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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, J Japan Metals and Chemicals Co., Ltd., 8-4, Koami-cho, Nihonbashi Chuo-ku, Tokyo. 103-0016, Japan）
翻译：赵玉军；校对：苑惠明
【摘 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）
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 Eugster, 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90000日元（约1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。
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；
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