日本地源热泵技术发展现状

面对巨大的能源压力和供热制冷需求， 开源和节流并举显得尤 为重要。我国地源热泵技术已经达到什么水平？ 它的应用情况如何？ 本人近几年一直对地源热泵系统成功案例进行跟踪测试和总结， 为 更好的吸收国外先进经验， 本人有幸参与了中日热泵与蓄热技术交 流会。就中日地源热泵技术发展现状总结如下。
■日本热泵发展概况
日本热泵制造技术非常领先， 一些市政建设项目和公益性建筑 都 曾利 用地 源 热泵 进行 供 暖 、制 冷 及 热 水 供 应 等 综 合 性 服 务 ， 效 果 颇佳。据不完全统计， 日本每年生产的热泵空调， 商用大约是 ６０～８０ 万台， 住宅用大约为 ６００～８００ 万 台。热 泵 的工 业应 用 包括 空调 和 加 工供热。此外， 热泵的普及不仅提高了能源效率， 还改善了室内的空 气质量。
９ ９ 北 京 房 地 产
竖直埋管换热器根据埋设的方式不同大体可分为 Ｕ 型管形式， 套管形式， 单管形式。
目前， 以 Ｕ 型管的形式运用较多， Ｕ 型管管径一般在 ５０ｍｍ 以 下， 流量不宜太大。Ｕ 型管换热器的埋深取决于可提供的场地面积 以及施工技术， 一般在 ６０ｍ—１００ｍ。目前国外最深的 Ｕ 型管埋深已 超过 １８０ｍ。
２．下管 下管是工程的关键之一， 因为下管的深度决定采取热量总量的 多少， 所以必须保证下管的深度。下管方法有人工下管和机械下管 两种， 下管前应将 Ｕ 型管与灌浆管捆绑在一起， 在钻孔完毕后， 立即 进行下管施工。 钻孔完毕后孔洞内有大量积水， 由于水的浮力影响， 将对放管 造成一定的困难； 而且由于水中含有大量的泥沙， 泥沙沉积会减少 于 Ｌ 洞的有效深度。为此， 每钻完一孔， 应及时把 Ｕ 型管放入， 井采 取防止上浮的固定措施。在安装过程中， 应注意保持套管的内外管 同轴度和 Ｕ 型管进出水管的距离。对于 Ｕ 型管换热器， 可采用专用 的弹簧把 Ｕ 型管的两个支管撑开， 以减小两支管间的热量回流。 下管完毕后要保证 Ｕ 型管露出地面， 以便于后续施工。 ３．灌 浆 封 井 灌浆封井也称为回填工序。在回填之前应对埋管进行试压， 确 认无泄漏现象后方可进行回填。正确的回填要达到两个目的： 一是 要强化埋管与钻孔壁之间的传热， 二是要实现密封的作用， 避免地 下 含 水 层 受 到 地 表 水 等 可 能 的 污 染 。为 了 使 热 交 换 器 具 有 更 好 的 传 热性能， 国外常选用特殊材料制成的专用灌注材料进行回填， 钻孔 过程中产生的泥浆的间距。沉淀物也是一种可选择的回填材料。 回填物中不得有大粒径的颗粒， 回填时必须根据灌浆速度的快 慢将灌浆管逐步抽出， 使混合浆自下而上回灌封井， 确保回灌密实， 无空腔， 减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时， 回填过程结束。系统安装完毕， 应进行清洗、排污， 确认管 内无 杂质 后， 方可灌水。 ４．换 热 器 安 装 及 管 道 联 接 Ｕ 型管换热器应尽量采用成卷供应的管材， 以利用单根管制作 成一个埋管单元， 减少连接管件。 管 道 连 接 有 焊 接 、承 插 两 种 方 法 。对 于 高 密 度 聚 乙 烯 （ＰＥ）管 段 和 管 件 之 间 的 连 接 都 采 用 专 用 设 备 进 行 热 熔 焊 接 。对 于 埋 深 不 大 或 场 地允许时， 应在地面把套管连接好， 然后利用钻塔进行放管。对于承 插式连接， 一定注意在活性胶干了之后才能使用。
日本热泵技术应用最广的是空气源（ 风源） 热泵， 其次是海水源 热泵； 水源热泵和土壤源热泵的发展受一定条件的约束， 还没有被 完全推广。
日本有一种新型热泵， 利用海水的潜热作为热泵系统的热源， 满 足 室 内 温 度 和 相 对 湿 度 的 要 求 。该 热 泵 系 统 已 在 日 本 清 水 港 水 族 管投入使用。 该新型热泵既具有空气源热泵的价格优势， 又具有海 水 源 热 泵 的 性 能 优 势 。该 系 统 利 用 非 峰 值 时 间 的 电 能 对 海 水 进 行 冷 却。在夜间， 热泵运行， 收集海水热量， 然后储存在蓄冰箱中。该海水 源热泵的节能通过以下两个途径来实现： 第一， 水的传热效率远远 高于空气； 第二， 在冬季， 海水温度通常高于环境温度， 夏季又低于 环境温度， 这样有利于提高热泵的运行效率。这种新型热泵系统投 入运行以后， 与传统空气源热泵和燃油系统相比， 其运行费用显著 降低； 另外也相信 ＣＯ２ 等温室效应气体的排放量要低于其他传统的
２．换 热 器 的 回 路 形 式 及 其 忧 缺 点 换 热 器 的 回 路 有 串 联 和 并 联 布 置 两 种 形 式 。两 种 形 式 各 有 优 缺 点： （１）串 联 系 统 优点是： ①单一的流程和管径； ②管道的线性长度有较高的换 热性能； ②系统的空气和废渣易排除。 缺点表现在： ①需要较大的流体体积和较多的抗冻剂； ②管道 费用和安装费用较高； ②单位长度压力降特性限制系统能力。 （２）并 联 系 统 优点是： ①管径较小， 管道费用较低； ②抗冻剂用量较少； ②安 装费用较低。 缺点表现在： ①一定要保证系统空气和废渣的排除： ②在保证 等长度环路下， 每个并联路线之间流量要保持平衡。 ３．换 热 器 管 路 间 距 Ｕ 型或套管式换热器的进出水管之间存在热交换的短路现象， 通常可通过增大套管换热器的内管壁的热阻以及 Ｕ 型管两支管之 间的距离来减少热短路。为了尽量减小钻孔与钻孔之间的热影响， 应根据可利用土地面积及换热器效能确定两组埋管的间距。Ｕ 型竖 埋管钻孔的水平间距 通常 为 ４ｍ～６ｍ， 对于 具体 工 程可 以通 过 计算 进行方案比较来确定合适由于换热器管需要长期埋于地下工作， 因 此首 先必 须 是使 用寿 命 长、耐 腐蚀 的 材料 ； 其 次 要 求 其 热 交 换 效 率 要高； 最后选择易加工、造价低的材料。综合以上因素， 目前国内外 应 用 较 多 的 是 高 密 度 聚 乙 烯 管 （ＰＥ）和 聚 丁 烯 管 。 管 道 直 径 应 以 流 体 压降和传热性能相协调为原则， 管壁厚度选择要综合考虑地源热泵 系 统 换 热 要 求 、换 热 管 数 量 、埋 深 与 地 质 条 件 等 因 素 而 确 定 。 二 、地 下 埋 管 换 热 器 施 工 方 法 地下埋管换热器施工前应对埋管场地的工程地质状况和地质 剖面图进行研究， 特别应注意是否有地下管线， 以确定钻机型式和 调整埋管布局， 根据管道平面布置图确定钻孔的具体位置和系统各 管道的标高。在主管沟末端要挖一个泥浆池， 钻于 Ｌ 过程中产生的
土壤源热泵， 在日本， 出于房屋空间的限制， 垂直型系统将更有 发 展 前 途 。但 是 由 于 目 前 钻 探 费 用 是 地 热 源 热 泵 系 统 得 到 采 用 的 巨 大障碍， 所以除特殊项目之外政府不对终端用户提供直接补助来改 进地热源热泵系统。
■地源热泵系统的施工技术
不同形式地源热泵系统采用的施工技术也不相同， 这里主要对 目前采用最多的地源换热器埋管系统施工技术加以详述。
套管式换热器外管的直径可达 ２００ｍｍ， 由于增大了换热面积， 可 减 少 钻 孔 数 和 埋 深 。但 内 管 与 外 腔 中 的 液 体 发 生 热 交 换 会 带 来 热 损失， 而且下管的难度和施工费用也增加。
单 管 型 埋 设 方 式 可 以 降 低 安 装 费 和 运 行 费 。在 地 下 水 位 以 上 用 钢 管 作 为 护 套 ， 直 径 和 孔 径 一 致 ， 典 型 的 孔 径 为 １５０Ｄｘｎ， 地 下 水 位 以下为自然孔洞， 不加任何设施。这种方式受水文地质条件限制， 使 用有限。
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编辑 潇 琦
日本地源热泵技术发展现状
□ 北京依科瑞德地源科技有限责任公司 苏存堂
面对巨大的能源压力和供热制冷需求， 开源和节流并举显得尤为重要。 更好地吸收国外先进经验， 本人参与了中日热泵与蓄热技术交流会。
地源热泵， 在这个能源短缺的时代， 作为建筑节能的有效手段， 它正在走进大众视野。地源热泵技术是利用地表浅地热能， 冬天供 暖， 夏天制冷， 并为用户提供全年热水。由于具有开源和节能的双重 效果， 它被称为 ２１ 世纪的“绿色空调技术”。
一 、换 热 器 埋 管 技 术 闭式地源热泵系统将换热器管埋于地下， 埋管形式有水平埋管 和竖直埋管两种。 水平埋管通常浅层埋设， 开挖技术要求不高， 初投资低于竖直 埋管， 但其占地面积大， 开挖工程量大。这种形式在地源热泵技术的 早期应用中较多， 现国外工程己很少采用。 竖直埋管地源热泵系统占地面积小， 受外界的影响极小， 恒温 效果好； 施工完毕后， 需要的维护费用极少， 用电量也低， 运行成本 得到了大幅度降低。它比较适合我国这样人多地少的国家建造， 同 时 ， 它也 是国 际 地 源 组 织（１ＧＳ 卿 Ａ）的 推 荐 形 式 。目 前 国 外 应 用 较 多， 发展也较快。如何提高钻孔效率， 降低初投资中的钻孔费用是当 前该领域研究的重点。 １．竖 直 埋 管 换 热 器 形 式
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热泵系统。 ２００１年 ， 热 泵 热 水 器 于 开 始 进 入 日 本 家 庭 ， 政 府 对 消 费 者 给 予
一定的补助。这种热水器可以使每户节能 ３０％， 很受用户欢迎。日本 政府有关人士预计， 到 ２０１０ 年大 约 有 ５２０ 万 个日 本 家庭 会使 用 这 种热水器。
水源热泵（ 浅层地下水） ， 日本早在上世纪 ３０ 到 ６０ 年代 曾采 用 了大量的地下水源型热泵系统。上世纪 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， 由于回收水及地表 下陷的等问题， 地下水源型热泵系统还没有被完全推广。
泥浆可顺管沟流入泥浆池中沉积， 可收集作为回填物之用。 １．钻孔 钻 孔 是 竖 埋 管 换 热 器 施 工 中 最 重 要 的 工 序 。为 保 证 钻 孔 施 工 完
成后于孔壁保持完整， 如果施工区地层土质比较好， 可以采用裸孔 钻进； 如果是砂层， 孔壁容易坍塌， 则必须下套管。
孔径的大小略大于 Ｕ 型管与灌浆管组件的尺寸为宜， 一般要求 钻机的钻头的直径根 据需 要 在 １５０ｍｍ—２２０ｍｍ 之间 ， 钻 进深 度可 达 到 ５０ｍ—１５０ｍ， 钻孔 总 长度 由建 筑 的供 热 面 积 大 小 、负 荷 的 性 质 以及地层及回填材料的导热性能决定， 对于大中型的工程应通过仔 细的设计计算确定， 地层的导热性能最好通过当地的实测得到。由 于钻孔深度较浅， 一般采用常规的正循环钻进方法。在特殊地质条 件下可采用其它方式的钻机如； 反循环钻机、岩心钻机等。