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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
學(xué) 院： 機(jī)械電子工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)： 熱能與動(dòng)力工程
姓 名： 趙 龍
學(xué) 號(hào)： 080504110
外文出處： Applied Energy
35 （2011）3256--3264
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
簽名：
年 月 日
附件1：外文資料翻譯譯文
地源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析及與其它熱力方式的比較
Stuart J. Self *, Bale V. Reddy, Marc A. Rosen
Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4
摘要 在很多地區(qū)供熱在生活中是必不可少的，且不斷增長(zhǎng)的能源需求和污染物的排放使傳統(tǒng)的加熱技術(shù)受到挑戰(zhàn)，包括地?zé)帷?duì)地源熱泵系統(tǒng)的評(píng)估包括熱泵技術(shù)、接地情況、當(dāng)今世界上的地位和近期的發(fā)展。對(duì)地源熱泵和傳統(tǒng)加熱方式在成本、二氧化碳排放及其它參數(shù)方面進(jìn)行比較。當(dāng)電價(jià)較低的時(shí)候用地源熱泵是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的。當(dāng)電力生產(chǎn)利用能源率較高時(shí)選擇地源熱泵機(jī)組有著最低的污染排放量。
關(guān)鍵詞 熱力 地?zé)崮? 熱泵 蓄能 效率 經(jīng)濟(jì)
1 引言
全球的大部分能源供應(yīng)被用來(lái)發(fā)電和對(duì)特定空間的供熱，這些能源多數(shù)來(lái)自化石燃料。化石燃料的總量有限而且它的燃燒對(duì)環(huán)境是有害的：排放導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體和其它污染物。我們對(duì)能源的需求正在不斷增長(zhǎng)而且完全可以預(yù)見(jiàn)到未來(lái)化石燃料的短缺[1]。Hammond[2]認(rèn)為伴隨化石燃料的燃燒產(chǎn)生的全球變暖和污染物排放對(duì)于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)是一個(gè)不容忽視的因素。這種擔(dān)心對(duì)于降低整個(gè)社會(huì)對(duì)化石燃料的依賴(lài)有著積極的影響，它使人們有意識(shí)的降低對(duì)能源的需求并且努力尋找替代能源。尋找對(duì)環(huán)境更加友好且經(jīng)濟(jì)的能源來(lái)替代傳統(tǒng)化石燃料燃燒。
除化石燃料以外，地球表面下儲(chǔ)存著豐富的熱能。由于污染物的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的化石燃料燃燒能源系統(tǒng)，所以說(shuō)地?zé)崮茉聪到y(tǒng)是非常環(huán)保的[3,4]。
地?zé)崮茉吹睦弥饕ㄟ^(guò)三種方法：發(fā)電、直接供熱、通過(guò)地源熱泵間接的供熱或制冷。這三種利用方法分別用到了地?zé)岬母摺⒅小⒌腿齻€(gè)不同溫度的資源。高溫和中溫的能源通常來(lái)源于由熔化的地殼產(chǎn)生的熱流體，從大面積的水或者熔漿中聚集。低溫能源接近周?chē)沫h(huán)境溫度而且大多源于地表和周?chē)諝鈱?duì)太陽(yáng)能的吸收。
高、中溫?zé)崃δ茉匆话愣荚诘厍蛏钐嶽5]，而由于鉆孔和其它開(kāi)發(fā)方法在極深地方的費(fèi)用會(huì)變得很高，所以深度對(duì)開(kāi)發(fā)高、中溫?zé)崃δ茉吹慕?jīng)濟(jì)性有很大的影響。低溫地?zé)豳Y源豐富而且在全世界大多數(shù)地區(qū)都可以開(kāi)發(fā)和利用。由于深度較小涉及問(wèn)題少，提取這種能源相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單。熱泵提高低溫?zé)嵩吹臏囟仁怪_(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。地源熱泵可以使空間加熱變得環(huán)保和經(jīng)濟(jì)，并且可以應(yīng)用于一定空間的制冷。
本文審視地源熱泵系統(tǒng)并且把它和其它的熱力系統(tǒng)進(jìn)行比較，以提高對(duì)地源熱泵的認(rèn)識(shí)并且提高它在合適情況下的利用率。
2 地源熱泵
地源熱泵能夠經(jīng)濟(jì)高效的提供熱量，并且排放的污染物很少[6]。熱泵的概念自1800年被人所認(rèn)可，至今已經(jīng)商用約六十余年。類(lèi)似于冰箱，熱泵將較低溫度熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到溫度較高的介質(zhì)中[7]。熱泵提供的熱量是可利用的，通常應(yīng)用于適宜的溫度環(huán)境下來(lái)保持一定空間的舒適性。熱泵最有吸引力的一個(gè)特點(diǎn)是，熱泵所傳輸?shù)臒崃繒?huì)多于運(yùn)行過(guò)程本身所需求的能量[4,8]。
地源熱泵（GHPs），也被稱(chēng)作土壤源熱泵、地?zé)崮芰肯到y(tǒng)、地下耦合熱泵、地面耦合熱泵[9,10]，是由三個(gè)主要系統(tǒng)：
l 地源熱泵：使熱量在地面和建筑間轉(zhuǎn)移并改變熱量的溫度[11]。
l 接地系統(tǒng)：通過(guò)換熱器促進(jìn)熱量從地面的吸收，供給地源熱泵[11]。
l 室內(nèi)供熱系統(tǒng)：調(diào)整和輸送適度的熱量到特定空間[11,12]。
2.1 熱泵系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)以電為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，來(lái)保持工質(zhì)必要的濃度同時(shí)傳遞熱能[4,8]?；镜臒岜孟到y(tǒng)用于運(yùn)行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內(nèi)的工質(zhì)通常是使用制冷劑，制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點(diǎn)和要求所決定[6,13]。地源熱泵系統(tǒng)通過(guò)控制工質(zhì)的壓縮和膨脹來(lái)改變其壓力和溫度，從而實(shí)現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞[4,8,11]。熱泵主要包括五個(gè)組件(圖1) [10,11,14]：壓縮機(jī)、膨脹閥、換向閥、兩個(gè)熱交換器。當(dāng)然還有很多小型的組件和配件，例如：風(fēng)機(jī)、管道和輔助控制系統(tǒng)。
圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局
地源熱泵的加熱流程如下[12]：
l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。
l 熱泵機(jī)組內(nèi)制冷劑占主導(dǎo)地位的工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，熱量從接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽；溫度略有增加。
l 蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入電動(dòng)壓縮機(jī)，壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。
l 高溫蒸汽進(jìn)入冷凝器。此時(shí)制冷劑高于外部空間，從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結(jié)，成為高溫高壓液體。
l 熱液體通過(guò)膨脹閥，壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進(jìn)入蒸發(fā)器，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)
包括制冷系統(tǒng)在內(nèi)的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉(zhuǎn)移釋放到土地中去。在制冷模式下，四通閥作用于流體，使工質(zhì)在循環(huán)中按照相反的方向流動(dòng)。換熱器的功能反轉(zhuǎn)，與地源相連的熱交換器成為冷凝器，建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器[8,12]。
有一些系統(tǒng)，包括減溫器(圖1)，作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個(gè)熱水箱。減溫器安裝在壓縮機(jī)出口處，將壓縮氣體所產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱水箱傳遞到水循環(huán)中，這樣一來(lái)能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。
能源利用效率優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，一般是用系統(tǒng)產(chǎn)出的能量比上運(yùn)行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產(chǎn)出的熱量多于輸入熱泵的能量，也就是說(shuō)，按照能效比的定義，熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬，定義系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長(zhǎng)期性能系數(shù)(COP)，以此評(píng)價(jià)熱泵性能[9]。地源熱泵的COPs通常在3到6之間，取值依賴(lài)于系統(tǒng)與地連接設(shè)置、系統(tǒng)大小、地源特點(diǎn)、安裝深度、當(dāng)?shù)貧夂虻忍攸c(diǎn)[10,15]。
2.2 熱量輸送系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個(gè)空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種：水--空氣傳熱與水—液體傳熱。水—空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉(zhuǎn)移到空氣，由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質(zhì)，水—液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質(zhì)的液體進(jìn)行換熱。
在北美，最常見(jiàn)的地源熱泵系統(tǒng)是水—空氣換熱的，熱泵的冷凝器加熱空氣線圈，熱空氣從其中通過(guò)。熱空氣通過(guò)空調(diào)管道和通風(fēng)口進(jìn)入建筑[12,16]。
水—液體加熱系統(tǒng)俗稱(chēng)液體循環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，能量由接地線圈從地源吸收，接著被熱泵加熱并傳遞至水中，由水作為介質(zhì)傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過(guò)地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅(qū)動(dòng)環(huán)繞建筑轉(zhuǎn)動(dòng)，將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內(nèi)溫度最高的空氣在加熱爐中被強(qiáng)迫向天花板上升，形成一個(gè)涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度，進(jìn)入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會(huì)很均勻，提供舒適的生活溫度需要的能量更低[8, 15,16]。
也有混合的動(dòng)力系統(tǒng)，它結(jié)合了兩種系統(tǒng)的供熱方法，能夠更加有效靈活的控制空間溫度。
2.3 接地系統(tǒng)
空氣源熱泵使用周?chē)h(huán)境作為熱源，地源熱泵使用地面作為熱源。環(huán)境空氣溫度一年四季以及每天的差異相對(duì)地面都更加大[17]。淺于0.8米的地面每天的溫度會(huì)有波動(dòng)，而更深的地方溫度基本沒(méi)有變化。地面溫度隨季節(jié)的變化比較明顯，每天的變化比較小。圖2顯示了地面溫度在一年內(nèi)加拿大渥太華的地表溫度一年內(nèi)的變化。隨著深度的增加，極端高溫和極端低溫開(kāi)始大范圍出現(xiàn)。地面以下的溫度取決于很多因素，如太陽(yáng)輻射、積雪、氣溫、降水和地面的熱性能。在加拿大每年持續(xù)觀察深于十米的水溫[18]。如圖3顯示了渥太華不同深度隨季節(jié)變化的溫度變化情況。
地面下深度（m）
圖1 加拿大渥太華，地面溫度與深度的變化關(guān)系。Ref修正[12]。
地源熱泵利用了地面溫度相對(duì)恒定，而且在冬天溫度高于環(huán)境空氣溫度，在夏天低于環(huán)境空氣溫度[17]的特性。地面溫度仍然接近建筑環(huán)境所期望的溫度值。當(dāng)內(nèi)部和外部的溫度出現(xiàn)劇烈的變動(dòng)時(shí)，空氣源熱泵如要提供相同程度的熱量需要做更多的工作，這會(huì)導(dǎo)致能效比的降低[14]。如果存溫差大小出現(xiàn)變化，熱泵系統(tǒng)不需要額外操作。
接地系統(tǒng)或者接地環(huán)路熱交換器由使流體在熱泵系統(tǒng)和地面間傳輸?shù)囊皇苈方M成。兩種主要的回路設(shè)計(jì)方法是：雙回路和單回路構(gòu)造。
溫度（oC）
圖3 加拿大渥太華一年內(nèi)不同時(shí)期地表溫度變化。Ref修正[12]。
2.3.1 雙回路構(gòu)造
雙回路配置是最常見(jiàn)的系統(tǒng)配置，包含一個(gè)獨(dú)立于熱泵系統(tǒng)之外的接地系統(tǒng)。熱泵機(jī)組由地面獲取的熱量通過(guò)熱交換器由水或水/防凍劑混合物轉(zhuǎn)移到制冷劑。目前標(biāo)準(zhǔn)管道規(guī)格是由聚乙烯或聚丙烯制造，內(nèi)徑19mm(3/4英寸)，作為中小型規(guī)模應(yīng)用。有兩種雙回路構(gòu)造：閉環(huán)式和開(kāi)放式。
2.3.1.1 閉環(huán)式系統(tǒng)
閉環(huán)式系統(tǒng)的應(yīng)用很常見(jiàn)，其中傳熱流體存在于循環(huán)線圈中，不與地面產(chǎn)生直接接觸；熱量在地面和管道之間進(jìn)行傳遞[20]。閉環(huán)系統(tǒng)分作四類(lèi)：縱向、橫向、螺旋等。
垂直閉環(huán)系統(tǒng)由垂直方向的熱交換管道組成。有一個(gè)深入地面的孔道，一般深度在45—75m，面積較大的建筑和工業(yè)使用可能會(huì)超過(guò)150m。建筑底部有一個(gè)U形連接器，與兩個(gè)管道連接接入孔中（圖4）[21]。為了強(qiáng)化傳熱，管道和井壁之間充滿(mǎn)了一種可用泵吸收的漿狀材料[20,22]。為了確保在多重多樣的鉆孔中流動(dòng)順利進(jìn)行，需要采用歧管系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以安置在系統(tǒng)內(nèi)部或者循環(huán)區(qū)域內(nèi)部。垂直循環(huán)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是降低了安裝面積，使它更適用于土地面積有限的情況。另一個(gè)促進(jìn)它使用的因素是它不會(huì)破壞周?chē)h(huán)境，因?yàn)殂@孔相對(duì)挖溝來(lái)說(shuō)影響較小[17,23]。此外，由于地下深處的溫度一年四季接近恒定，將管道定位在那里使地源熱泵有著穩(wěn)定的熱性能并能降低整個(gè)回路的長(zhǎng)度[20,23]。使用這種系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)是安裝成本較高，因?yàn)殂@孔比挖溝要昂貴的多。因此，垂直閉環(huán)系統(tǒng)更多應(yīng)用于大規(guī)模工程[9]。
在地面面積充足的地方常見(jiàn)的是水平閉環(huán)系統(tǒng)，接地回路鋪于溝中后埋入地下。根據(jù)傳熱要求和土地情況，循環(huán)的安排方式可能有所差別。三種最常見(jiàn)的布局形式是基本回路（圖5）、連續(xù)回路（圖6）、并行回路（圖7）。
相對(duì)于連續(xù)式和并列式回路，基本回路布局通常需要占用較大的面積。連續(xù)回路降低了對(duì)面積的要求而且簡(jiǎn)單易安裝，所以也很常見(jiàn)[9]。連續(xù)回路和并列回路可以結(jié)合使用，能夠提高安裝使用的靈活性。對(duì)于住宅設(shè)施來(lái)說(shuō)，水平式比垂直式更加具有經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)橥跍系某杀具h(yuǎn)小于鉆孔[9]。
放置管道的溝深度一般不超過(guò)幾米，但在會(huì)出現(xiàn)霜凍的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)在凍土層以下。隨著深度降低，土壤和周?chē)h(huán)境的相互作用增強(qiáng)，這將導(dǎo)致不同時(shí)間段和不同季節(jié)地面溫度出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響傳熱和系統(tǒng)性能。影響傳熱的其它因素包括雨水、降雪、植被情況和陰影等[9]。這些因素都會(huì)導(dǎo)致水平系統(tǒng)比垂直系統(tǒng)需要安排更多的管路。水平系統(tǒng)需要水/防凍液混合，作為寒冷氣候下的防凍保護(hù)[9]。
圖4 垂直閉環(huán)熱交換的地?zé)釤岜孟到y(tǒng)
圖5 地源熱泵水平閉環(huán)基本回路
圖6 地源熱泵水平閉環(huán)連續(xù)回路
圖7 地源熱泵水平閉環(huán)并列回路
閉式螺旋循環(huán)的排布類(lèi)似傳統(tǒng)的水平循環(huán)，因?yàn)樗彩撬降姆胖糜跍\溝內(nèi)。但是，螺旋循環(huán)的管道在溝內(nèi)是圓形放置的，每個(gè)螺旋有管道直接通向熱泵[9,24]。螺旋循環(huán)相對(duì)于水平循環(huán)占用的面積較小，而且對(duì)溝的要求也更低，但對(duì)于固定的負(fù)載它需要更長(zhǎng)的管路。
有的螺旋循環(huán)是將管道放置于垂直的窄溝中。這種垂直排布的主要優(yōu)勢(shì)是降低了對(duì)水平面積的需求，也允許了很多種類(lèi)挖溝設(shè)備的使用，有時(shí)有利于降低成本[17]。需要注意的是，在挖溝花費(fèi)構(gòu)成地源熱泵系統(tǒng)的主要成本時(shí)，螺旋循環(huán)能夠降低初始成本，在材料花費(fèi)更大時(shí)是不會(huì)提高經(jīng)濟(jì)性的[21]。螺旋循環(huán)相對(duì)于水平循環(huán)的其它缺點(diǎn)包括：更低的傳熱量和更大的傳熱面積需求。由于螺旋循環(huán)管道長(zhǎng)度增加，因此相對(duì)于其它水平排布循環(huán)對(duì)泵有著更大的需求，這就降低了系統(tǒng)COP。
閉環(huán)式池塘循環(huán)是閉式循環(huán)中最少見(jiàn)的熱交換系統(tǒng)，基本上是淹沒(méi)在水體中的螺旋式閉環(huán)系統(tǒng)。盤(pán)繞的管道接入框架并用混凝土固定?？蚣芡ǔＴ诔靥恋撞恳陨?3—48cm，以便管道周?chē)黧w形成對(duì)流[21]。循環(huán)管道位置一般要超過(guò)1.8m深，這對(duì)于保證水質(zhì)環(huán)境較低情況下，熱質(zhì)的穩(wěn)定是必不可少的，并且能夠確保在寒冷的季節(jié)管道周?chē)疁夭粫?huì)低于水的冰點(diǎn)。由于河流的水文情況不是很穩(wěn)定，因此不適合應(yīng)用此系統(tǒng)，例如洪水或碎石可能會(huì)使管道損壞[9,24]。
池塘循環(huán)正在日益普及，部分原因是因?yàn)橄啾扔谄渌到y(tǒng)需要更少的管道，而且有著優(yōu)越的傳熱特性，既不需要鉆井也不需要挖溝。這個(gè)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要一個(gè)足夠到的水體，而且對(duì)水體有著諸多限制，例如禁止劃船。
2.3.1.2 開(kāi)環(huán)式系統(tǒng)
開(kāi)放式熱交換系統(tǒng)直接與地面進(jìn)行熱交換。這些系統(tǒng)都使用當(dāng)?shù)氐牡叵滤?
或地表水，如湖泊、池塘，作為直接傳熱媒介。水抽出后流過(guò)熱泵熱交換器，之后流回地下或者用于灌溉[9]。目前，對(duì)廢棄礦井中豐富水源的利用越來(lái)越廣泛，因?yàn)槌錆M(mǎn)熱水的廢礦井可以使地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用變得非常廉價(jià)。開(kāi)放式系統(tǒng)更加傾向應(yīng)用于大型熱泵系統(tǒng)。目前應(yīng)用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的最大的地源熱泵系統(tǒng)，為賓館和辦公樓提供10MW的熱量[9]。
常見(jiàn)的開(kāi)環(huán)式系統(tǒng)有三種：提取井、回灌井和地表水系統(tǒng)（圖8）。水從一個(gè)達(dá)到地下水位的生產(chǎn)井抽取，之后流經(jīng)熱泵熱交換器，之后流回距離生產(chǎn)井有一段距離的地下，這段距離足以讓熱量由地表傳遞到水中[9]?；毓嗫梢耘懦?；開(kāi)放引流價(jià)格便宜，但需要有豐富的水源供應(yīng)熱泵，有一個(gè)切實(shí)夠大的容量以備長(zhǎng)期使用[14]。熱泵機(jī)組水流量一般在5.7—11.4L/m。
圖8 開(kāi)放式熱泵換熱系統(tǒng)及地源熱泵生產(chǎn)井和注水井。
開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的好處是水源溫度基本保持不變。因?yàn)楸苊饬说卦礋岜孟到y(tǒng)額外的與地連接的熱交換器，這就提高了COP[18]。由于不同的抽取方法，開(kāi)環(huán)式系統(tǒng)可以承擔(dān)很高的載荷而且有著很高的COPs，并能降低成本[9]。此外，開(kāi)環(huán)式系統(tǒng)相對(duì)于閉環(huán)式垂直系統(tǒng)需要的鉆孔較少，有著簡(jiǎn)單的對(duì)地鏈接設(shè)計(jì)，并能降低運(yùn)行成本。地源熱泵需要抽取一定量的水，這有可能受到當(dāng)?shù)厮Y源保護(hù)法則的限制。開(kāi)環(huán)式系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要保護(hù)水質(zhì)，由于通常使用干凈的地下水或地表水，開(kāi)環(huán)式系統(tǒng)有時(shí)是被禁止的[18]。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)之間的熱交換器很容易受到腐蝕、污染和結(jié)垢，因此水應(yīng)該處于中性并且含有一些微量礦物質(zhì)，例如鐵[24]。如果水的化學(xué)性質(zhì)不接近于中性，那么使用者的維修次數(shù)可能會(huì)大大提高[9]。
2.3.2 單回路配置
單回路配置也被稱(chēng)作直接交換系統(tǒng)，熱泵工作流體流經(jīng)地面換熱器，從而避免了接地環(huán)路對(duì)熱交換器的需要。在供熱過(guò)程中，接地環(huán)路基本上成為熱泵蒸發(fā)器。單回路配置還排除了接地環(huán)路循環(huán)泵，而不是依靠增大壓縮機(jī)。這些措施都增加了地源熱泵的COP[18]。由于銅管優(yōu)越的傳熱性能，經(jīng)常應(yīng)用于這些系統(tǒng)中以減少需要的排布面積。直接換熱的壓力較大，需要良好的施工以避免因管道破裂對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。如果管道破裂，整個(gè)系統(tǒng)可能需要挖出來(lái)進(jìn)行維修。另一個(gè)缺點(diǎn)是涉及增加接地回路容納制冷劑的體積，這會(huì)增加系統(tǒng)成本[9]。盡管如此，由于具有較高的COPs，單回路配置系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越普及，而且一些國(guó)家（法國(guó)和奧地利）正在研究與蒸發(fā)器直接換熱加上一些設(shè)施直接冷凝來(lái)進(jìn)行地板式供熱[9]。
2.4 全球地位
地源熱泵的主要優(yōu)勢(shì)是能夠利用溫度在5℃--30℃的土壤和地下水，而這個(gè)溫度范圍在全世界各地的一定深度都會(huì)存在[15]。如，在2004年約30個(gè)使用地源熱泵系統(tǒng)的國(guó)家，領(lǐng)先的國(guó)家有美國(guó)、瑞典、德國(guó)、瑞士、加拿大和奧地利等。表1列出了有安裝地源熱泵能力的幾個(gè)國(guó)家。截止2004年全球安裝的地源熱泵熱能力12萬(wàn)千瓦左右，每年的能源使用需求在20億千瓦時(shí)。該技術(shù)在法國(guó)、荷蘭、中國(guó)、日本、俄羅斯、英國(guó)、挪威、丹麥、愛(ài)爾蘭、澳大利亞、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、韓國(guó)、意大利、阿根廷、智利、伊朗、英國(guó)和挪威[15]逐漸興起。自1994年以來(lái)的年均增長(zhǎng)率一直在10％左右，目前大約是170萬(wàn)的應(yīng)用[12]。美國(guó)和歐洲的領(lǐng)導(dǎo)人，目前也出于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)考慮發(fā)展該技術(shù)。
表1 2004年熱泵技術(shù)使用領(lǐng)先的國(guó)家
國(guó)家
熱裝機(jī)容量（MW）
每年能源使用（GWh）
地源熱泵安裝數(shù)量
美國(guó)
瑞典
德國(guó)
瑞士
加拿大
澳大利亞
6300
2000
560
440
435
275
6300
8000
840
660
300
370
600000
200000
40000
25000
36000
23000
地源熱泵技術(shù)的增長(zhǎng)一直比其他可再生能源與常規(guī)能源技術(shù)慢一些。增長(zhǎng)受限可以歸因于諸多因素，包括非標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、相對(duì)于其它系統(tǒng)較高的成本、人們對(duì)于GHPs安裝知識(shí)有限、政府政策的限制、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的限制[6,18]。盡管有這些問(wèn)題存在，但是卻正在不斷的被解決，提高了人們對(duì)該技術(shù)的接受程度[15]。
3 近期發(fā)展
近期有很多關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)各個(gè)方面發(fā)展的報(bào)告。
3.1 輔助冷卻組件
由于壓縮機(jī)和泵都不是100%的效率，它們運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量直接被釋放浪費(fèi)掉。壓縮機(jī)和泵產(chǎn)生的廢熱可用于預(yù)熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個(gè)密封的外殼，覆蓋于泵和壓縮機(jī)外面，由它們的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)將熱量傳遞出去。預(yù)熱能夠提高組件性能，提高整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的COP，以及降低接地回路換熱器的熱負(fù)荷[8]。
3.2 地面霜凍循環(huán)
在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開(kāi)始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結(jié)構(gòu)的完整性。通過(guò)安裝一個(gè)緊鄰地基的地面循環(huán)，凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取，以確保建筑不會(huì)大幅度影響當(dāng)?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補(bǔ)充建筑所需的熱量，通常占建筑所需總熱量的20—50%。該系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)使地面凍結(jié)的時(shí)間超過(guò)自然周期內(nèi)凍結(jié)的時(shí)間，不應(yīng)當(dāng)擾亂當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應(yīng)當(dāng)時(shí)安全可靠的，以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性[12]。
3.3 單井回灌熱交換系統(tǒng)
單井回灌某些方面結(jié)合開(kāi)放式和封閉式水熱交換系統(tǒng)。它們本質(zhì)上是地下水源熱泵系統(tǒng)，使用來(lái)自于半開(kāi)放式循環(huán)安排的井水。在這樣的系統(tǒng)中，一個(gè)垂直鉆孔深入來(lái)自深巖井底部溫水中，用潛水泵抽取供給熱泵機(jī)組。冷水被引止抽水井口附近。冷水深入地下過(guò)程中吸取土壤中的熱量，從而避免了單獨(dú)建造一個(gè)注水井。單井回灌系統(tǒng)最近越來(lái)越被人所接受，因?yàn)樵诤线m的地區(qū)它們有著良好的整體性能。該系統(tǒng)被安裝在地表有45—60m石床的地點(diǎn)。國(guó)內(nèi)作為飲用水源的井很容易被改造應(yīng)用于該系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于充滿(mǎn)水的礦井和隧道[9]。
4 供熱系統(tǒng)的分析比較
在以下供暖系統(tǒng)間進(jìn)行比較：地源熱泵、空氣源熱泵、電動(dòng)基板、熱水器、天然氣爐（中、高效率）。加拿大三個(gè)省份（阿爾伯塔省、安大略省和新斯科舍?。┻M(jìn)行效率、成本和排放量評(píng)估。結(jié)果列于表2、3。在歐洲的發(fā)展也進(jìn)行了探討。
4.1 效率
地源熱泵具有高效率，反映在他們的COPs。典型的等效于COP的系統(tǒng)有以下這些：地源熱泵：3-5、空氣源熱泵：2.3-3.5 、踢腳線電熱水器：1、中間效率天然氣爐： 0.78-0.82、高效率天然氣爐：0.88-0.97 。
4.2 經(jīng)濟(jì)性
相比于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)初始成本大幅提高，主要因?yàn)榈卦礋岜脵C(jī)組和接地裝置（包括鉆井和挖溝的成本）等資金的投入。但是，地源熱泵能夠高效的降低運(yùn)行成本。
4.2.1 在加拿大的經(jīng)濟(jì)性趨勢(shì)
對(duì)于在加拿大的情況分析是，假設(shè)所有條件相同的情況下初始投資成本的評(píng)估。在天然氣特定的省份，每年供熱成本為基礎(chǔ)的電力成本。假設(shè)20年的壽命和平均COP 4的地?zé)嵯到y(tǒng)。典型地?zé)岜糜?0-25年的保證，但存在有超過(guò)30年運(yùn)行的系統(tǒng)。假定系統(tǒng)安裝不需要新的管道安裝。
表2總結(jié)了評(píng)估成本。結(jié)果表明地?zé)釤岜玫慕?jīng)濟(jì)可行性很大程度上取決于位置。電力、天然氣的價(jià)格和其他取暖燃料價(jià)格具有區(qū)域性。在阿爾伯塔省和新斯科舍地源熱泵是最經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的選擇。在安大略省的空氣源熱泵有決心20年后極大降低成本。艾伯塔省和新斯科舍省比安大略省有較高的電力價(jià)格，直接影響到了這一調(diào)查結(jié)果。高電價(jià)促進(jìn)了空氣源熱泵和電動(dòng)地板的推廣使用。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天然氣的價(jià)格較低時(shí)，使用天然氣和地源熱泵供暖花費(fèi)之間的差距縮小。當(dāng)天然氣或其它燃料價(jià)格較低時(shí)，使用地源熱泵可能并非最經(jīng)濟(jì)的選擇[18]。
在特定的地區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)出漸增的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈卦礋岜迷诜聪蚬ぷ鲿r(shí)使它們能夠從建筑中吸收能量傳遞至地面。而傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)需要一個(gè)單獨(dú)的空間制冷空調(diào)，地源熱泵系統(tǒng)避免這種初始成本[24]。地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期通常是6至20年之間，根據(jù)資金成本、能源價(jià)格和能源價(jià)格不斷上漲[18]。另一個(gè)沒(méi)在研究中量化的優(yōu)勢(shì)是，設(shè)備本身的價(jià)值。GHPs傾向于增加屬性值，能夠?qū)崿F(xiàn)建設(shè)和土地投資的高回報(bào)，并促進(jìn)更理想的抵押貸款評(píng)估[18]。請(qǐng)注意，地源熱泵系統(tǒng)是最具成本效益的，如果安裝在建筑施工中，或者當(dāng)一個(gè)老的供暖系統(tǒng)需要更換時(shí)。購(gòu)買(mǎi)和安裝地源熱泵，作為一個(gè)工作系統(tǒng)的選擇，很少是值得從能源和經(jīng)濟(jì)的角度考慮的[14]。
4.2.2 在歐洲的經(jīng)濟(jì)性趨勢(shì)
表4說(shuō)明了歐盟各國(guó)家的天然氣和電力價(jià)格。該分析假設(shè)所有國(guó)家具有穩(wěn)定的熱負(fù)荷且系統(tǒng)有20年的壽命。比較空氣源熱泵、電加熱器、天然氣爐（中、高效率）的成本（包括初始成本）。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，初始成本假設(shè)為與加拿大的比較中使用的相同。
歐洲的天然氣和電力成本較高，但是高于加拿大的投資花費(fèi)看起來(lái)是相對(duì)的。在大多數(shù)歐盟國(guó)家看來(lái)，地源熱泵系統(tǒng)想對(duì)于傳統(tǒng)供熱方式更具經(jīng)濟(jì)性，而安裝成本的增高相對(duì)于20年的使用壽命來(lái)說(shuō)是微不足道的。在德國(guó)、愛(ài)爾蘭、盧森堡、西班牙和英國(guó)發(fā)現(xiàn)，使用高效率的天然氣爐更加經(jīng)濟(jì)，這是由于電力的價(jià)格要高于可燃?xì)怏w。
表2在幾個(gè)地點(diǎn)的各種供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)比較
供熱系統(tǒng)
投資成本($)
阿爾伯塔
安大略省
新斯科舍省
年花費(fèi)($)
現(xiàn)值($)
年花費(fèi)($)
現(xiàn)值($)
年花費(fèi)($)
現(xiàn)值($)
地源熱泵
空氣源熱泵
電熱板
天然氣爐a
天然氣爐b
9000
4900
1550
1500
1900
601
813
2257
1276
1109
21020
21160
46690
27020
24080
328
444
1231
2344
1049
15560
13780
26170
48380
22880
649
877
2432
1885
1653
27230
27940
50190
44750
40460
單位為2009年加元。
現(xiàn)值指一個(gè)20年期間。
a代表中間效率。
b代表高效率。
表3 在幾個(gè)地點(diǎn)各種供熱系統(tǒng)的二氧化碳排放量比較
供熱系統(tǒng)
每年燃料使用（kWh）
阿爾伯塔
安大略省
新斯科舍省
排放強(qiáng)度
排量
排放強(qiáng)度
排量
排放強(qiáng)度
排量
地源熱泵
空氣源熱泵
電熱板
天然氣爐a
天然氣爐b
6080
8214
22280
28475
24655
1.12
1.12
1.12
0.190
0.190
6826
9222
25015
5410
4684
0.188
0.188
0.188
0.190
0.190
1143
1544
4188
5410
4684
1.04
1.04
1.04
0.190
0.190
6346
8573
23255
5410
4684
排放強(qiáng)度單位為(kgCO2/kWh)。
排量單位為（kg）。
表4歐盟幾個(gè)國(guó)家天然氣、電力價(jià)格，以及與電力相關(guān)的二氧化碳排放量[27,28]。
國(guó)家
天然氣價(jià)格($/kWh)
電力價(jià)格($/kWh)
排放強(qiáng)度
國(guó)家
天然氣價(jià)格($/kWh)
電力價(jià)格($/kWh)
排放強(qiáng)度
澳洲
0.08
0.27
0.239
拉脫維亞
0.05
0.15
0.443
比利時(shí)
0.08
0.28
0.311
立陶宛
0.06
0.17
0.307
賽福斯
N/A
0.27
0.974
盧森堡
0.07
0.25
0.307
捷克
0.07
0.19
0.922
荷蘭
0.10
0.25
0.419
丹麥
0.15
0.39
0.680
挪威
N/A
N/A
0.015
愛(ài)沙尼
0.05
0.14
1.015
波蘭
0.07
0.20
1.108
芬蘭
N/A
0.20
0.403
葡萄牙
0.09
0.24
0.630
法國(guó)
0.08
0.18
0.108
斯洛伐克
0.06
0.23
0.382
德國(guó)
0.08
0.35
0.626
斯洛尼亞
0.09
0.20
0.392
希臘
N/A
0.17
0.882
西班牙
0.07
0.26
0.493
匈牙利
0.07
0.22
0.695
瑞典
0.12
0.26
0.076
愛(ài)爾蘭
0.02
0.27
0.706
瑞士
N/A
N/A
0.041
意大利
0.10
0.27
0.565
英國(guó)
0.06
0.21
0.558
歐盟
0.08
0.23
0.486
該研究提供了一個(gè)在歐洲國(guó)家地源熱泵實(shí)施的一般概述。不同的國(guó)家之間，熱負(fù)荷有所差別，這項(xiàng)研究中引入了不同的表達(dá)詞匯。在對(duì)供熱要求較低的地區(qū)引入地源熱泵可能不夠經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榈卦礋岜脵C(jī)組的初始投入是較大的。此外，在氣候較溫暖的地區(qū)，通過(guò)降低設(shè)備大小能使安裝地源熱泵的初始成本降低。地源熱泵設(shè)備的細(xì)節(jié)問(wèn)題，要在深入研究分析歐洲特定國(guó)家的氣候情況下決定。
4.3 二氧化碳排放
該評(píng)估比較了不同供暖系統(tǒng)的二氧化碳排放量。盡管其它污染物的排放也是不可忽視的，但此處集中考慮二氧化碳的排放，因?yàn)樗亲畛Ｒ?jiàn)的溫室氣體而且被認(rèn)為是影響氣候變化的重要因素[18]。地源熱泵不直接排放二氧化碳，排放源于生產(chǎn)電力的發(fā)電廠。當(dāng)電力生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳的排放較高時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)排放的二氧化碳也相應(yīng)的增高。地源熱泵是否環(huán)保取決于地源熱泵所使用的電力生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳，它的COP和其它供暖系統(tǒng)的效率[25]。
4.3.1 加拿大二氧化碳排放趨勢(shì)
加拿大地區(qū)二氧化碳排放情況的確定，考慮了設(shè)備消耗的電量或者天然氣的量和燃料排放強(qiáng)度（每kWh電力生產(chǎn)所產(chǎn)生的二氧化碳）。再次審視前面提到的三個(gè)省。假設(shè)天然氣成分是相同的阿爾伯塔省，安大略省和新斯科舍省，每單位氣體消耗時(shí)的排放量是固定的。每個(gè)省的平均排放強(qiáng)度使用碳監(jiān)測(cè)行動(dòng)（CARMA）在線數(shù)據(jù)庫(kù)。
不同省份，各種供暖系統(tǒng)的二氧化碳?xì)怏w排放量列于表3。由于安大略省具有新一代低排放設(shè)備，超過(guò)50%的電力生產(chǎn)來(lái)源于核能，其余部分來(lái)源于火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠，應(yīng)用地源熱泵有利于環(huán)保。在阿爾伯塔省和新斯科舍省超過(guò)80%的電力生產(chǎn)來(lái)自化石燃料，包括煤、天然氣發(fā)電廠[16]。相對(duì)高效率（95%）的天然氣鍋爐，當(dāng)生產(chǎn)每kWh電力的排放強(qiáng)度小于0.76kg時(shí)，使用地源熱泵能夠降低二氧化碳排放[18]。一般情況下，如果地源熱泵使用的電力來(lái)源于環(huán)保的生產(chǎn)方式，地源熱泵相對(duì)于傳統(tǒng)的電加熱設(shè)備和天然氣燃燒設(shè)備能夠最大程度的降低排放。在電力生產(chǎn)時(shí)排放的二氧化碳較多的地區(qū)，使用度源熱泵系統(tǒng)所能帶來(lái)的減排有限。當(dāng)應(yīng)用可再生能源進(jìn)行發(fā)電時(shí)，地源熱泵所產(chǎn)生的二氧化碳排放僅僅來(lái)源于運(yùn)行過(guò)程，排量很小甚至接近于零。總體而言，地源熱泵通常提供
最大（或近乎最大）的排放量的減少。
4.3.2 歐洲二氧化碳排放趨勢(shì)
表4列出了歐盟不同國(guó)家電力生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放強(qiáng)度。使用
與電力生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施的碳排放門(mén)檻，由Dowlatabadi和Hanova確定[18]為0.76kg/kWh，由表可以看出，所列出的大多數(shù)國(guó)家使用地源熱泵取代傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)都能夠取得降低排放的效果。在一個(gè)國(guó)家內(nèi)使用地源熱泵機(jī)組能顯著減少?lài)?guó)家整體的二氧化碳排放量。例如，耦合地面地源熱泵連接當(dāng)前英國(guó)電網(wǎng)，考慮到英國(guó)電網(wǎng)目前的發(fā)電組合，使用地源熱泵系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)能夠降低超過(guò)50%的二氧化碳排放[15]。
5 結(jié)論
地源熱泵是一種高效的供熱技術(shù)，能夠減少二氧化碳的排放量，潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。對(duì)于加熱特定的建筑空間，相對(duì)于其它供熱方式，地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化，地源熱泵系統(tǒng)可以進(jìn)行許多變化，而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時(shí)，考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的，如效率、排放量、經(jīng)濟(jì)性等方面。
參考文獻(xiàn)（見(jiàn)原文）
附件2：外文原文