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热泵技术在国外的发展
添加日期:2014-1-3 13:51:10  浏览次数:  文章来源:  作者:

“热泵”的概念,1912年由瑞士人提出,1946年第一个热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起,瑞士、荷兰和瑞典等国家政府逐步资助建立示范工程。20世纪80年代后期,热泵技术日臻成熟。在过去的10年时间里,大约30个国家的热泵平均增长速率达到10%,在国际社会中,由于其在减少二氧化碳方面得到普遍认可而受到广泛重视。

目前,利用热泵技术开发利用浅层地热能较好的国家有美国、北欧、瑞典、瑞士和德国,已有大量装机的国家有加拿大、奥地利、法国和荷兰,开始重视和推广应用的国家有中国、日本、俄罗斯、英国、挪威、丹麦、爱尔兰、澳大利亚、波兰、罗马尼亚、土耳其、韩国、意大利、阿根廷、智利、伊朗等国。热泵增长较快的主要还是在美国和欧洲。目前全世界装机容量可能接近10100MWt,年均利用能量约59000TJ(16470GWh),实际安装的机组量约900000个,据不完全的统计,目前地源热泵装机容量居多的国家依次是美国、瑞典、德国、瑞士、加拿大、澳大利亚。

在美国,每年接近安装5万~6万套热泵机组,超过600个学校安装了热泵系统进行供暧和制冷。在瑞士,由于高原气候条件,冬天日照少,水源热泵系统已经以每年15%的速度快速增长。目前,瑞士有超过25万台热泵系统在运行,成为世界上利用热泵密度最大的国家。在英国,尽管地质条件非常复杂。但是热泵技术也从非常小的起步发展到遍及整个英国。涉及领域有:私人建筑、房地产开发、公共设施等。目前,瑞典的地源热泵安装基本占总需求负荷的60%,尤其是进入到21世纪之后,瑞典的热泵安装增长更为迅速,仅2001年热泵销售就突破25000台。澳大利亚虽然大部分国土位于热带,但是引入热泵的数量也达到23000多套。

地源热泵在日、韩、美和中欧、北欧应用较为普遍。据1999年的统计,在住宅供热装置中,地源热泵所占比例,瑞士96%,奥地利38%,丹麦27%。美国1998年地源热泵系统在新建筑中占30%,且以10%的速度稳步增长。其中最著名的地源热泵工程   有肯塔基州路易斯威尔的滨水区办公大楼,服务面积15.8×104m2,每月节省运行费用25000美元。随着该项技术的应用发展,其组织的研究也迅速发展。据有关资料介绍,日本国研究出的高温水地源热泵,出水温度达到80~150℃,且其制热系数COP高达8.0。

由于地源热泵技术的日趋成熟,有力地促进了浅层地热能的广泛利用。近几年来,各国浅层地热能的开发利用规模和发展速度都在快速增长。从国外发展趋势看,开发利用浅层地热能(蕴藏于地球浅部岩土体中的低温能源),将是地热资源开发利用的主流和方向。

下面分述一下地表水、地下水及土壤耦合热泵在国外一些国家的发展情况
地表水源热泵在国外的发展
20世纪30年代,地表水源热泵系统问世,是地源热泵中最早使用的热泵系统形式之一。欧洲第一台较大的热泵装置是1938~1939年间,在瑞士苏黎世市政大厅投入运行的。它以河水作为热源,供热能力175kW;日本于1937年在大型建筑物内安装了以泉水为热源的热泵空调系统。

20世纪40~50年代,瑞士、英国早期使用的热泵装置中大部分是地表水源热泵。

1954年比利时在韦斯德雷的水厂里安装1台地表水源热泵,供热量为465 kW,以河水为低位热源,性能系数为3.3~3.5。

1956年法国在巴黎广播电台大楼安装1台以泉水为低位热源的热泵空调系统,制热量为4.9MW,制冷量为2.8MW。

这个时期的地表水源热泵系统虽然处于起步阶段,但由于它在运行中充分显示节能性,对今后地表水源热泵的发展起到了一定的示范作用。

20世纪70年代末80年代初在瑞典和前苏联等区域供热较发达的国家开始应用以地表水、地下水、城市污水和工业废水为低位热源的大型热泵站,单机容量在几兆瓦。尔后,在美国、日本、罗马尼亚、丹麦、德国也得到了迅速发展,单机容量甚至达到30MW,总装容量达到160 MW。

1987年,原苏联的杨图夫斯基等人对热泵站供热与热化电站、区域锅炉房集中供热进行比较,得出可节省燃料29.7%~32%,提出了利用莫斯科河水作低位热源的热泵站区域供热方案。

尔后,大型地表水源、地下水源热泵在欧洲各国开始兴建。芬兰有6台MW级装置;荷兰有1套1.5MW装置;罗马尼亚有7.5MW的吸收式热泵15套,2.9MW的10套,8.7MW的1台,用于区域供热,连同其他约400套中型压缩式热泵一起,每年节约30000t煤当量。

1982年丹麦建造最早的海水源热泵站,供区域供热,到1990年,区域供热用热泵装机容量达350MW,热泵台数可达100台。

地下水源热泵在国外的发展
地下水源热泵诞生于20世纪30年代。凯姆勒和奥格勒斯贝在他们所著《热泵应用》一书中提到,到1940年美国已安装了15台大型商业用热泵,其中大部分是以井水为热源。表3给出截止到1940年美国地下水源热泵系统。1937年日本在大型办公楼内安装2台194kW压缩机带有蓄热箱的井水源热泵系统,其性能系数达4.4。

美国在20世纪40~50年代里应用的地源热泵主要是地下水源热泵。1948年地下水源热泵系统在俄勒冈州运行之后,美国西部乃至全美均开始大量安装地源热泵,华盛顿逐渐成为美国地源热泵安装和使用的领头羊。1950年,美国拥有约600台热泵,其中53%为水源热泵。早期安装的大部分都是地下水源热泵,由于采用的是直接式系统,这些系统在建成5~15年都由于腐蚀和生锈失效了。由此地下水源热泵系统的应用进入低潮期。直到20世纪70年代,世界石油危机的出现,又引起人们对地下水源热泵的关注与兴趣,又开始大量安装与使用地下水源热泵。由于欧洲板式换热器的引入,闭式地下水源热泵系统系统的安装与使用更为广泛。1983年地下水源热泵被认为是一种省钱和节能的采暖空调方式。

20世纪90年代以后,环保要求的进一步提高,美国地下水源热泵系统的应用一直呈上升趋势。美国能源信息部的调查表明:美国地下水源热泵的生产量1994年、1995年、1996年、1997年分别为5924台、8615台、7603台、9724台,除了1996年外,基本呈直线上升趋势。美国在过去的10年内,地源热泵的年增长率为12%,每年大约有5万套地源热泵在安装,其中开式系统占15%。在肯塔基州的路易维尔市的一幢旅馆办公建筑中安装的供热能力为10MW的地下水源热泵空调系统是全美最大的系统,也是世界最大的地下水源热泵系统。欧洲一些国家由于采取积极的促进政策(包括财政补贴、减税、优惠电价和广告宣传等),热泵市场等到快速发展。1997年欧洲发展基金会重新提出热泵发展计划。到2000年,欧洲用于供热、热水供应的热泵总数约为46.7万台,其中水源热泵约占11.75%。

土壤耦合热泵在国外的发展
土壤耦合热泵技术的提出始于英、美两国。20世纪40年代末50年代出,美、英开始采用地下盘管做热泵源的家庭用热泵,并开始研究土壤耦合热泵。

1973年在欧美等国开始的“能源危机”促使人们有了对土壤源泵研究的兴趣和需求,特别是北欧国家(如瑞典等)的兴趣,再一次进入土壤源热泵的研究高潮。1974年,欧洲开始了30个工程开发研究项目,发展地源热泵的设计方法、安装技术并积累运行经验。瑞典安装了6000个水平地下埋管系统,德国也有大量的此类工程出现,所有的地源热泵系统都只用于供暖,且主要安装水平埋管。美国自1977年开始,重新开始了对土壤源热泵的大规模研究,最显著的特征就是政府积极支持与倡导。1978年布鲁克海文制定了土壤源热泵的研究计划,调查其运行情况,并发表一些研究成果。几乎所有的研究都在美国能源部的支持下,由美国橡树岭ORNL和布鲁克海文BNL等国家实验室和俄克拉何马州立大学等研究机构进行的。这一时期的工作主要集中在土壤的导热性能、地下埋管换热器的传热特性、不同地下埋管换热器形式对换热过程的影响及其模拟计算方法。地下埋管已由早期使用的金属管改为塑料埋管,解决了土壤对埋管的腐蚀问题。1976年,世界能源组织成立了国际热泵委员会。随后原苏联、英国、法国、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国家都参加了国际热泵委员会。可以认为,土壤源热泵的大部分工作都在这一阶段完成,并完成了商品化以及大规模推广应用的准备工作。

土壤耦合热泵系统直到20世纪80年代后期才在商业、民用建筑的空调设计中采用。截止1985年美国共有14000台地源热泵。瑞士20世纪80年代开始采用土壤耦合热泵系统供暖。1985年瑞典生产20000套热泵,其中土壤耦合热泵为6000套,占30%。进入20世纪90年代,研究的热点依然集中在地下埋管换热机理、强化传热等方面,与前段阶段的研究不同,最新的研究更多地关注相互耦合的传热、传质模型,以便更好地模拟地下埋管的真实换热;研究物性更好的回填材料,以强化埋管在土壤中的导热过程;为进一步优化系统,研究埋管换热器与热泵装置的匹配问题等,从而使土壤源热泵的应用和发展进入了一个新的发展阶段。

目前美国发展最快的工业之一是土壤耦合热泵供暖和制冷,仅1994~1995年土壤耦合热泵的应用从18%发展到30%。全美有各类地源热泵系统60多万套,其中20万套以上为闭式循环系统,开式循环的地源热泵系统有35~40万套,每年递增20%。2000年安装5~6万套,其中4万套以上为闭式循环系统。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总量的19%,其中新建建筑占30%。

与美国地源热泵发展历史有所不同,中、北欧如瑞士、瑞典、奥地利、德国等国家主要把地下土壤埋管的地源热泵系统用于室内地板辐射采暖和提供生活热水。据1999年统计,在家用供热装置中,地源热泵系统所占的比例为:瑞士96%,奥地利38%,丹麦27%。

加拿大地源热泵技术发展较晚,其中闭式循环系统刚刚开始,至1994年,仅有7000~8000台土壤耦合热泵系统投入使用,加上开式系统总数不超过1万台。

瑞典政府在地源热泵应用的初期采取了一定的补贴政策。20世纪90年代以后,政府补贴取消,但仍以1000套每年的速度递增。全国已安装了23万套,其中5万套为闭式循环系统。

瑞士是世界是地源热泵应用人均占有比例最高的国家,其中闭式循环系统所占比例越来越高,至1998年已占70%以上,总数达20万台以上。

目前,国外已有大量的工程实例和成型设计技术,地源热泵应用日益广泛,潜在着一个广阔的发展市场。国际著名组织及从事热泵的研究者都认为,土壤源热泵是最有前途的节能装置和系统,是国际空调和制冷行业前沿课题之一,也是浅层地能利用的重要形式。

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