摘要：迄今為止地熱熱泵已經應用了50余年（第一個地熱熱泵出現在美國），但是這項技術的市場滲透卻仍然還在起步階段，因為化石燃料和空氣-空氣熱泵早已分別占據了室內供暖和室內供冷市場的統治地位。在德國、瑞士、奧地利、瑞典、丹麥、挪威、法國和美國，大量的地熱熱泵已經是可運作了的，目前爭論的主要問題在于安裝指導、質量管理和承包商證明。

關鍵詞：地源熱泵地熱蓄能

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，公認的術語則是“豎直環路”）；

·地熱蓄能UTES（UndergroundThermalEnergyStorage）。

大多數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背景的地區。在這種情況下，在非集中式的GSHP系統中利用普遍存在的淺層地熱資源成為了必然的選擇。如此一來，在大多數歐洲國家，這項技術在應用領域的快速成長日益浮現和發展。結果是該系統的快速的市場滲透，從事該領域的商業公司的數目持續增長，并且他們的產品也已經足夠出名到能夠被收錄進“黃頁”了。

在這項技術市場發展出現得最多的的歐洲中部和北部，那里的氣候是整個歐洲最需要室內供暖的，但是在那里空調卻很少需要。因此，不同于美國的“地熱熱泵”，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；在瑞士的技術支持下，希臘于1993年安裝了第一個利用BHE的GSHP實驗裝置[Papageorgakis，1993]。受此影響，隨后在雅典的國家技術大學校內的礦業工程大樓項目中，也采用了復合有地下水井和BHE的地熱熱泵方式來對建筑物進行供暖和供冷[Karytsas等，2002]；很快，這項項目就有了其他的追隨者[Mendrinos等，2002]。在廣泛的商業應用、持續的供冷需求以及眼下該技術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在將來一定會有更加重要的地位。

2．GSHP技術概況

地源熱泵（GSHP），又名地熱熱泵，實際上都是熱泵和與大地換熱系統的復合物（圖．1）。他們基本上都含有一個地下換熱器（稱這種系統為“閉環系統”），或是一個用井中的地下水來運行的系統（稱這種系統為“開環系統”）。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”）；

·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）；

·所謂的“地下構造物”（裝有換熱器的基樁）。

多年的實驗和理論研究（現場測量和數學模型仿真）為BHE系統的設計和性能評估打下了詳盡堅實的基礎[見Knoblich等，1993；Rybach和Hopkirk，1995；Rybach和Eugster，1997]。在20世紀80年代里，瑞典主要從事了對BHE系統的理論熱量的分析[Claesson和Eskilson，1988；Eskilson和Claesson，1988]，而瑞士進行了監測和仿真[Gilby和Hopkirk，1985；Hopkirk等，1988]，德國則在實驗室里完成了對地下傳熱的測量[Sanner，1986]。

圖．1表示了一個典型的BHE裝置。在制熱工況下運行時，此類系統以大地作為熱源，用液體（通常是水或是水與防凍劑的混合物）作為從大地轉移熱量到熱泵蒸發器的媒介，如此來利用地熱。在制冷工況下，系統則以大地作為冷源。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，在相同時間里節省了30~50%的能耗。

在額定工況的條件下，熱泵產出的有效能量與其所耗電能的比率被定義為“性能系數”即COP（CoefficientofPerformance）。COP值主要取決于從地下回路中出來的即將進入熱泵的水的溫度，而入口水溫又主要取決于當地的地質條件（地下熱能和地下水的參數，氣候環境）和熱泵的技術參數（地下換熱器的長度、類型，灌漿的原料、類型和質量，等等）。影響一臺熱泵的COP值的其他因素有熱/冷負荷，建筑物供暖/冷系統的類型和相關的設計供給溫度。在地表下約10m深處，地下溫度全年基本上都是不變的（主要取決于當地天氣的情況和周圍介質的溫度），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行性能和節能效果。

盡管現有的地源熱泵的COP最高值在4.5左右，但是他們運行時的COP平均值卻不高。這個通常也被成為“周期性能因數”即SPF（SeasonalPerformanceFactor）的COP平均值，被定義為在機組運行時的COP值的平均數，一般都在SPF=3.0~3.8的范圍內。對于屬于地熱熱泵范疇的所有系統，或是任何一個有適宜建筑物使用的供暖系統，如果對其應用較高品質的標準，其SPF的值也能達到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，能否達到指定的能量產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。BHE的正確尺寸是而且總是設計中所關注的問題，另外與BHE鄰近并接觸的土壤的地質特性也受到了特別的關注。而最關鍵之處在于建筑物的負荷，埋管間距，埋管填充材料和當地土壤特性。由于投入了很高的初投資費用，如果埋管的尺寸過大的話，我們將會付出比常規的系統費用更大的代價。

在這一方面，應該提到兩項近年來很重要的技術發展：

·能當場判定地熱參數的熱反應測試；

·能提高導熱系數的灌漿材料的應用。

在熱反應測試中[Sanner等，2000]，使BHE承擔一個已設定好的熱負荷，然后測出在循環中最終的溫度變化（圖．3）。由于通過這項技術確定的埋管尺寸是以可靠的地下數據為基礎的，因此從1999年年中起，在歐洲中部的大容量BHE設計中也開始采用了該項技術。熱反映測試早在1995年就在瑞典和美國得到了率先發展[Eklof和Gehlin，1996；Austin，1998]；目前，已經在包括土耳其在內的許多國家得到了應用。在使用了可靠的設計軟件之后[Hellstrom和Sanner，1994；Hellstrom等，1997]，即便是在大型的應用中，BHE也能成為一種安全可靠的技術。

增強導熱的灌漿材料在美國已有近10年的應用了，現在在歐洲也同樣能買到它。這種材料的應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的一些數據，通過對不同灌漿材料的BHE應用熱反映測試，也能在現場證明其使用效果。

3．市場機遇和阻礙

在BHE設計中經常遇到的問題包括缺乏適當的溢流地點、確定壓降和控制參數、填充物滲透腐蝕、工藝粗糙、選擇管材和循環傳熱的流體。所有上述問題給地源熱泵的市場滲透帶來了明顯阻礙，也對負責其安裝的工程師和承包商提出了質量要求。在地熱熱泵售價較高的國家（如瑞典，瑞士和德國），為了防止其出現質量低下和壽命不足的情況，采取了強制實施技術指南、承包商證明和質量獎勵等措施來保護該項產業及其消費者。

現有的地熱熱泵的特征使得他們只能適用于在低溫供暖系統中的運行，這樣或多或少地限制了他們在新建筑物中的應用，因為他們的設計不能滿足向供暖系統提供高溫熱水的要求，而這種較老的供暖系統在整個歐洲的建筑物中都普遍存在。用來向風機盤管、地板供暖系統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中循環的最高溫度為50℃。所提供的熱水溫度越高，熱泵的COP值就越低。在ISO（國際標準化組織）13256-2標準中，水-水系統中流入室內用戶側的熱水，其溫度的標準值和測驗最高值分別為40℃和50℃，在某些歐洲國家的指導方針中，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用范圍限制在了諸如風機盤管、低溫輻射供暖器和地板供暖一類的低溫供暖系統中。然而在整個歐洲的許多建筑物中，所安裝的傳統供暖系統通常由燃燒化石燃料的鍋爐和標準的散熱器構成，此即所謂的高溫供暖系統。這些散熱器系統設計使用的熱水溫度為80~90℃，溫差為10~20℃。如果商用熱泵的設計所提供的熱水溫度上升到50℃或60℃，溫差為5~6℃，那么他們在現有建筑物中的安裝將會使得高溫供暖系統全部被低溫供暖系統所替代，包括將散熱器替換為風機盤管或其他的高級系統和安裝大管徑的供水管道。最近瑞士已經開發出了一種能夠提供65℃熱水的熱泵，這個可以看作是向占領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安裝了的熱泵的可靠數目，尤其是獨立的熱源。圖．5給出了近期歐洲幾個應用熱泵的主要國家已經安裝的機組的數目。瑞士在2001年的數目非常高是因為有大量的廢氣和其他空氣-空氣熱泵的應用，同時瑞士擁有GSHP的數目在歐洲也是最高的（見圖．5中的1998年的數據）。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論（表．1）?？梢灶A測，將來還有很多機會來深化市場的發展，而且這項技術的前景也支持了以上預測。瑞士龐大的裝機容量的事例（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%的裝機容量，同樣有著樂觀的前景（圖．7）。