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北美地区地源热泵技术及应用
摘  要：到目前为止，全球75%的地源热泵安装在北美地区。本文简要介绍地源热泵在美国和加拿大的技术发展和工程最新应用情况。主要资料来源于国际地源热泵协会(IGSHPA)在2000-2005年之间的技术报告。

关键词：地源热泵 热源 换热参数
   　一、热泵的热源系统【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　John A. Shonder, Oak Ridge National Laboratory, 2004
　　Chris Pamplin, American Geothermal DX, 2004
　　Alan Watts, AWEB Supply, 2004
　　Dan Fishe, Oklahoma State University, 2004
　　Ed Thomas, Intermountain Energy, 2004
　　Pau Bony, Delta-Montrose Electric Association, 2005
　　Simon Rees, Oklahoma State University, 2004, 2005
　　相对常规的空调系统，地源热泵的独特之处在于利用大地作为系统的冷热源。针对热源系统，目前在连接的方式以及与其它冷热源的相互结合上有新的尝试。主要的应用技术方向包括以下几个方面：
　　直接膨胀 (DX) 热泵系统：针对住宅 (别墅) 建筑和小型商用建筑，越来越来的工程在采用直接膨胀方式, 即使用金属埋管(一般为铜管)直接埋入地下，铜管内循环的不再是一般的地源热泵系统中的流体，而是制冷剂。这种系统的优点是成孔直径小，施工成本较常规的垂直埋管为低；减少一级换热器，系统效率高，减少了一级水泵，流体直接由压缩机驱动。另外一个优点是避免了使用防冻剂。对这种系统的顾虑主要集中在对环境保护以及系统的使用年限上。目前大部分北美热泵制造商均提供这种直接膨胀的DX热泵系统。
　　混合热源 (Hybrid) 系统：即采用地源和其它热源的混合方式。最主要的是地源和空气源的混合，这种混合方式运行的效率可以达到和完全埋管方式相当的水平，但埋管的规模却仅为后者的1/3~1/2。初期投资显著降低，系统的经济性明显提高。美国联邦能源管理委员会 (FEMP) 针对几个大型工程，分别使用了开式冷却塔，封闭式冷却塔和干式换热器作为空气源的能量交换设备，实际证明以干式换热器的运行效果最好。在混合系统当中，合适的设计以及运行策略对系统的实际效率非常重要。其运行策略是通过室内需求，当时电价，室外空气温度以及地下循环温度的综合模型优化形成的。
　　垂直立井 (Standing Column Well) 系统：这种形式的系统即不同于抽取地下水的开始系统，也不同于封闭的套管系统，而被认为是一种半开半闭式的系统。其原理是使用较大直径 (一般为5’- 6’) 的套管管壁上有预制的透孔。正常运行时，管内流量平衡，与外部浅表地下水没有明显的流量交换，但在高峰负荷时，循环模式改变，系统内的循环流体和系统外的地下水发生交换 (Bleeding)，高效带入或带出土壤中的能量。这种方式的使用也是在初投资的压力之下形成的，其系统的寿命、可靠性、设备的免维护方面等均不如封闭式系统，但地下系统的投资可大幅度降低。
　　金属板式换热(Jim Slim)系统：由于北美的住宅占地大，并且大量的房子临水 (湖、河、溪) 而建，因此一种平板式的金属 (钛) 换热器被用来直接沉放在水体里面，作为从浅表水中提取能量的装置，这种装置受专利保护，目前仅有AWEB一家在市场出售。这种方式受欢迎原因在于其安装简便、成本低、运行效果好。
　　热泵和燃料电池(Fule Cell)复合系统：其它正在进行中的技术中，以家庭能源系统和地源热泵的结合最为有挑战性，其中策略之一是将氢电池(Fuel Cell)和地源热泵、太阳能结合形式成一个独立的无外部能源供应、但可提供电力照明、冷暖气的系统。非常适合远电力输送的地区。
　　二、地源热泵机组设备【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　Bob Koschka, McQuay, 2004
　　Dan Ellis, ClimateMaster, 2004
　　Copeland Scroll, Glenn Schwarzman, 2003
　　目前北美的地源热泵的主要制造商在美国有10余家，在加拿大有4-5家。除了TRANE 等常规的大型空调制造商外，更多的是小型的专业制造商。北美热泵机组的最主要的特点是采用小型分散式的水环系统，即地环的循环水进入室内，在需要空调的空间内，当地安置小型热泵机组 (一般为1-6美国冷吨)。而不采用风机盘管的配送系统。目前的机组进步主要表现在以下几个方面：
(1) 进一步追求效率，并且提出了更新、更高的标准。2003年，市场上的热泵机组能达到10 SEER的仅有85%， 2006年的强制性标准已经是13 SEER。部分企业追求的效率接近19 SEER (注意这里不使用EER而使用SEER有特殊的意义)。
(2) 采用新型制冷剂，目前在其它地区以134A为主，欧洲407C较为常见，而在北美，由于对效率的追求，选择的替代物以R410A为主流；
(3) 追求静音，北美机组以前在这方面一直是不理想的，但最近两年，各制造商对这方面充分重视，机组噪声得到明显改善。

　　三、埋管成孔机械【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　Alan Zdunich, Casagrandu Group, 2003
　　Arden Godshall , Foremost Industries, 2003
　　Greg Wells, Jackson Geothermal, 2005
　　由于地源热泵相对于常规空调，其主要成本增加在于地下埋管系统。而在埋管系统中，成孔的成本远远大于其它的材料成本。在中国由于劳动力成本的低廉，对于某些地质情况，成孔的成本有可能低于埋管材料和灌浆，但对北美地区，前者绝对是构成地下投资的主体部分。在这种情况下，不同的钻井设备公司在不断地开发新的产品来适应地源热泵埋管的需求。
　　目前技术进步表现在：
(1) 多样性带来的适应性。不同的钻孔设备及多样形式的钻头，能适用不同的地质条件，近两年已经可以购买到专门设计的超低高度的成孔设备，使得在地下室的地基上成孔成为可能，并且在建筑主体完成后仍可在建筑内部施工。水平埋管的施工设备在施工的深度和距离上也大大提高。
(2) 高效率和低劳动强度，由于劳动力成本高昂，设备的自动化程度大大提高，并且实行了一机多用，即一套车载设备便能完全实现成孔、埋管和灌浆回填。
　　由于地源热泵的需要的成孔数量巨大，合同的总额也远远大于一般的勘探和水井施工，因此近几年来在北美有多家新诞生的，或转型而来的专门的地源热泵成孔公司。
　　四、埋管材料和回填料【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　Bob Coak, Matex Control Chemical Corp., 2003
　　Jerry Darlington, CETCO Drilling Products, 2004
　　Kevin McCray, National Ground Water Association, 2005
　　埋管材料在美国和加拿大使用和欧洲不同的系列。在美国被国际地源热泵协会认定的是HDPE3408或者美国材料协会更高标准的材料。在中国，国际地源热泵协会中国委员会指导企业按美国标准在国内生产并供应部分美国和加拿大地源热泵公司。后者在前期均使用进口的HDPE管道。
　　由于埋管效率的需要以及各州省对地下水资源保护的需要，几乎所有的垂直埋管都是用专门填料来固封的。增加导热系数，快速凝结，合适的膨胀系数，以及良好的流动性成为各个填料企业追求的目标。从目前的市场上看，产品主要仍是以膨润土为基料。
　　最近，Matex Control Chemicals公司不再采用膨润土为基料，开发出一种新型填料，并且在填料中加入植物油，以增加其流动性，并进而在回填时达到更好得填充率。
　　五、循环流体和泵 【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　Dean Hamil and Peter Haye, CPI Engineering Services, 2005
　　Thomas Rajewski, CPI Engineering Services, 2004
　　Ray Malone and Saurabh Lawate, Lubrizol Corporation, 2004
　　Hans Kircher, Armstrong (S.A.) Limited, 2003
　　许多人，包括专业的设计工程师都常常忽视循环流体和水泵这一部分。实际上泵的功耗，如果选择的容量不合适，或者制造商提供的产品达不到相应的能效水平，会大大削弱系统的整体节能效果。设计得好的系统，一般能将这一部分能耗控制在整个系统的8~12%之间。
　　对于循环流体，长期以来一直使用水，或水与防冻剂的混合物。但防冻剂在设备腐蚀、毒性及流动阻力增加等方面的负面作用一直在困扰设计工程人员。地源热泵防冻剂在中国的负面作用比北美会更突出，因为我们有大量的工程使用大型机组。这些系统作为热泵切换的是冷凝和蒸发器的水源。这种切换方式使得室内循环系统和地下循环系统的水源有部分的混合，从而使地上循环部分也被防冻液填充，带来更多的负面作用。自2005年起，美国德克萨斯州的CPI工程服务公司开始提供一种传热效果好、流阻小的传热液体 (实际研发在2002年即开始进行) 。流体的粘性为一般加注防冻液的流体的1/3~1/10，导热率提高约50%，冰点可低至-17度，这种流体在无毒、防腐蚀上据称也有明显的突破。
　　六、设计辅助软件 【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　Reva Brown, Geothermal Design Associate, IGSHPA Tech Conference 2003
　　Daniel Bernstein, Gaia Geothermal, IGSHPA Tech Conference 2002
　　Jay Hammond, Loop Group, Inc., IGSHPA Tech Conference 2004
　　Jeffrey D. Spitler, Oklahoma State University, IGSHPA Tech Conference 2002
　　Laurence Schwarff, ClimateMaster, IGSHPA Tech Conference 2002
　　实际证明，仅仅考虑单位管长上的导热能力并依此作为地下埋管系统的设计是危险而不合时宜的。几乎所有的地源热泵工程公司都在使用不同类型的设计软件来帮助他们构造一个合适的地下热交换系统。这种系统即不能太大，以节约用户的投资，又不能太下，从而给运行带来风险。
　　设计软件有两大类，包括经济分析的工具和地下环路的设计工具。前者多为政府 (如加拿大环境资源部) 提供，用于用户在项目上的决策。这些工具嵌入了各种常见的系统而不仅仅是地源热泵的系统。同时提供能源价格、银行利率分析等工具，使用户能对各种技术在投资、投资回收期，风险上有清楚定量的分析，部分软件还包括环境评估，包括温室气体排放量计量的工具。
　　环路设计软件一般由热泵协会和专业公司提供，也有不少厂家提供设计软件，来服务其各地的代理工程公司。目前常见的软件有国际地源热泵协会的设计软件CLGS, 阿克拉荷马大学的软件GLHEPRO, 加州Gria公司的软件GLD。其他常用的还有GeoDesigner, GEOCALC, 等。其中GLD由萨斯特公司提供翻译，已有中文版可供使用。上述软件大都已并入美国各地的气候参数以及绝大部分设备参数，使用十分方便。模拟分析的对象包括水平和垂直方式，垂直方式中包括U-型埋管和套管换热方式，其中还包括各种形式的浸埋式表面水系统的设计，大部分软件均可提供长时间 (20~25年) 的动态模拟，并对极限工况作具体分析。
　　七、换热参数现场测试 【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　Chad Martin, Geothermal Resource Technologies, Inc., 2005
　　Marvin Smith, Oklahoma State University, 2005
　　R. A. Beier, Oklahoma State University, 2005
　　需要看到的是，软件模拟的依据是对当地的地质和施工条件的充分了解和准确的定量。而这一点从一个工程到另一个工程，从一家公司到另一家公司的差异十分巨大。因此，对于任何设计，如果有条件，对现场做测试总是被推荐的尤其是对于一些大型工程。
　　目前的测试设备均是以挠动－响应方式来推算地下的换热情况和热扩散率。设备有两种，一种是小型便携式的，使用便携式电脑，可以使用一个航空行李箱来携带。另一种是大型的车载系统，后者允许使用较大的能量加热系统 (最新的设备甚至可以提供冷冻水来了解冬季运行工况)，因此具有较好的精度和可靠性。
　　八、地源热泵应用情况【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　Jeffrey D. Spitler, Oklahoma State University, 2005
　　Terry Proffer, Major Geothermal, 2004
　　在美国，至2005年，地源热泵的安装已经超过100万套。在过去的几年，每年的成长速度均超过25%，其中2005年成长约为50%。而2005年加拿大的地源热泵市场几乎翻了一番，这其中的动因当然是目前的能源价格上升。
　　但实际上，由于初期投资涉及到大量的地下施工，而北美地区高昂的劳动力成本使得地源热泵系统的初期投资可超过常规系统100%乃至150%。初期投资过高极大地限制了地源热泵的使用。在目前的应用中，主要还是以公立的学校，尤其是中小学为主。其次是联邦的公用设施，包括军用设施。真正的私人投资的商用建筑中使用的比例要远远低于前两者。因此到目前为止，推进的动力当中仍有相当一部分是政策的扶持和政府的导向。
　　在美国和加拿大，已经可以看到更多的地源热泵在提供建筑空调，供暖和热水以外的服务，如桥梁的桥面防冻，农业和水产养殖，冷库等。
　　九、政府资金投入和支持 【国际地源热泵协会（IGSHPA）参考报告】
　　John A. Shonder, Oak Ridge National Laboratory, 2000
　　美国能源部和美国环境保护署在1997年投入1亿美金，用于支持地源热泵的发展。这个五年计划通过技术研发、培训、示范工程、宣传与市场推进、公共认知等方面的努力，极大地帮助了美国的地源热泵企业，尤其是中小企业。目前资金投入已经结束，但由该资金而诞生的机构，美国地源热泵工业联合会 (GHPC) 仍然在起作用，并且转入更深层次的服务。除了对公众的帮助以外，联合会还直接参入执行美国最大能源消费州，纽约州、加利福利亚州和依利诺依州的新能源计划。2005年，联合会和加拿大政府达成 协议，由加拿大政府投入1050万美元资金，成立了加拿大地源热泵联合组织 (Canada GeoExchange Coalition) 。
　　除了GHPC以外，在美国推动地源热泵的另一个功不可没的机构是美国联邦能源管理项目 (FEMP)。这是一个对联邦设施提供顾问咨询的机构，主要依托的是美国橡树岭国家实验室专家。这个机构直接参与的地源热泵项目达4000余个，并且规模和技术都超过一般水平。
　　2005年美国商务部和密苏里大学在北京成立的环境和能源技术联合办公室(ETO)，将国际地源热泵协会在中国的工作纳入其计划之中，以使得北美在过去长期的摸索中所积累的在地源热泵上的技术和经验能够通过06年10月的注册安装师培训、技术交流以及研讨等活动，能够对在中国这个前景非常广阔的市场上工作的中国工程师们有所帮助。