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1、28 水文地质工程地质技术方法动态 日本地源热泵利用的可行性研究*Shinji Takasugi, Tsukashi Akazawa, Takashi Okumura ,Mineyuki Hanano（JMC Geothermal Engineering Co., Ltd., 8-4, Koami-cho, Nihonbashi Chuo-ku, Tokyo. 103-0016, Japan ; Japan Metals and Chemicals Co., Ltd., 8-4, Koami-cho, Nihonbashi Chuo-ku, Tokyo. 103-0016, Japan） 【摘
2、 要】 在过去，低位地热资源的潜力并没有得到开发。然而，由于低位地热资源地域广阔（能量以不同温度形式存在），经评估，低位地热资源的储量是巨大的。因此，为了减少二氧化碳的释放量（引起全球变暖的主要原因，全球变暖是美国能源和环境保护局提出的人类面临的最严重问题之一），这种未被开发的能源的利用引起人们极大兴趣。本项可行性研究的目的是，对影响地源热泵系统推广和普遍应用的有关成本、技术和方法等不同方面的问题，进行了调查研究。该调查研究是通过搜集地源热泵相关文献、随机抽查结果、讨论会和专家组的相关信息而开展的。地源热泵系统现状（GHP）* Feasibility Study On The Utilizat
3、ion Of Geothermal Heat Pump (GHP) Systems In Japan. GHP Bulletin, March 2001.基于能量提取的目的或者方式，地源热泵系统可分为3种类型（(Kavanaugh, 1991; 俄克拉荷马州大学, 1997; 地热交换, 1998)：（1）利用地热换热器（或者地耦换热器）的热泵系统。这种地热换热器可以垂直埋设于钻孔或者约2米深的沟壕；（2）直接利用地下水的热泵系统；（3）直接利用地表水（湖、沼泽地或者河流）或者把地表水用作热源的热泵系统。这种热泵系统需要在湖、沼泽地或者河流的适当位置安装一些（一系列）螺旋管。本次调查所检测的系
4、统是一种使用垂直换热器的地源热泵系统（见图1）。根据地热换热器的埋设方式，热泵系统可分为水平管式（水平换热器）和垂直管式（垂直换热器）两种类型 。世界上有许多国家利用地源热泵系统进行空间供热和制冷，尤其是美国、瑞士和北欧。在美国安装的热泵装置约为（最小值）300000套，瑞士约为20000套和北欧约为30000套。在瑞士和北欧，大多数地源热泵系统主要用于住宅供热和制冷。在美国，许多大型建筑物也安装了地源热泵系统。虽然一种热泵系统能够足以满足一座住宅楼或者大型建筑物的供热和制冷需求，但热泵系统的安装数量并不一定与使用对象相对应，尤其是在美国(Rybach等学者, 1992; Rybach和 Eu
5、gster, 1997)。地源热泵系统性能价格比评价与利用率提高的影响性能价格比评价新能源工业综合开发组织（NEDO，1999）介绍了日本地源热泵系统的研究、开发和利用情况。NEDO对瑞士地源热泵系统的成本与其它空间供热和制冷系统成本做了比较，同时也对日本热泵系统成本与传统的供热和制冷系统成本做了比较。对比结果表明，如果地源热泵系统的利用变得越来越普遍，能够降低垂直换热器钻孔的成本（安装垂直换热器是初始成本高的主要原因）。如果同样从政府获得50的补助金（用于促进地源热泵系统的推广），地源热泵装置的安装成本能在两年内收回。此外，如果假设从政府获得30的补助金，地源热泵增加的成本（例如，与传统供热
6、和制冷系统的成本差异）能在10年内收回。如果考虑到地源热泵系统的生命周期成本（例如，24年），能够收回20500003490000日元（约1900032000美元）的资金（假定从政府获得30的补助金）。如果通过使用当地政府下拨的住宅补助金（例如，占住宅建造成本的2/3），在多人居住的旧住 日本地源热泵利用的可行性研究 29宅安装地源热泵系统，增加的初始成本能在9年半内收回。如果假设把7的补助金用于推广地源热泵系统，增加的初始成本能在5年内收回（见表1）。如果没有任何补助金可利用，能够收回超过住宅建筑使用年限的（50年）450000日元（4000美元）的资金（见表2）。地源热泵系统的优势地源热泵
7、系统的优势如下：1）能够减少二氧化碳的释放量；2）能够减少城市地区的热辐射；3）能够减小耗电量。鉴于地源热泵系统的第一个优势（能够减少二氧化碳的释放量），如果日本所有的住宅建筑都使用地源热泵系统，每年二氧化碳的释放量将减少52，000，000吨。由于利用地源热泵系统进行供热和制冷几乎不会向大气中释放废热，所以，利用这些地源热泵系统有助于减缓热岛现象。图 1 使用钻孔换热器的地源热泵系统的总平面图（总设计图）地源热泵系统未来所需的技术开发为了使地源热泵系统在将来更有效和得到更广泛应用，所需的技术开发如下：1）提高地源热泵的性能，尤其是用于住宅供热和制冷；2）选择地源热泵系统最佳的供热和制冷系统；
8、3）开发效率更高的垂直换热器；4）采用新技术和新工艺降低钻探成本；5）编制钻探手册。虽然地源热泵系统不存在严重的技术问题，降低地源热泵系统成本的最重要的项目，是开发小尺寸、高机动性的主要用于钻进地热换热器钻孔的钻机，以及编制钻探指南（上述条款（4）和（5）。地源热泵系统引进、推广和广泛应用的辅助工作为了促进地源热泵系统的广泛推广， 建立一种辅助系统是非常重要的。该辅助系统的主要工作方向如下：1） 基础研究将来，提高垂直换热器热能提取速率的新技术的开发是可实现的。在美国、欧洲和日本（目前）已基本完成了该课题的基础研究，安装垂直地换热器必需的数据的缺乏将延缓地源热泵系统的推广。这些信息的收集是至关
9、重要的。30 水文地质工程地质技术方法动态 表 1 目前供热、制冷和热水供应系统的初始和运行成本，与在一处旧住宅安装的地源热泵系统的相关成本的对照表；为降低二氧化碳释放量而安装的地源热泵装置的投资成本；在10000处旧住宅建筑物安装的地源热泵系统二氧化碳的缩减量（1美元约为110日元）。现有系统地源热泵系统成本差额收回成本所需的时间（年）在假定的时间内收回成本所需的补助金比率（）二氧化碳的缩减量（10000吨/年），设备投资成本设备投资成本旧住宅的建造成本供热、制冷和热水供应系统直接烧油/吸附型水加热器/冷却器（两种设备）（容量：181440kcal/h）热泵（化冰吨能力为60：2套装置）（地
10、热换热器（200米：17套装置）（包括钻孔成本）10年10000日元/吨）（）10000日元/吨）初始成本20050000日元没有最新补助金37200000日元17150000日元2830800.0730没有最新补助金18600000日元1450000日元0系统运行成本2900000日元/年2300000日元/年600000日元/年？可利用2/3的补助金初始成本6680000日元没有最新补助金12400000日元5720000日元9.50没有最新补助金6200000日元480000日元0运行成本2900000日元/年2300000日元/年600000日元/年?2） 应用研究在欧洲和美国（主要工
11、作方向是在不同地区推广地源热泵系统），地源热泵系统的应用研究也已经基本完成。另一方面，在日本最迫切需要开展的工作，是地源热泵系统的标准化、地源热泵技术指南的编制以及通过示范对地源热泵系统的可靠性进行测试。3） 推广活动应建立地源热泵推广中心。该中心的工作领域应包括解决地源热泵系统利用和安装相关的各种问题，以及建立辅助系统。基础研究开展地下温度、地下水位和地质图研究，设计最佳钻孔地热换热器（垂直换热器）地源热泵系统的一个特点是其地热换热器被安装于钻孔内。地源热泵系统地面装置的安装类似于传统的供热和制冷系统。所以，获得垂直换热器设计和成本评估所需的信息是非常重要的。值得注意的是，所有相关研究都应该
12、考虑日本的主要条件（气候条件、地形条件和地质条件），以及（a）地下温度、（b）地热梯度、（c）土壤热传导性和（d）地下水流的分布情况。除了需要获得地下100米的地热梯度（见图2）之外，有关地下水水位、地下水流方向和流速的数据（如果有可能获得）也是非常重要的。如果含有所需数据的地质图是有效的（可利用的），将能够很容易地设计垂直换热器。有时，适当数据的缺乏能够导致不必要的保守设计。正在安装垂直换热器地区（安装深度小于100米）相关的地质数据（适当的），有助于开展钻进成本评估。相关的地质数据应包括砾岩层、断层或基岩层的信息(Marui, 1997; Uchida, 1998)。 日本地源热泵利用的可
13、行性研究 31应用研究地源热泵系统的标准化和技术指南的编制为了促进地源热泵系统的推广，所有相关人员（包括地源热泵系统的设计者和施工人员）应该普遍认可和了解地源热泵系统。这就需要对地源热泵系统进行标准化和编制地源热泵技术指南。按照技术指南设计和安装地源热泵系统，能够适当地控制地源热泵的质量和获得较高的可靠性。在日本也应该尽可能快地开展地源热泵系统标准化和技术指南编制。在美国，地源热泵的标准化和技术指南的编制主要由IGSHPA（国际地源热泵协会）与大学、科学协会和国家实验室联合完成。欧洲和美国已完成的技术指南的推广，在很大程度上促进了日本地源热泵系统的普及。所以应该引进国外技术，并确定哪种技术适合
14、于在日本应用，以及哪种技术还需要改进和完善。推广（宣传）活动验证（示范）、推广中心和补助金计划地源热泵系统的验证对确定地源热泵系统的优势或优点而言，对地源热泵系统进行验证是极其有效的。总结实例研究报告和推广活动中的验证结果至关重要。在本项研究中，多个旧住宅建筑物被选作验证目标。所选择的住宅建筑物类型如下：1） 将来需要建造多个单元的住宅区；2） 主要选择维护成本低而不是投资成本低的住宅；3） 全天24小时进行供热和制冷，地热能消耗量较大（包括热水供应）的住宅；4） 需要安静和舒适的公共设施；5） 工程预算有限、不能聘用工程师对供热和制冷设备进行维护的住宅；6） 满足上述条件的旧住宅被认为是地源
15、热泵系统较适宜的验证目标。为垂直换热器的安装提供资金扶持，能为地源热泵系统在旧住宅的推广提供动力和激励，因此，补助金计划被认为是一种有效的促进活动。应把这种旧住宅用于监测和论证地源热泵系统。在实例研究报告中应对监测和验证结果进行总结和公布。表 2 现有供热和制冷系统的生命周期成本（LCC）与表1描述的地源热泵系统成本的对照表1）设备成本（10000日元）系统使用年限（年）系统数量进行评估的时间（年）系统更换次数LCC 注释3（10000日元/50年）总成本（1000000日元/50年）LCC差异（10000日元/50年）3）现有系统2）燃油供应设备26510150513252.45锅炉7751
16、025057750管道系统190101505950运行成本29050145004)地源热泵系统热泵49010250549001.990.45地热换热器25505015012550管道系统190101505950运行成本230501150032 水文地质工程地质技术方法动态 建立推广中心地源热泵系统的广泛应用对环境有一定影响，有助于调节能量消耗率和减缓热岛现象。由此，美国环境保护机构、能源部和电力公司正在推广地源热泵系统的应用，以及建立了地源热泵协会（GHPC）（联邦政府或者私营部门研究计划的一部分内容）。在日本的所有地区几乎都可以使用地源热泵系统。在欧洲和美国地源热泵系统的普遍推广，大大刺激了
17、日本地源热泵系统的应用。在日本建立地源热泵推广中心，未来地源热泵的应用领域将不断扩大，其推广速度甚至有望超过美国和欧洲。到1996年为止，在美国已安装了50，000套地源热泵装置。此后，地源热泵的年利用增长率约为20。虽然地源热泵的使用增长率还未达到地源热泵协会的目标，但已经是相当高了。然而，在日本地源热泵系统并不被一些团体（能够从中获得利益）所熟知，包括用户、建筑师、工程师、施工人员和厂商。鉴于目前日本地源热泵系统的应用仍处于初级阶段，新能源工业综合开发组织应建立推广中心促进地源热泵系统的推广和验证，来协助开发适合日本当地条件的地源热泵系统，这是非常重要的。为了确定适合于日本的最佳的地源热泵
18、系统，以及在开展推广活动前选择地源热泵系统的示范目标，详细研究在美国和欧洲使用的地源热泵系统也是至关重要的。图 2 温度测井图实例补助金计划当促进地源热泵系统的应用时，应着重于其经济效益及其有利影响，例如能量最大需求量降低和全球环境保护。地源热泵系统最突出的经济效益应该是能够降低安装成本。就此而论（关于这一点），对增加地源热泵系统的经济效益而言，补助金的应用被认为是非常重要的。鉴于日本目前地源热泵装系统利用率较低的现状，补助金计划的开展能够直接促进地源热泵系统的推广，并使其达到初始要求。为了协助补助金计划的设计和开展，促进地源热泵系统的推广，需要获取一些有关太阳能和风能利用的信息。由于可以利用
19、补助金，这些能量（太阳能和风能）的利用似乎部分变得越来越经济了。一项合理的用于推广和促进地源热泵系统利用的补助金计划，应为以下人员（或机构）提供资金：希望在住宅安装地源热泵系统的个人；生产、安装和销售地源热泵系统的厂商、施工人员和/或经销商；地源热泵系统的推广机构。资金的应用领域应包括操作成本、基础设施成本、技术指南编制成本，以及进行初步勘查的成本，包括设计成本。 日本地源热泵利用的可行性研究 33补助金计划将为个人安装地源热泵系统提供一定的资金。这类似于资助太阳能发电设备推广的计划。提供的资金包括传统空间供热和制冷系统的成本差异。此外，用于促进风力发电项目的财政或税金扶持计划也是非常重要的。
20、厂商、施工人员和/或销售商补助金计划的经费，将由电力公司提供。这就好比一方每KW峰移位向厂商支付20,00050,000日元（180450美元）（通过称为“生态冰”的冰能制冷型空气调节系统完成）。补助金计划能为厂商和施工人员提供资金，因此，这种新技术（地源热泵）在商业上是切实可行的，能为用户提供免费维修服务（当设备陈旧时）。如果通过利用太阳能、风能和生态冰（EcoIce）能够产生地源热泵系统压缩机所需的电量，可实现更进一步的能量蓄存。通过这种方式，补助金计划的影响将会进一步增强。如果日本地源热泵系统的运行性能和经济性能够得到验证，那么，作为按照京都草案开展的环境日元贷款计划（在联合国气候变化会
21、议第三次团体会议上采纳）的一部分，地源热泵系统在日本邻近的其它亚洲国家也将得到普遍推广。结论日本地源热泵可行性研究结果总结如下：1） 目前形势 目前，在美国已安装了400,000套地源热泵系统，每年增加约50,000套地源热泵装置（例如，地源热泵的年利用增长率约为12）。在瑞士已安装了50,000套地源热泵系统，年利用增长率为20。由于日本主要的地下温度条件越来越适宜安装地源热泵系统，地源热泵系统的推广是切实可行的。从地形和环境角度来看，地源热泵系统（包括水平和垂直换热器等）被认为是适合日本需求的。2）地源热泵系统的成本和普遍推广研究结果表明，如果通过增加地源热泵装置的安装数量，能够降低埋地换
22、热器的钻孔成本，平均每个住宅建筑增加的地源热泵系统的安装成本能在两年内收回（假设获得的补助金为50、10年内的补助金为30，以及在地源热泵初始安装阶段补助金是可利用的）。当地源热泵系统的安装成本超过其使用年限时（通常为24年），利用30的补助金能够收回2,050,0003,490,000日元（约19,00032,000美元）的成本。在一座旧住宅建筑安装的地源热泵系统的评估结果显示：通过使用目前可利用的补助金（占住宅楼建造成本的2/3），地源热泵系统增加的初始成本能在9年半内收回；如果补助金增加7，初始成本能在5年内收回（见表1）。如果地源热泵系统的使用年限被延长至50年，获得450,000日元
23、（40,000美金）的资金储备是有可能的，甚至不使用任何补助金（见表2）。如果日本所有的住宅建筑物都安装地源热泵系统，二氧化碳的释放量能被减少52,000,000吨（与20世纪90年代传统供热和制冷系统二氧化碳的释放量相比，减少了4.3，见表1）。此外，利用地源热泵系统进行供热和制冷，几乎不会向空气中释放任何废热，以及能够减缓热岛影响和降低最大电量需求。3） 技术目标地源热泵系统虽然不存在具体的技术问题，但该系统的多个方面还有待于进一步完善，包括：专门用于安装地源热泵系统以及钻进松软和坚硬岩层的小型钻机的开发。同样，也需要编制钻进手册，包括表明地质构造和断层分布情况（能够影响钻进效率）的部分。4） 地源热泵系统引进、推广和广泛应用的辅助工作这些辅助工作包括：地质数据收集；钻进技术指南编制；地源热泵系统的验证和监测；地源热泵系统分布网络的建立和辅助金计划的制定。日本地源热泵系统相关的提案主要以欧洲和美国的实例为基础。
