大约占有50%的市场，但最近使用预应力高强混凝土管桩或者地下桩基钢埋管作为地下换热装置得到了更多的关注，在2006年完成的一栋建筑中首次联合应用了地下桩基钢埋管和垂直打孑L技术。和其他国家应用地源热泵系统的情况比较看来，日本地源热泵融雪系统的比例相对较高，达到了20%，此类系统于1995年开始使用，27个地源热泵融雪系统中有20个安装于2002年后。在日本北部地区，当地政府认为地热能源的使用是节能的一种重要方式，某些地方政府要求运用自然能源进行融雪，而现阶段所有的项目都选择地源热泵系统作为融雪的最佳方法，运行地源热泵系统进行冬季融雪，夏季通过太阳辐射对土壤补充能量。

  某些生产商生产的水源热泵机组通常带有热回收功能，可被用于供热、供冷、供生活热水、给游泳池供热、融雪等。1985年左右，在国际能源组织热泵项目第15合作计划的支持下，日本开始研究直接膨胀式热泵并在北海道地区进行了10个项目的现场测试，但并未公布测试结果。目前，在札幌地区的一个采用进口美国的设备并使用了直接膨胀系统的办公建筑项目正在测试期间。地源热泵系统末端采用地板采暖的方式在医院、旅馆、游泳池、餐馆、温室都有非常普遍的应用。热回收系统在游泳池、SPA、旅馆中使用的非常普遍'有些游泳池用地源热泵系统来加热游泳池里的水和游泳池的走廊，通过风机盘管进行冷热风输送；夏季制冷产生的废热可以产生热水加热泳池。某些饭店、洗衣房等对热水需求量大的建筑也可使用此系统；寒冷地区的温室大棚使用此系统一方面可以进行融雪，另一方面可以种植蔬菜。

  通过对我国和各个主要发展地源热泵系统的国家进行分析可以看出，地源热泵系统可以应用到所有建筑物有冷热需求的地方，不同地区不同气候条件都可以从此系统中得到能量，此系统在北美主要用于冷热联供，在欧洲主要用于供热，在日本寒冷地区也可以用来融雪。

  对此系统影响最大的是其他基础能源的价格，可以说地源热泵的广泛使用是建立在国际油价不断攀升的基础上。石油等燃料的价格不断上涨并且在可以预见的未来其价格也将保持长期上扬状态使得很多以燃油和燃气为主供暖的北欧国家逐步倾向于采用地源热泵系统进行供热。

  国家的能源政策及相关配套条件，如国家财政补贴等也会对此系统产生积极的促进作用，例如在瑞典、德国都能看到此类情况。但国家的能源政策有时也会限制此类系统，例如俄罗斯由于其夏天制冷需求不大，而冬季主要采用市政管网集中供热，所以其地源热泵的使用比例相对较低。

  从我国未来的能源发展战略看来，煤电联动、取消资源税、加强可再生能源使用的国家政策对于地源热泵系统的发展都有非常明显的刺激作用，在可以预见的未来，地源热泵系统作为可再生能源建筑应用的最重要部分必将呈现井喷式发展，为我国建筑节能做出更重要的贡献。