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北美地区的地源热泵技术与应用

国际地源热泵协会中国地区委员会
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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。
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。
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