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谈地源热泵技术的发展
上海地源热泵公司 发布于:2013-4-9 15:43:06 关注:()

0 引言

  当今世界地源热泵的增长远远超出了地热直接利用和高温地热发电的发展速度,这是由于地源热泵节能减排的优势已经逐渐被认知和普及。地源热泵的平均能效系数(COP)为3.5,它消耗一份电能(如,1 kW)的同时,利用了2.5倍(即2.5 kW)的浅层地热能,总输出3.5 kWt热能,其额定容量(设计效率)是 (COP-1)/COP=0.71。最保守估计,节能效果达到30%。可以说,地源热泵是节能减排单项技术中效率最高的。

  1 世界地源热泵行业迅猛发展

  当今世界地源热泵的增长远远超出了地热直接利用和高温地热发电的发展速度,这是由于地源热泵节能减排的优势已被认知和普及。

  目前,世界地源热泵的应用主要集中在北美、欧洲和中国。在世界地热大会上,参加报告地源热泵利用的国家,从2000年的26国增加到2010年的43个国家。据2010年世界地热大会的统计数据,地源热泵的利用能量已达到214 782 TJ/a,与2005年世界地热大会的统计数据相比,5年内增长了2.45倍,平均年累进增长率达到了19.7%;地源热泵的设备容量为35 236 MWt,在5年间增长了2.29倍,平均年累进增长率为18.0%。

  按美国和西欧典型家用机组的平均容量12 kW计算,2010年世界累计装机294×104套,是2005年的2倍。实际使用的家用机组,有的小至5.5 kW,而商业和公用建筑的机组可大至150 kW甚至更高,中国生产的特大型单体机组已大于4 000 kW。

  据2010年世界地热大会的统计,截至2009年,世界地源热泵应用的排名序列前5位是美国、中国、瑞典、挪威、德国,具体情况见表1。

  表1 地源热泵应用世界排名前列国家的对比

  排名国家利用能量

  TJ/a热泵数量

  ×104利用温度

  ℃COP

  1美国47 400 100.0 5~253.5

  2中国29 035 2.114~363.0~3.8

  3瑞典22 50030.0 5~203.5

  4挪威16 40026.0 6~ 83.5

  5德国10 36817.8 8~123.5

  从表1可以看出,中国地源热泵行业有自身的特点:a)主要为大楼建筑服务,以大型热泵居多,因此,热泵总数少;b)利用温度偏高,其中,上限的36 ℃,是天津利用地热供暖尾水的温度取热再利用,除此之外,上限温度也在25 ℃,与其他国家基本持平,下限温度远高于世界先进国家。

  2 中国地源热泵行业呈快速增长

  21世纪以来,通过国际交流,跟随世界潮流,中国

  开始试验性地应用和引进地源热泵,并取得快速发展。

  中国最初的地源热泵工程应用,以北京起步最早,发展最快,2006年北京市地源热泵工程应用面积738×104 m2,居全中国之首,且以达300×104 m2至500×104 m2的速度增长。沈阳市后来居上,2007年跃居全中国第一,达到1 810×104 m2。且以新增地源热泵供暖面积1 500×104 m2/a以上的速度增长,2008年达到3 585×104 m2,2009年达到5 462×104 m2。2008年,沈阳市地源热泵供暖已占全部建筑供暖面积的18%,当年,沈阳市大气优良环境的天数达到330天,环保效益显著,2009年仍然保持了这样的环境效益。

  从整体上看,中国地源热泵工程应用每年的扩展面积越来越大,2007年增长了近1 800×104 m2,2008年增长了2 400×104 m2,2009年更增长了3 870×104 m2,中国地源热泵总利用面积已达1.007×108 m2,2010年已成为世界排名第二位。

  伴随地源热泵工程应用的快速增长,为适应市场急速膨胀的需求,中国地源热泵生产企业迅速发展。10年来,中国生产热泵机组的厂商由最初的几家,已发展至超过200家,分布在山东、北京、深圳、大连、杭州、苏州、广州等地。中国产品以水-水系统的大机组为主,主流是螺杆式压缩机+壳管式换热器,也有涡旋式压缩机+板式换热器或套管式换热器的模块式机组,大型机能达2 000 kW~3 000 kW制热(制冷)量,也有小型适应家庭使用的小于10 kW机,但以50 kW~2 000 kW为主要产品。除热泵主机外,热泵相关配件和PE管线等的生产厂家还有100多家。另外,国外知名品牌的热泵公司也陆续登陆中国,建立生产基地或合资企业,产品就地供应中国市场。同时,设计和施工队伍也迅速扩大。目前,中国该行业的设计和施工队伍超过10×104人。
 作为行业活跃的标志,中国各地每年多次召开地源热泵相关的展览会、研讨会,2010年中国地源热泵行业高层论坛参加者450多人,创行业大会人数的最高记录。可再生能源协会和资源综合利用协会的地源热泵专业委员会,以及中国能源研究会地热专业委员会都举办各类地源热泵培训班,每年至少20场,加快培养初级和中级技术人才;相关专业的大学毕业生和硕士生、博士生供不应求。

  更为重要的是,国家政府给与了政策和资金上的大力支持。一方面是政策性的支持,如《可再生能源法》、《节约能源法》中都对行业扶持有所规定,有具体给予补助的实施条例,还有中长期能源发展规划目标。另一方面是公益性的扶持,如,国土资源部布置各地开展浅层地热能的资源评价,划出地源热泵的适宜开发区和较适宜开发区,避免用户的风险损失。2010年国土资源部和天津市人民政府共同支持在天津试点,完成了天津市浅层地热能资源评价,包括地源热泵和水源热泵的适宜区和较适宜区的划分。现在,正接续开展典型示范工程建设,包括样板工程和相应的一系列地温和环境监测。让中国各地政府和工程用户更相信地源热泵项目的节能减排能力和环境效益,从而保障今后行业的健康发展。

  3 中国地源热泵应用存在的认识问题

  地源热泵利用的下限温度过高,是中国地源热泵行业发展的瓶颈。瑞典和挪威的许多地域在北纬60°,他们都可以成功地利用地源热泵,而中国在哈尔滨(北纬45°)却还不敢尝试用地源热泵供暖,这是因为业内有些人士担心会出现“冷热不平衡”的问题。

  其实,大地并不是1个封闭的“盒子”,越往地球中心,温度越高,地球表面的热量如果被取走,地心的热量就会逐渐补充过来,所以,地热是可再生能源。它并不是夏季“存”多少热量,冬季才能“取”多少,这种所谓的“平衡”是没有科学依据的。经过长期的监测,已经证明“冬夏不平衡”问题无须担忧。如,北京4个月120天供暖期内,在刚开始供暖时,地下温度降低很快,第一个月从15 ℃降低到9 ℃。但是,过了严寒期,随着热泵负荷逐渐减小,到了二月份,虽然还再供暖,但是地下温度已经开始上升。当4个月供暖期全部结束时,地下温度已经恢复了80%,剩下的20%在夏季完全能够得以恢复。

  由此可见,降低利用温度的下限,将是行业进一步发展的突破口。在项目开始时,一定要按照规范的要求作热响应实验,以此确定打多少孔,能取出多少热,并通过计算机模拟运行30年,核定一下应用效果。经过测试和模拟运行,就可以大胆地降低利用温度的下限,并取得理想的效果。

  4 2013年中国地源热泵应用将成为世界第一

  目前,中国地源热泵应用排名仅次于美国,居世界第二位。由于中国地源热泵应用的增长速度远远大于美国,根据2004年到2009年的统计数据,推测中国将在2013年超过美国,成为地源热泵利用的世界第一大国。与美国相比,中国实际差距可见表2。

  表2 中国和美国地源热泵的对比数字

  对比项目美 国中 国

  2009年地源热泵利用能量47 400 TJ 29 035 TJ

  2004年地源热泵利用能量22 214 TJ 6 569 TJ

  5年间的绝对增长25 186 TJ 22 466 TJ

  5年间的增长比率113% 442%

  5年间的平均年累进增长率14% 30%

  从表2看出,从2004年到2009年,中国地源热泵应用的年平均增长速率为30%,美国的年增长速率为14%,中国的年平均累进增长率比美国高出1倍多。按照此增长速率2010年世界地热大会进行预测,具体统计数字见表3。

  表 3 中国、美国地源热泵应用预测情况

  预测年份美 国中 国

  年累进增长率14%年累进增长率30%

  201054 036 TJ 37 745 TJ

  201161 601 TJ 49 069 TJ

  201270 225 TJ 63 790 TJ

  201380 057 TJ 82 927 TJ

  201491 265 TJ107 804 TJ

  据不完全统计,中国2010年地源热泵供暖应用已达1.5×108 m2,比2009年底的统计结果增长了约49%,若按此计算,则2010年中国的地源热泵利用的地热能量已达43 250 TJ,实际已经超过预测情况。

  由此推测,若以美国地源热泵利用为技术的话,当时预测,2012年,中国地源热泵利用情况仅为美国的0.80倍,2013年上升为0.80倍,2013年继续上升,超过美国,达1.03倍,2014年,成为1.18倍。预计2012年中国将成为世界地源热泵利用的第一大国。

  5 结语

  地源热泵是节能减排单项技术中效率最高的。由于中国政府的支持,地源热泵应用行业的奋斗,中国地源热泵的应用奖继续快速增长,肯定可以超过美国的目标,成为世界第一。

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