地源熱泵國內外發展狀況對比

鮑 旭 明

(寧波大學巖土工程研究所，浙江 寧波 315211)

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地源熱泵國內外發展狀況對比

鮑 旭 明

(寧波大學巖土工程研究所，浙江 寧波 315211)

介紹了地源熱泵的類型及其特點，分析對比了地源熱泵系統在國內外的發展方向和走勢，并針對地源熱泵在國內外發展中存在的問題，提出了解決措施，指出中國的地源熱泵市場雖然起步晚，但發展迅猛，具有極大的上升空間。

地源熱泵，地埋管，水源，節能環保

地源熱泵技術利用淺層地熱能，大幅降低了電能的消耗，具有節能、清潔、可再生等優點，因而在近年來受到廣泛的推廣。該技術在地下埋設換熱器，通過冷凝液循環完成換熱。在冬季時，地熱能被提取出來實現室內制熱；在夏季時，熱量被注入地下實現室內制冷。通常，地源熱泵空調產生一個單位熱量所消耗的電能僅為普通空調的1/4。

正因為地源熱泵技術的優勢所在，國內學者對其技術的優缺點和適用性等開展了大量研究。姜波等[1]大體歸納了地源熱泵技術整體的優缺點和我國發展地源熱泵的現狀及問題。袁繼康等[2]對地源熱泵系統的各項分類和經濟性進行了分析，總結了地源熱泵系統存在的主要問題。黃吉永等[3]針對地源熱泵管埋設技術提出了基于靜鉆根植樁的地埋管方案。

1 地源熱泵的分類及特點

熱泵根據與環境換熱介質的不同可以分為空氣源熱泵，水源熱泵以及土壤源熱泵。其中水源熱泵和土壤源熱泵合稱為地源熱泵。土壤源熱泵根據布管方式不同，可分為垂直埋管式和水平埋管式。垂直埋管占地面積小、埋管深、穩定性好，是目前廣泛采用的形式；而水平埋管施工簡便，造價低廉，適用于場地面積足夠大的情況。水源熱泵根據熱源不同可分為地下水源熱泵系統和地表水源熱泵系統。地下水源熱泵系統簡單經濟，適合擁有豐富地下水且允許開采的地區；地表水源熱泵最經濟，包括污水源熱泵系統、海水源熱泵系統以及淡水源熱泵系統，在地表水資源豐富的地區應用前景廣闊(見表1)。

表1 地源熱泵的分類及特點

2 國外地源熱泵發展狀況

地源熱泵概念最早起源于瑞士，而地源熱泵技術提出始于美國，但實際大范圍使用是在石油危機以后。早期由于問題考慮、設計技術和施工水平有限，地源熱泵的實際功用并沒有達到概念宣傳的程度。隨著工程案例的增加，問題逐漸得到暴露，使得后期考慮問題更加周全，技術水平得到提高，施工工藝也得到改進。目前據2015年世界地熱大會的統計數據顯示，世界范圍內地源熱泵的利用量比2010年的統計數據增長了1.62倍，年均增長率為10.3%；地源熱泵的設備容量為49 898 MWt(兆瓦熱量)，5年間增長了1.51倍，年均增長率為8.65%。而且目前，世界各國地熱資源利用量仍在不斷攀升，開展地熱資源利用的國家已經達到82個。其中，中國、美國、瑞典、土耳其、德國位列前五位。正是由于地源熱泵的節能環保，各個關鍵技術得到攻克，各國才會大力推廣。事實證明，使用地源熱泵，對于個人，可以減少家庭電費支出，獲得更舒適的生活環境；對于社會，可以節約能源保護環境，倡導綠色的消費方式；對于國家，可以增加能源儲備，減少對資源的依賴性。

美國最開始使用開放式地下水源熱泵，但由于系統的腐蝕失效問題，棄用后采用閉式地下水源熱泵。同時開展土壤源熱泵技術的研究，攻克地埋管計算設計等問題。目前美國使用最廣泛的是土壤源熱泵，此系統可以被高效應用于大部分地區，克服水源熱泵的弊端。同時地方政府提供獎勵、免稅、資助、補貼等措施來激勵地源熱泵的發展。

德國熱泵市場在1973年石油危機后快速發展，目前廣泛使用的是土壤源熱泵。其性能系數較好，加上政府在各權威平臺上大力宣傳和各種獎勵措施，使得土壤源熱泵市場整體呈現增長趨勢。但目前由于空氣源熱泵的成熟技術和廉價服務、能源價格走低以及地源熱泵安裝麻煩等因素，地源熱泵發展緩慢。

日本由于資源缺乏，對地源熱泵的研究較深入，在國際上也處于技術領先地位。目前日本廣泛使用的是水源熱泵，主要應用于住宅、公共設施的供冷供暖。在日本大地震之后，對環境和能源的高要求，加上政府的補貼政策支持，地源熱泵發展潛力巨大。

3 我國地源熱泵發展狀況

在20世紀80年代，我國地源熱泵研究進入起步階段；在2002年，在北京組織召開了世界第七次熱泵大會；20世紀初，地源熱泵得到逐步推廣，地源熱泵的研究也引起專家學者的廣泛關注，論文專利數量屢創新高，但初期投資高，技術復雜等問題讓眾多開發商不愿使用；從2005年開始，在國家政策的推動下，地源熱泵開始在建筑項目上得到大量應用。經過10年的發展，涌現了一批從事地源熱泵勘察、設計、施工的單位。地源熱泵技術也在近年來得到了快速的發展。能源樁技術[4]——一種樁基埋管的新型布管技術，在我國取得了初步應用，該技術的創新之處在于將換熱器隨打樁過程送入地下，降低了打孔費用，縮短了工期，并不斷有工程實例證明其換熱的可靠性。

較為成功的使用地源熱泵系統案例，例如上海的東方海港國際大廈，總建筑面積39 889.6 m2，采用樁基空當內垂直埋管的土壤源熱泵，以水為換熱介質。基于場地地熱能儲量、冬季熱負荷和夏季冷負荷計算結果，該系統所在場地可以在25年內維持熱平衡[5]。

在政策推動下，我國地源熱泵市場發展迅速。總體上來說，地源熱泵應用面積從2005年3 000萬m2增長到2014年3.6億m2，呈爆發式發展狀態；從地區發展水平來說，目前我國的地源熱泵市場主要集中在山東、北京、遼寧、河北等地，而在東南部地區，地源熱泵技術的應用較少；從地源熱泵種類來說，我國仍主要以水源熱泵為主，占地源熱泵使用量的54.59%，而且形勢多樣，土壤源、地下水源、地表水源等都有應用，主要原因是我國幅員遼闊，水系發達，而水源熱泵簡單經濟，施工方便；從地源熱泵行業來講，企業規模從100萬元至數億元不等，截至2013年，5 000萬元以下占54.5%，整體以中小企業居多，行業發展還是處于起步階段；從使用范圍來講，各類型建筑都有涉及，包括住宅、公共建筑和工業建筑等，地源熱泵都能有效運行[6]。

4 我國地源熱泵發展面臨的問題

1)一次性投資費用高昂。采用地源熱泵空調系統的建筑初投資較高，這是由技術本身所決定的。單體型住宅每平方米費用增加400元左右，在節約空調年運行費用30%～40%的基礎上，經過投資回收期分析，地源熱泵空調系統投資回收期為6年～8年，相對于一般投資來說，投資回收期較長。

2)施工質量難以保證。由于地源熱泵技術復雜程度相比于傳統的空調技術高，專業性強且應用時間短(僅10年)。目前，相關行業還缺乏統一的執行標準和科學評價體系。加上大量設備制造企業和工程承包商急速涌入，施工團隊技術準備和人才儲備都不充分，使得部分工程項目的建設質量得不到有效保障。

3)使用壽命有待考證。地源熱泵系統機組的設計壽命為30年，地埋管換熱器的設計壽命為50年。但地源熱泵技術在20世紀60年代由美國首次提出后，整體發展也不過50年左右，對地源熱泵真實的使用壽命還需要更多的時間驗證。同時地埋管意外損壞以及壽命期以后的維修工作較為困難，要考慮重新安裝的問題，比較麻煩。

4)不適合改造項目。地源熱泵工程需要較大面積做預埋管道，已有建筑很難有充足的場地進行地埋管埋設，即使附近有地下水或者河流，也會受到當地環境保護的限制。

5 對我國地源熱泵發展的建議

1)地埋管優化設計。改進設計和安裝的方法來最小化地埋管的長度，并采用合理的埋管方式，降低地源熱泵的初始投資，提高系統的穩定性和經濟性。

2)政府激勵政策。地方政府可以提供各種鼓勵補助政策，比如財政補貼，降低貸款利率，延長還款時間等，降低地源熱泵的初期投資費用。

3)完善行業規范。建議政府盡快完善相關法規，行業內部規范地源熱泵技術，制定行業統一標準，相關部門對地源熱泵設計、運行、驗收過程中發生的人員資質進行審核，同時加強專業知識的培訓，加強監督。

4)可行性分析。地源熱泵前期地質勘探信息需要得到重視，通過計算確定該地區地源熱泵最大功率能否滿足設計要求。同時針對改造項目，要收集場地大量信息確定安裝地源熱泵系統的可行性，不能盲目跟風。

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[1] 姜 波,海 洋.我國地源熱泵技術發展綜述[J].中華建設,2010(7):68-69.

[2] 袁繼康,張 凱.地源熱泵空調系統研究綜述[J].住宅產業,2014(7):39-42.

[3] 黃吉永,鄧岳保,鄭榮躍.基于靜鉆根植樁的地源熱泵管埋設技術[J].浙江建筑,2014(12):33-36，39.

[4] 王佳玉,周德源,薇薇安·洛夫特尼斯.綠色建筑暖通空調方案——能源樁系統及其發展綜述[J].動感(生態城市與綠色建筑),2012(1):50-55.

[5] 魯和祥,劉振宏.上海地源熱泵技術的應用及質量監督探索[J].福建工程學院學報,2010(S1):135-137，238.

[6] 可再生能源蓄能技術在低能耗建筑的應用課題組，徐 偉.中國地源熱泵發展研究報告[M].北京:中國建筑工業出版社，2013：4-67.

The development comparison of ground source heat pump at home and abroad

Bao Xuming

(GeotechnicalEngineeringInstitute,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

This paper introduced the types and characteristics of ground source heat pump, compared and analyzed the development direction and trend of ground source heat pump system at home and abroad, and according to the existing problems of ground source heat pump development at home and abroad, put forward the solving measures, pointed out that though the ground source heat pump market in China started late, but developing rapidly, had great rise space.

ground source heat pump, buried pipe, water supply, energy saving and environmental protection

1009-6825(2016)20-0126-03

2016-05-07

鮑旭明(1994- )，男，在讀本科生

TU832

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