[科普中国]-地热系统

发展历史

地热系统是一项既古老又崭新的技术。在中国地面采暖可追溯到明朝末年，为皇宫王室才能拥有的取暖方式，如现存中国的故宫，在青砖地面下砌好烟道，冬天通过烟道传烟并合理配置出烟窗以达到把青砖温热而后传到室内，使室内产生温暖的效果。以后中国北方农村出现火墙、火炕的取暖方式，韩国、日本出现地炕。从古至今，人类不断传承文明，开拓创新，发展进步1。

新标准的地热系统也是中国近几年在黄河以北地区已开始兴起的一种新型采暖方式，在中国的山东、天津、辽宁、东北、内蒙、河北等地，其应用已经相当广泛。例如天津市，地面采暖已占新建筑的40%，受到居民的普遍欢迎。中国政府已将地面采暖列为重点推广应用的建筑节能技术。从发展前景看，未来的居民采暖，60%以上将会采取地面采暖，应用前景喜人，有巨大的开发市场1。

系统优点**（1）舒适、保健**

地面辐射供暖是最舒适的供暖方式。据有关资料显示，通常人们感觉适宜的脚部温度为 24 ℃ ，头部温度为 20 ℃ 。用地面辐射供暖时，室内地表温度均匀，室温由下而上逐渐递减，给人以脚温头凉的良好感觉，与人体的生理需求最接近，从而改善血液循环，促进新陈代谢1。

（2）卫生益于健康

不易造成污浊空气对流，室内空气洁净。由于上海地区传统的采暖方式为空调采暖，而空调机会使空气的对流速度加快，室内灰尘大量漂移，细菌易被吸入人体，且空调机有一定的噪音，易引起室内空气干燥等缺点，所以，地面辐射采暖以其无噪音、无污染、不干燥、不闷热、节能而被称为“绿色采暖”1。

（3）高效节能

辐射供暖方式较对流供暖方式热效率高，热量集中在人体受益的高度内;传送过程中热量损失小;低温地面辐射供暖可实行分户分室控制，用户可根据情况进行调控，有效节约能源。并且在采用传统的空调或散热器取暖时，室内开花板处温度高，地面温度低，其温差约有 10 ℃ 左右，这样就把相当一部分的热量浪费在无人活动的房间上半部分，而采用地面采暖时，就很好地解决了这个问题。

（4）节约空间

地面辐射采暖采用地下埋管的方式，室内取消了暖气片及其支管，增加了房间的使用面积，便于装修和家居布置。

（5）热稳定性好

地面供暖地面层及混凝土层蓄热量大，热稳定性好，在间歇供暖的条件下，室内温度不会有明显波动。

（6）使用寿命长

低温地面供暖中塑料管材埋入地下，不结垢、不腐蚀，无人为破坏，使用寿命与建筑物同步。较对流供热节约维护和更换费用1。

大型系统已有的所有采暖通风空调系统都需要消耗大量的能源，甚至超过了房屋平均能源总需求的一半。而安装了地热系统后，能大大减少能源消耗，因为温度的起点改变了——原先要从0度加温到28度，只用从10度加热至28度了1。

"高效经济"、"节能节电"、"降低矿物燃料使用"、"省钱"……这些都是家用地热系统的最吸引人的标签。《大众机械师》10月刊中就为我们详细介绍了家用地热系统的工作原理、安装方法等指南。

"你不是在制造热能，而是转移热能。"美国罗拉多州地热安装人员吉-林奇的总结非常精辟。林奇所从事的地热安装主要是深入地壳就结霜线以下的位置——通常在10摄氏度左右，充分利用这里的热能来帮助家庭取暖和降温。

与太阳能、风能不同，地热能源的来源相对要稳定的多。Water Furnace设备制造商工程副总裁鲍勃-布朗称："大地是不会消失的。无论是取暖还是降温，地热能源都能提供非常稳定的支持。我们要做的就是在地下埋塑料管，灌入液体，你瞧，整个系统就已经轻松搞定了。"

系统构造**地下：**25毫米厚高密度聚乙烯(HDPE)管道内注水，形成封闭循环管线，在房屋和地下之间运送热量。管道连接直径达1.2-1.8米的垂直地井，地井的具体数量和深度由房屋的位置和大小决定。之后，管道汇合相连，将微温的水传送到地下层墙面。利用灌浆（或粉煤灰制成的增强版水泥浆）回填每个钻孔，已实现最大限度的地热传导性。

**屋内：**利用泵使管道中的水循环流动经过系统的核心部位——作用类似空调和加热炉的地热器。地热器利用制冷剂和来自地下管道的温水，来完成加热或冷却空气的工作。温度改变后的空气通过标准的管道系统散发到屋内，起到调节室温的作用，其效果与采用标准的采暖空调系统完全相同。此外，配合一款名为减温器的设备，地热组件还可以利用多余的热量来加热家庭生活用水，而无须增加任何成本1。

热量循环管道中的空气 (1)地热组件中的制冷剂; (2)以及管道中的水 (3)一环扣一环地流通。根据季节的不同，来自地下的水会将热量传递给制冷剂或从制冷剂吸收热量。和空调一样，该组件会根据气温的不同来压缩或膨胀制冷剂，以实现升温或降温。最后，加热到80摄氏度或冷却到4摄氏度的制冷剂将被注入到冷凝/蒸发弯圈管道中。输气管中的空气经过弯圈管道时进行热交换，被加热或冷却，最后释放到屋内1。

所需的主要设备：

钻头：这种泥钻头可以将泥土打散，钻出中空通道。而要打穿坚硬的岩石则需要螺旋钻头。新款的泥钻头转速可达1000 rpm，向下的推进压力可达300-500磅，轻而易举就能钻出5个50米深的洞。

地热器：地热器相当于加热炉和空调的结合体，可以从地下室控制全季节气候的温度。所采用的原理与冰箱类似，冰箱能移除食物中的热量，而地热器和埋在地下的管道则可以移除地下或屋内的热量。地热器与50安培的电路连接，工作过程中无需通风，无需燃烧燃料，也不存在一氧化碳中毒的风险1。

三种安装方案（1）垂直线圈；

（2）水平线圈；

（3）池塘系统。

第一种垂直线圈是最佳方案，要比水平线圈更节省HDPE管道，而且管道深入地下霜冻线以下，可以保证即使在寒冷的冬天管中的水也不会结冰。而第三种方案池塘系统, 所铺设的线圈管需要确保管子和连接处的防水处理。

在铺设垂直线圈时，如果挖掘管道遇上十分坚硬的地层，建议换一个位置试试，或者退而求其次，选择第二种、第三种方案2。

成本的节约也许安装工作看上去很复杂，不过，一切麻烦都是值得的，因为地热系统在一年中90%的时间内都可以使用，而传统的窑炉、地暖和管道暖气只有在每年最冷的日子才会工作，平均需要使用12-15年才可收回成本，而整套地热系统只需使用3-6年即可1。

系统误区：（1）地热=温泉。

温泉和其他形式的地下蒸气和家用地热不是一回事。温泉只是地热能量在一些特殊地理位置上表现形式，而家用地热系统几乎在任何地方都可以安装。

（2）地热能发电。

工业规模的地热发电厂可以利用地热能源发电，但是这和家用系统无关。家用系统主要的功能是代替燃料型取暖设备和空调制冷设备，起到安全、节能、节电的作用3。

普及区域扩充地暖一直都局限在三北和华北地区，然而中原、华东等地区冬季零度以下也要在一到两个月的时间。而随着人们生活水平的不断提高，对住所舒适度的要求也越来越高，加之越来越多国外移民定居中国，对传统的集中供热采暖区域限制提出挑战

在中国，冬季集中供热采。新型独立采暖方式因此迎来发展机遇。地暖以其较强的灵活性、适应性和先进性，恰好顺应市场发展之需求。

地面采暖舒适，节能效果明显，三北地区普及程度正在迅速提高，个别城市普及率可达70-80%，如河北秦皇岛、廊坊以及山东东营等。在个别地区，地暖已不再是新型取暖方式，而普遍成为建设单位的首选。随着市场需求进一步增加，地暖已由大中城市推广到地县级城市，在区域上有较大突破，如上海、无锡、南京、合肥、九江、遵义、贵阳等低纬度城市、地区迅速接受并采用地面辐射采暖1。

认知度广为提高即便是在普及度较高的东北地区，地暖在最初推广阶段也是极其困难的，居民的认知度、在采暖领域中的影响力均较低。地暖最初是以新兴技术姿态进入到采暖市场的，地暖的安装过程是隐蔽的，早期的地暖公司在推荐介绍、可行性分析、沟通设计、样板间演示、工程实施等等方面倾注了大量的心血。地暖工程伴随设计人员的推荐，建设单位的主动选型，工程实例的效应影响越来越来为社会认同。在推动地暖应用的过程中，地暖公司逐渐壮大，形成规模。

2001年，东北市场只有专业的水暖市场，能零星见到一些地暖专用管材。

到2005年，已至少有80%以上的城市居民了解了地暖，消费需求推动城市建筑，尤其是民用商住楼采用地暖采暖的比例迅速上升，2005年地暖采暖方式约占总市场份额的30%以上，这一比例还在继续增长3。

发展空间这种供暖方式早在30年代就被公认为是一种最舒适的供暖方式。

在欧洲、北美、亚洲的许多国家早已应用，而且应用面积极广，1994年已占德国、日本、韩国采暖市场50%以上，但在我国，地板采暖的铺装面积不到10%，具有很大的发展空间1。

国外使用情况美国内地热产业增长近三成

据地热能源协会（GEA）发布的讲演，2009年美国地热发电行业继承强劲增长，至2010年4月美国地热发电出产和发展更新数据显示，在2009年中，美国开发中的新项目增长26%，有188个项目在15个州进行之中，可望产生高达7,875MW（兆瓦）新电力2。
根据地热能源协会（GEA）的讲演，正在开发的项目待其完成之时将投资超过350亿美元。
地热发电成为应对全球变暖的枢纽能源，例如，加利福尼亚州用地热替换燃煤，以维持能源需求，可望达到其2020年应对全球变暖的减排目标。
根据地热能源协会的分析，内华达州继承引领开发中的项目，进行中的项目拥有超过3000MW。增长最快的地热发电州是美国犹他州，开发中项目将使地热发电翻三番，新墨西哥州将翻二番，爱达荷州将翻一番，俄勒冈州将增长50%。此外，路易斯安那州、密西西比州和得克萨斯州也首次有地热项目在开发中。
总之，这些项目直接、间接和诱发创造的就业机会，估计长期工作为29750人，建造和制造业为112,000人。一旦建成，这些项目投资将超过350亿美元。
来自太平洋到墨西哥湾15个州进行中的新的地热发电项目业已验明，这些州是：阿拉斯加州，亚利桑那州，加利福尼亚州，科罗拉多州，夏威夷州，爱达荷州，路易斯安那州，密西西比州，内华达州，新墨西哥州，俄勒冈州，得克萨斯州，犹他州，华盛顿州和怀俄明州。1

结论综上所述地板采暖系统初期投资在各种采暖方式中居于中等水平，但因其具有很好的节能性和与建筑寿命相当的服役期限，是一项回报很高的投资（该投资在家人健康，生活质量上的效益因无法精确化而不在此进行分析1。