地源熱泵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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摘要：本文分析了我國地源熱泵技術(shù)發(fā)展的背景，給出了地源熱泵系統(tǒng)的分類及特點，并通過對目前我國地源熱泵的發(fā)展狀況進行調(diào)查，得出了地源熱泵技術(shù)的經(jīng)濟性分析并預(yù)測了此技術(shù)在未來發(fā)展中存在的障礙、市場潛力和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；市場；發(fā)展趨勢   一、中國地源熱泵發(fā)展的背景 　　發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)是我國建筑節(jié)能發(fā)展的需要。目前，建筑用能已占全國總能耗的。因此，抓緊建筑節(jié)能，以較少的能源投入實現(xiàn)經(jīng)濟增長目標，對于我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，是一項十分迫切的任務(wù)。地源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)的供熱空調(diào)系統(tǒng)相比大約節(jié)能50%，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的既可供暖又可制冷的新型空調(diào)系統(tǒng)。   　　發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)是確保我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要?；谖覈幕緡楹徒?jīng)濟狀況，長期以來我國一直以煤采暖為主，北方地區(qū)污染嚴重、能源利用效率低，發(fā)展地源熱泵技術(shù)是減少環(huán)境污染、確保能源安全的重要保障。   　　發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)是運用可再生能源的重要技術(shù)手段。目前，用可再生能源逐步替代常規(guī)能源是一個世界趨勢，隨著我國《可再生能源法》的頒布，大力加快發(fā)展可再生能源是落實國家提出的“建設(shè)節(jié)約型社會，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟”方針的主要手段之一。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)通過吸收大地的能量，再由熱泵機組向建筑物供冷供熱，可廣泛應(yīng)用于商業(yè)樓宇、公共建筑、住宅公寓、學(xué)校、醫(yī)院等建筑物，是可再生能源在建筑中應(yīng)用的重要組成部分。發(fā)展地源熱泵在中國有廣泛的地域要求。中國國土面積巨大，從北到南可劃分為五個主要氣候區(qū)，其中對冷熱量都有需求的地區(qū)占絕大部分同時中國淺層地表能量蘊藏豐富，適宜大力發(fā)展地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)。   　　發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)是中國HVAC行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。在中國某些地區(qū)，既沒有燃煤也沒有天然氣可以供熱，發(fā)展地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)是經(jīng)濟發(fā)展的需要，也是市場發(fā)展的必然趨勢。   二地源熱泵系統(tǒng)的分類及特點 　　1.地源熱泵的定義 　　《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）規(guī)定地源熱泵系統(tǒng)以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)地熱能交換系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。   　　2地源熱泵的分類及特點 　?。?）地埋管地源熱泵系統(tǒng) 　　地埋管地源熱泵系統(tǒng)包括一個土壤禍合地熱交換器，它或是水平地安裝在地溝中，或是以U形管狀垂直安裝在豎井之中。不同的管溝或豎井中的熱交換器并聯(lián)連接，再通過不同的集管進入建筑中與建筑物內(nèi)的水環(huán)路相連接，它通過循環(huán)液水或以水為主要成分的防凍液在封閉地下埋管中的流動，實現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。其優(yōu)點是系統(tǒng)不受地下水量的影響，對地下水沒有破壞或污染作用，系統(tǒng)運行具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。它的主要缺點是由于管壁傳熱溫差的存在，機組冬季地源側(cè)水溫低于地下水式系統(tǒng)5~10℃，機組夏季地源側(cè)水溫高于地下水式系統(tǒng)10~15℃，機組運行條件相對較差，降低了運行效率埋地換熱器受土壤性質(zhì)影響較大連續(xù)運行時，熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化的影響而發(fā)生波動土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而使埋地換熱器的持續(xù)吸熱速率小，導(dǎo)致埋地換熱器的面積較大等。   　　（2）地下水地源熱泵系統(tǒng) 　　地下水地源熱泵系統(tǒng)分為兩種，一種通常被稱為開式系統(tǒng)，另一種則為閉式系統(tǒng)。開式地下水地源熱泵系統(tǒng)是將地下水直接供應(yīng)到每臺熱泵機組，之后將井水回灌地下，由于可能導(dǎo)致管路阻塞，更重要的是可能導(dǎo)致腐蝕發(fā)生，通常不建議在地源熱泵系統(tǒng)中直接應(yīng)用地下水。在閉式地下水地源熱泵系統(tǒng)中，地下水和建筑內(nèi)循環(huán)水之間是用板式換熱器分開的，系統(tǒng)包括帶潛水泵的取水井和回灌井，地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運行十分有利。   　　它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡便易行，綜合造價低，水井占地面積小，可以滿足大面積建筑物的供暖空調(diào)的要求。缺點是地下水熱泵系統(tǒng)需要有豐富、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的地下水此外，即使能夠全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。   　　（3）地表水地源熱泵系統(tǒng) 　　地表水地源熱泵系統(tǒng)，由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū)需要進行防凍處理。地表水地源熱泵系統(tǒng)的熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。   　　它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡便易行，初投資較低。缺點是地表水地源熱泵系統(tǒng)也受到自然條件的限制此外，由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，環(huán)境溫度越低熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數(shù)也會降低一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因素有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進行計算這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境的影響有時也需要預(yù)先加以考慮。   　　總體來說，所有地源熱泵系統(tǒng)都有著突出的技術(shù)優(yōu)點高效、節(jié)能、環(huán)保、無污染，地源熱泵系統(tǒng)在冬季供暖時，不需要鍋爐或增加輔助加熱器，沒有氮氧化物、二氧化硫和煙塵的排放，因而無污染由于是分散供暖，大大提高了城市能源安全運行和維護費用低，簡單的系統(tǒng)組成，使得地源熱泵系統(tǒng)無需專人看管，也無需經(jīng)常維護簡單的控制設(shè)備，運行靈活，系統(tǒng)可靠性強節(jié)省占地空間，沒有冷卻塔和其它室外設(shè)備，節(jié)省了空間和地皮，并改善了建筑物的外部形象較長的使用壽命，通常機組壽命均在巧年以上供暖空調(diào)的同時，可提供生活熱水。   三、國內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展 　　在我國，地源熱泵的研究起始于20世紀80年代，最近年該項技術(shù)成了國內(nèi)建筑節(jié)能及暖通空調(diào)界的熱門研究課題，并開始大量應(yīng)用于工程實踐，與此相關(guān)的熱泵產(chǎn)品應(yīng)運而生，掀起了一股“地熱空調(diào)”熱潮。在工程應(yīng)用方面，地下水地源熱泵系統(tǒng)數(shù)量最多，應(yīng)用范圍最廣，主要采用“異井抽灌”、“單井抽灌”技術(shù)，最大單項工程建筑面積已達16萬m2，土壤源地源熱泵發(fā)展最快，應(yīng)用潛力最大，最大單項工程建筑面積已達13萬m2，地表水地源熱泵系統(tǒng)在城市級示范工程中單體規(guī)模最大。1996年至今在北京、山東、河南、遼寧、河北、江蘇、浙江、湖北、上海和西藏等地相繼建成了地源熱泵工程，應(yīng)用范圍基本覆蓋了我國所有省份。僅以北京市為例，2000年利用淺層地能的面積僅為17萬m2，2005年初達到500萬m2，2005年新增淺層地能的建筑面積達到300萬m2，至此，僅北京市淺層地能利用面積達800萬m2，全國地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用面積已經(jīng)接近3000萬m2。其中，地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用面積約占全部市場份額的45%，土壤源地源熱泵系統(tǒng)約占35%，地表水地源熱泵系統(tǒng)約占20%。目前全國在建地源熱泵項目約為500萬m2，規(guī)劃使用地源熱泵系統(tǒng)的建筑面積約為700萬m2，其中北京、大連、重慶、南京、上海、成都、青島麥城、呼和浩特政府新區(qū)等地的項目都進入了建設(shè)部和財政部擬訂共同支持的“十一五”節(jié)能與可再生能源科技市級示范項目。   　　中國地源熱泵產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家已經(jīng)超過80家，大部分集中在山東、北京、廣東、上海、大連等地區(qū)?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)應(yīng)用情況調(diào)查研究分析報告》調(diào)查結(jié)果顯示參與調(diào)查的25個企業(yè)中，民營企業(yè)5個，股份制企業(yè)5個，外商獨資企業(yè)5個，中外合資2個，其他有限責任公司性質(zhì)企業(yè)8個。說明地源熱泵這一新興技術(shù)受到廣泛關(guān)注，不同所有制形式的企業(yè)都參與到其開發(fā)、應(yīng)用之中這些企業(yè)的規(guī)模從100萬至數(shù)億元不等，其中注冊資本在1億元以上的占25%，5000萬元~1億元的占12.5%，3000萬元~5000萬元的為25%，3000萬元以下的有37.5%?？梢娺€是以中、小企業(yè)居多，說明地源熱泵行業(yè)目前正處于起步階段：從現(xiàn)有工程空調(diào)供熱制冷面積來看，面積在50000m2以上的項目約占16%，在10000m2~50000m2的約占42%，10000m2以下的約42%；占從項目投資來看，1000萬元以上的項目占17%，500萬~1000萬元的項目占21%，500萬元以下的項目62%，可見中小項目居多，地源熱泵發(fā)展?jié)摿薮蟆?  　　整體來說，地源熱泵在我國長江黃河流域、東北、西北、華北等廣大對冷熱都有需求的地區(qū)，具有較高的適用性，對南方部分只有夏季冷量需求而無冬季熱量需求的地區(qū)也有一定的適用性，對于那些由于條件限制而不能用煤、電、燃氣進行采暖供冷的地區(qū)可以說是最佳選擇。   四、地源熱泵的經(jīng)濟性分析 　　地源熱泵系統(tǒng)價格差別主要來自于系統(tǒng)使用的地區(qū)不同、建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能水平差別、項目類別和功能差別。根據(jù)現(xiàn)有實際工程測算，如采用地下水式地源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)初投資約為250~420元/m2，其中冷熱源部分投資約150~220元/m2；如采取土壤源地源熱泵系統(tǒng)，初投資約300~480元/m2，其中冷熱源部分投資約為200~270元/m2。和目前常規(guī)單一供暖方式相比，燃煤鍋爐房供暖系統(tǒng)投資約150~200元/m2，燃氣分散鍋爐房供暖系統(tǒng)投資約100~150元/m2，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)投資約200元/m2（包括增容費），地源熱泵系統(tǒng)初投資高，但地源熱泵系統(tǒng)提供供暖空調(diào)、生活熱水多重功能，而傳統(tǒng)集中供熱基本為單一供暖功能，不可完全類比。   　　采用地源熱泵系統(tǒng)作為樓宇空調(diào)系統(tǒng)，其運行費用可大大降低。用地源熱泵系統(tǒng)供暖時，根據(jù)不同的地域、氣候、資源、環(huán)境，其運行費用可比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)降低25%~50%，如北京市11個不同類型建筑地源熱泵項目2003~2004年冬季運行費用調(diào)查結(jié)果表明，7項工程低于燃煤集中供熱的采暖價格（18.5元/m2），所有被調(diào)查項目均低于燃油、燃氣和電鍋爐供暖價格用地源熱泵系統(tǒng)制冷時，其運行費用可比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)降低15%~30%。   　　折算到一次能源，以能源利用系統(tǒng)總能效進行比較，現(xiàn)有地下水熱泵系統(tǒng)供熱總能效最高，約為115%，土壤源熱泵系統(tǒng)供熱總能效約為100%，燃煤集中鍋爐房供熱總能效為55%左右，燃氣集中鍋爐房供熱總能效為65%左右，熱電廠供熱總能效約為70%。   　　地源熱泵系統(tǒng)其靜態(tài)投資增量回收期約4~10年不等。如北京菊兒胡同小區(qū)地下水地源熱泵供暖代替燃煤鍋爐房供暖，初投資與燃氣鍋爐房相比增加約51元/m2，，每平米供暖折15kg標準煤，與原燃煤鍋爐房供暖能耗25kg標準煤/m2相比節(jié)能40%，靜態(tài)經(jīng)濟效益回收期約為6年。   　　伴隨著地源熱泵技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用，政府補貼的逐步完善，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的不斷加大，生產(chǎn)廠家和集成商的逐漸增多，市場競爭逐漸加劇，地源熱泵系統(tǒng)的初投資還會進一步降低，地源熱泵系統(tǒng)成本應(yīng)具有50~100元/m2左右的降價空間。   五、中國地源熱泵發(fā)展存在的障礙 　　1.政府政策支持與財政補貼稍顯薄弱 地源熱泵是一項節(jié)能環(huán)保的技術(shù)體系，但目前來講在房地產(chǎn)應(yīng)用推廣中投資還是相對較高，開發(fā)商不愿意在自己的系統(tǒng)中使用這種技術(shù)，政府在政策上的支持力度還是稍顯單薄，鼓勵與補貼政策也還不很明確。建議應(yīng)象國外機構(gòu)一樣對此類系統(tǒng)設(shè)立專項基金給予支持。地源熱泵的市場需要政府從可持續(xù)發(fā)展的角度，綜合能源、環(huán)保和資源等各個方面的考慮，調(diào)整政策，促使其健康有序的發(fā)展。   　　2.對地源熱泵系統(tǒng)研發(fā)還不夠深入 　　地源熱泵作為一種新的科學(xué)技術(shù)，目前在國家標準規(guī)范、宣傳材料、系統(tǒng)圖集方面還有所欠缺，同時在科研上還有一些問題沒有取得突破，比如土壤源地源熱泵系統(tǒng)的地下溫度場的計算方法不統(tǒng)一海水源地源熱泵系統(tǒng)海水取水口的設(shè)置地下水地源熱泵的地下管井的設(shè)計與施工、水源的探測開采、供水過濾、水質(zhì)防腐處理、取水回灌的成套技術(shù)等問題都還沒有較好的解決方法對于已經(jīng)完成并且運行的地源熱泵系統(tǒng)，對其能效性能缺乏正確的評估體系也是影響其正常發(fā)展的原因之一。   　　“十一五”國家科技支撐計劃項目中對地源熱泵系統(tǒng)擬解決的問題有地下水地源熱泵采用抽水和回灌方式對地下生態(tài)環(huán)境的影響地下水地源熱泵的成井技術(shù)和取水技術(shù)與回灌技術(shù)，維護與保養(yǎng)技術(shù)，取水溫度的計算方法研究采用土壤源地源熱泵的地下水文地質(zhì)條件不同的布孔密度對應(yīng)的不同綜合傳熱系數(shù)的計算方法地源熱泵系統(tǒng)的評估指標體系污水、海水源地源熱泵的取水設(shè)備開發(fā)，污水換熱技術(shù)及專用換熱器開發(fā)等。   　　3.國內(nèi)地源熱泵產(chǎn)品生產(chǎn)商的產(chǎn)品型號不全，可靠性不高 　　目前國內(nèi)生產(chǎn)水一水熱泵的廠家已經(jīng)超過20個，但是產(chǎn)品的性能和質(zhì)量令人擔憂。大部水一水熱泵產(chǎn)品未進行正確、嚴格的設(shè)計計算，也未經(jīng)過權(quán)威機構(gòu)的檢測，因此產(chǎn)品的性能與產(chǎn)品樣本差異較大，導(dǎo)致工程失敗的例子屢見不鮮。國產(chǎn)水一水熱泵的質(zhì)量巫待提高，產(chǎn)品規(guī)格、型號、性能參數(shù)各異，難以評價。且目前國內(nèi)用于地源熱泵系統(tǒng)的產(chǎn)品規(guī)格型號較少，難以滿足工程的需要。   　　4.缺乏必要的宣傳推廣活動 　　已經(jīng)成熟的技術(shù)沒有得到及時廣泛的推廣和普及，也給此項技術(shù)的應(yīng)用造成了一些障礙。地源熱泵工程設(shè)計作為一項技術(shù)含量較高的技術(shù)，目前僅掌握在少數(shù)科研單位手中，各大設(shè)計院的設(shè)計人員還沒有完全掌握。地源熱泵的推廣應(yīng)用，目前缺乏各個專業(yè)、各個領(lǐng)域人們的共同配合，缺少從政府政策、主機設(shè)計制造、系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理等各個方面的共同參與。   六、中國地源熱泵的市場潛力和發(fā)展趨勢 　　目前，我國城鄉(xiāng)既有建筑總面積約400億m2，其中城鎮(zhèn)約為160億m2，在城鎮(zhèn)中居住建筑面積約為105億m2，其中能達到建筑節(jié)能標準的僅占5%，其余95%都是未來需要陸續(xù)進行節(jié)能改造的高能耗建筑同時，我國每年新增房屋建筑面積約20億m2，預(yù)計到2020年底，我國新增的房屋面積將近300億m2，新增城鎮(zhèn)民用建筑面積將為100~150億m2。隨著人民生活水平提高，我國采暖線也將逐步南移，采暖面積會逐步增大，新建建筑將有70億m2以上需要供暖。   　　據(jù)專家測算，目前我國發(fā)電裝機容量為5.08億KW，百米內(nèi)地下水每年可采集的低溫能量約為2.2×108KW，相當于其43%，近百米內(nèi)的土壤每年可采集的低溫能量相當于1.5×1012KW，，則是其2950倍，淺層地能的應(yīng)用仍然有相當大的市場發(fā)展空間，如果全國每年在1億m2建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)供暖空調(diào)，則每個采暖季可替代374萬噸左右標煤，或25億m2左右天然氣，削減約6.4萬噸氮氧化物、933萬噸二氧化碳約16萬噸顆粒物的排放。   　　基于此種情況，建設(shè)部提出，在“十一五”期間，推廣淺層地能使其使用面積達到2.4億m2。同時，北京市發(fā)改委表示，北京將繼續(xù)大力推廣淺層地能，作為現(xiàn)行供暖的替代能源。今后凡政府投資的項目如政府機構(gòu)、醫(yī)院、學(xué)校等公共建筑，有條件的要優(yōu)先使用淺層地能。預(yù)計到2010年，北京市將有2000萬m2的建筑采用淺層地能來供暖。   　　為了順應(yīng)國家大力發(fā)展可再生能源的號召，當前政府、技術(shù)研究、工程設(shè)計與安裝以及設(shè)備制造商等部門應(yīng)共同努力做好以下幾方面工作建議國家建立專項基金，鼓勵地源熱泵的推廣應(yīng)用調(diào)查現(xiàn)有的地源熱泵工程，總結(jié)經(jīng)驗收集現(xiàn)有的用于地源熱泵的全國水文地質(zhì)資料，建立基本資料庫建立專業(yè)的地源熱泵用管井設(shè)計和施工隊伍，完善地埋管換熱器的安裝和施工隊伍，適當時候建立專項設(shè)計施工資質(zhì)管理制度開展國家級和城市級的地源熱泵海水源、污水源、余熱熱源工程示范，以得到正確可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工程設(shè)計、安裝和運行，然后開發(fā)適合國情、因地制宜的地源熱泵機組，完善產(chǎn)品系列和規(guī)格加強政府對地源熱泵工程的質(zhì)量監(jiān)管，防止一哄而起，杜絕假冒偽劣，保證地源熱泵在建筑中應(yīng)用中健康發(fā)展開發(fā)地源熱泵和其它能源互相補充的技術(shù)體系，拓寬其發(fā)展方向。