节能地源热泵应用的思考

与普通中央空调相比, 地源热泵技术不排放二氧化碳等有害气体, 且节能效果要高出40%, 属于环保节能新型能源。在各级政府鼓励与推动下, 运用市场机制, 我国的地源热泵系统的工程应用得到迅速发展并取得可喜成绩。根据调查统计, 近10年来我国除港、澳、台地区外的31个省、自治区已建成了2537项地源热泵系统工程。这和全国同时起步的冰蓄冷空调工程的建设相比, 无疑是快了很多也是值得业界人士高兴的大事。

随着全球能源危机的日益加剧, 开发新能源或再生能源的利用意义十分重大。地源热泵技术作为可再生能源开发技术, 已经在一些发达国家和地区得到了应用。这项技术在我国也具有巨大的应用前景。但是, 我国地域辽阔, 各地区气候差异较大, 地质状况错综复杂, 目前还有许多理论和技术难题亟待解决。为了使我国的地源热泵系统的应用与建设能更健康和更稳步地发展, 就若干问题进行讨论。

1 国外地源热泵技术的研究和应用

地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能, 因此被称之为:一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。这项起始于1912年的技术 (瑞士提出的一个专利, 该技术的应用始于英、美两国) , 美国从1946年开始对GSHP系统进行了十二个主要项目的研究, 如地下盘管的结构形式、结构参数、管材对热泵性能的影响等。并在俄勒冈州的波特兰市中心区安装了美国第一台地源热泵系统。到2000年底, 美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用, 每年约提供8000~11000Gwh的终端能量。

国外地表水地源热泵的研究始于20世纪30年代, 瑞士苏黎世议会大厦安装了欧洲第一台大型热泵, 以河水作为热源, 输出热量175kW。在第二次世界大战期间, 这种能适应战时能源紧缺情况的大型供热和工艺热泵装置得到了快速发展。

第二次世界大战后, 热泵在美国首次掀起发展高潮, 到1950年美国拥有600台热泵, 其中53%为水源热泵。1980年美国海军对珍珠港等地进行了海/湖水空调在海军设施上应用的研究, 通过对一个虚拟工程项目的经济分析得出结论:地表水地源热泵技术初投资比传统空调系统高60%, 但是运行费用却降低了80%, 在系统整个寿命周期内各种费用要比传统空调系统少25%。

20世纪末, 瑞典利用已有的先进大型海水源热泵进行区域供热的经验和现成的设备, 开发了以海水和热泵蒸发器端作为冷源的区域供冷工程。斯德哥尔摩的区域供冷工程被公认为是大型供冷解决方案中近乎完美的工程, 具有很高的能源利用率、更加环保的效应以及更加经济的运行操作。

2 我国地源热泵发展情况

地源热泵作为一种新型的可再生能源利用技术, 目前正在我国推广, 应用前景广阔。该系统利用浅层地下水温度较为恒定的特性, 以浅层地下水作为能量的载体, 通过压缩机系统, 在夏季将建筑物内的热量转移到地下水中, 在冬季将地下水中的热量转移到建筑物内, 实现了建筑物的制冷和供暖。在地下水抽出—能量交换—回灌的循环过程中, 夏季回灌井处的地下水温度升高, 而冬季地下水温度则降低。据统计, 在系统运行过程中, 每消耗1kw的电能, 可获得3.5kw~4kw的冷热能, 并不产生氮、碳、硫等有害气体氧化物。因该系统具有高效节能和显著的环境效益, 日益受到住宅小区、写字楼、商厦等业主的青睐, 社会需求量不断增加。

随着经济、社会发展和城市化进程加快, 建筑能耗在整个社会终端能耗中所占比例越来越高, 建筑节能问题已成为社会发展过程中不可忽视的重要问题之一。目前, 我国建筑能耗占社会终端能耗的20.7%。根据发达国家的经验, 建筑能耗的比例将继续增加, 并最终达到35%左右。因此, 建筑将超越工业、交通等其他行业而最终成为能耗的首位, 建筑节能将成为提高社会能源使用效率的首要方面。要想在满足社会发展和人民生活水平不断提高的前提下, 大幅度降低建筑能耗水平, 实现城市建设的可持续发展, 必须从“开源”和“节流”两方面采取措施。其中, “开源”就是要促进可再生能源在建筑中的规模化应用。

尽管我国已经颁布实施了《可再生能源法》, 同时制定了一系列促进可再生能源发展的政策, 但是相关可再生能源在建筑中的发展应用问题还需要做进一步的研究, 应该根据具体的可再生能源应用种类做具体分析, 着手解决主要问题, 从而保障相关产业快速、健康的发展。

地源热泵系统有别于其他可再生能源在建筑中的应用。作为一种新型空调系统地源热泵可以无污染地从天然能源中吸收能量, 向建筑物供冷供暖只用于减少建筑暖通空调系统对化石能源的消耗, 并不产生额外的高品位能量, 不会像水力、风力发电以及太阳能发电应用那样向电力系统供能, 所以不存在诸如上网电价、绿色证书交易等问题。

“十一五”规划中明确了节能工作的目标, 要求到“十一五”期末, 万元国内生产总值能耗下降, 比“十五”期末降低20%左右平均年节能率为4.4%;国家十大节能工程中要求“十一五”期间建筑节能要达到1.01亿吨标准煤。在国家发改委编制的我国2020年可再生能源发展规划中, 计划到2010年, 可再生能源总的供应量达到1亿吨标准煤;到2020年, 可再生能源总的供应量达到3亿吨标准煤, 约占一次能源消费总量的10%。这样宏观的总量目标需要分解、落实到各个部门的具体工作中。

国家总的能源政策是节能和新能源开发、再生能源利用并重, 而可再生能源利用还需要进一步完善, 它作为一个新兴的幼稚产业, 具有战略性、长期性、高风险、低收益的特点。我国地域辽阔, 江河纵横, 湖泊众多地区地下水资源丰富, 又是良好的地源热泵载体, 为发展地源热泵技术提供了优越的自然条件。

3 节能环保与地源热泵技术

70%的大气污染源于燃煤, 因此供暖空调的一次能源利用率既是节能指数, 又是环保的间接性指标。对不同系统而言, 系统的一次能源利用率已经表征了其节能与环保状况。但单纯用一次能源利用率来表征能源利用的节能与环保效果也有不尽人意之处。当不同地区冷热负荷不同, 地下水源温度不同时, 可利用的冷热量及系统的效率也有所不同, 因此地下水源热泵系统一次能源利用率不可能相同。但可定量表达一定水源量的节能与环保价值, 例如利用1m3的地表水到底可以节省多少煤或气, 少排放多少有害气体等, 我们就可以建立地源热泵节能环保的概念。

地球虽是一个已被冷却和固态化了的星球, 但其内部结构可划为地表、地壳、地幔、熔融的外核与固体内核。地表2885km以下至地心部分 (即熔融的外核与固体内核) 俗称地核, 其温度大约在4000℃~5000℃之间 (一些地质学家们的实验数据表明, 地心温度可能高达6000℃~8000℃) 。地壳的岩石既有效地防止了地球内部的热量向太空散失, 又很好地保护了地球生物免遭地下高温烫伤。但即使有了这样好的地壳绝热保护, 地球也会像人体散热一样无时无刻不在散发着热量, 每年仍有44TW热能从地球表面流出, 相当于全球电能消耗的4.4倍。因此, 地源热泵技术的应用具有极大的现实意义和广阔的发展前景。

4 结语

地源热泵技术在美国、加拿大和北欧国家已广泛应用有几十年, 并每年在递增, 其技术已日趋成熟。在过去的10年中, 大约30个国家的地源热泵年增长率达到了10%。地源热泵系统的优势使其成为近年来世界可再生能源利用及建筑节能领域中增长最快的产业之一。

在国内, 目前, 北京、天津、重庆等地政府出台了针对地源热泵技术应用的地方法规。上海、武汉、广东、南京、杭州等地正积极开展地源热泵工程项目示范, 并逐步规模化推广应用。地源热泵空调系统在我国是一项新的技术, 它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术, 需要通过相关专业技术人员的通力协作, 做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能、环保性能。

根据地源热泵的研究现状, 借鉴国外可再生能源发展的经验, 降低建筑能耗的重要途径之一是在建筑领域规模化应用可再生能源。近几年在全国各地已经有大量工程投入使用, 应该积极对实际运行经验进行总结, 以使地源热泵这项利国利民的可再生能源利用技术得到健康有序的发展。

摘要：地源热泵技术凭借节能环保的功能造福于民, 江河纵横, 湖泊众多地区地下水资源丰富, 是良好的地源热泵载体, 为发展地源热泵技术提供了优越的自然条件。根据地源热泵的研究现状, 针对目前地源热泵系统在建筑中应用存在的成本高和市场规模小的问题, 借鉴国外可再生能源发展的经验, 探讨降低建筑能耗的重要途径之一是在建筑领域规模化应用可再生能源。

关键词：节能,地源热泵,应用

参考文献

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