地源热泵技术现状及发展趋势

摘要：本文分析了我国地源热泵技术发展的背景，给出了地源热泵系统的分类及特点，并通过对目前我国地源热泵的发展状况进行调查，得出了地源热泵技术的经济性分析并预测了此技术在未来发展中存在的障碍、市场潜力和发展趋势。
关键词：地源热泵；市场；发展趋势


一、中国地源热泵发展的背景
　　发展地源热泵系统是我国建筑节能发展的需要。目前，建筑用能已占全国总能耗的。因此，抓紧建筑节能，以较少的能源投入实现经济增长目标，对于我国经济社会的可持续发展，是一项十分迫切的任务。地源热泵系统和常规的供热空调系统相比大约节能50%，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。
　　发展地源热泵系统是确保我国能源结构调整的需要。基于我国的基本国情和经济状况，长期以来我国一直以煤采暖为主，北方地区污染严重、能源利用效率低，发展地源热泵技术是减少环境污染、确保能源安全的重要保障。
　　发展地源热泵系统是运用可再生能源的重要技术手段。目前，用可再生能源逐步替代常规能源是一个世界趋势，随着我国《可再生能源法》的颁布，大力加快发展可再生能源是落实国家提出的“建设节约型社会，发展循环经济”方针的主要手段之一。地源热泵供暖空调系统通过吸收大地的能量，再由热泵机组向建筑物供冷供热，可广泛应用于商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、学校、医院等建筑物，是可再生能源在建筑中应用的重要组成部分。发展地源热泵在中国有广泛的地域要求。中国国土面积巨大，从北到南可划分为五个主要气候区，其中对冷热量都有需求的地区占绝大部分同时中国浅层地表能量蕴藏丰富，适宜大力发展地源热泵供暖空调系统。
　　发展地源热泵系统是中国HVAC行业的技术发展方向。在中国某些地区，既没有燃煤也没有天然气可以供热，发展地源热泵供暖空调系统是经济发展的需要，也是市场发展的必然趋势。
二、地源热泵系统的分类及特点
　　1.地源热泵的定义
　　《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）规定地源热泵系统以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
　　2地源热泵的分类及特点
　　（1）地埋管地源热泵系统
　　地埋管地源热泵系统包括一个土壤祸合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。不同的管沟或竖井中的热交换器并联连接，再通过不同的集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接，它通过循环液水或以水为主要成分的防冻液在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。其优点是系统不受地下水量的影响，对地下水没有破坏或污染作用，系统运行具有高度的可靠性和稳定性。它的主要缺点是由于管壁传热温差的存在，机组冬季地源侧水温低于地下水式系统5~10℃，机组夏季地源侧水温高于地下水式系统10~15℃，机组运行条件相对较差，降低了运行效率埋地换热器受土壤性质影响较大连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动土壤导热系数小而使埋地换热器的持续吸热速率小，导致埋地换热器的面积较大等。
　　（2）地下水地源热泵系统
　　地下水地源热泵系统分为两种，一种通常被称为开式系统，另一种则为闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地下水直接供应到每台热泵机组，之后将井水回灌地下，由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。在闭式地下水地源热泵系统中，地下水和建筑内循环水之间是用板式换热器分开的，系统包括带潜水泵的取水井和回灌井，地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。
　　它的优点是系统简便易行，综合造价低，水井占地面积小，可以满足大面积建筑物的供暖空调的要求。缺点是地下水热泵系统需要有丰富、稳定、优质的地下水此外，即使能够全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。
　　（3）地表水地源热泵系统
　　地表水地源热泵系统，由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。地表水地源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。
　　它的优点是系统简便易行，初投资较低。缺点是地表水地源热泵系统也受到自然条件的限制此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，环境温度越低热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需要根据具体情况进行计算这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。
　　总体来说，所有地源热泵系统都有着突出的技术优点高效、节能、环保、无污染，地源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉或增加辅助加热器，没有氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放，因而无污染由于是分散供暖，大大提高了城市能源安全运行和维护费用低，简单的系统组成，使得地源热泵系统无需专人看管，也无需经常维护简单的控制设备，运行灵活，系统可靠性强节省占地空间，没有冷却塔和其它室外设备，节省了空间和地皮，并改善了建筑物的外部形象较长的使用寿命，通常机组寿命均在巧年以上供暖空调的同时，可提供生活热水。
三、国内地源热泵系统的发展
　　在我国，地源热泵的研究起始于20世纪80年代，最近年该项技术成了国内建筑节能及暖通空调界的热门研究课题，并开始大量应用于工程实践，与此相关的热泵产品应运而生，掀起了一股“地热空调”热潮。在工程应用方面，地下水地源热泵系统数量最多，应用范围最广，主要采用“异井抽灌”、“单井抽灌”技术，最大单项工程建筑面积已达16万m2，土壤源地源热泵发展最快，应用潜力最大，最大单项工程建筑面积已达13万m2，地表水地源热泵系统在城市级示范工程中单体规模最大。1996年至今在北京、山东、河南、辽宁、河北、江苏、浙江、湖北、上海和西藏等地相继建成了地源热泵工程，应用范围基本覆盖了我国所有省份。仅以北京市为例，2000年利用浅层地能的面积仅为17万m2，2005年初达到500万m2，2005年新增浅层地能的建筑面积达到300万m2，至此，仅北京市浅层地能利用面积达800万m2，全国地源热泵系统的应用面积已经接近3000万m2。其中，地下水地源热泵系统应用面积约占全部市场份额的45%，土壤源地源热泵系统约占35%，地表水地源热泵系统约占20%。目前全国在建地源热泵项目约为500万m2，规划使用地源热泵系统的建筑面积约为700万m2，其中北京、大连、重庆、南京、上海、成都、青岛麦城、呼和浩特政府新区等地的项目都进入了建设部和财政部拟订共同支持的“十一五”节能与可再生能源科技市级示范项目。
　　中国地源热泵产品的生产厂家已经超过80家，大部分集中在山东、北京、广东、上海、大连等地区。《地源热泵系统应用情况调查研究分析报告》调查结果显示参与调查的25个企业中，民营企业5个，股份制企业5个，外商独资企业5个，中外合资2个，其他有限责任公司性质企业8个。说明地源热泵这一新兴技术受到广泛关注，不同所有制形式的企业都参与到其开发、应用之中这些企业的规模从100万至数亿元不等，其中注册资本在1亿元以上的占25%，5000万元~1亿元的占12.5%，3000万元~5000万元的为25%，3000万元以下的有37.5%。可见还是以中、小企业居多，说明地源热泵行业目前正处于起步阶段：从现有工程空调供热制冷面积来看，面积在50000m2以上的项目约占16%，在10000m2~50000m2的约占42%，10000m2以下的约42%；占从项目投资来看，1000万元以上的项目占17%，500万~1000万元的项目占21%，500万元以下的项目62%，可见中小项目居多，地源热泵发展潜力巨大。
　　整体来说，地源热泵在我国长江黄河流域、东北、西北、华北等广大对冷热都有需求的地区，具有较高的适用性，对南方部分只有夏季冷量需求而无冬季热量需求的地区也有一定的适用性，对于那些由于条件限制而不能用煤、电、燃气进行采暖供冷的地区可以说是最佳选择。
四、地源热泵的经济性分析
　　地源热泵系统价格差别主要来自于系统使用的地区不同、建筑围护结构节能水平差别、项目类别和功能差别。根据现有实际工程测算，如采用地下水式地源热泵系统，系统初投资约为250~420元/m2，其中冷热源部分投资约150~220元/m2；如采取土壤源地源热泵系统，初投资约300~480元/m2，其中冷热源部分投资约为200~270元/m2。和目前常规单一供暖方式相比，燃煤锅炉房供暖系统投资约150~200元/m2，燃气分散锅炉房供暖系统投资约100~150元/m2，热电联产集中供热系统投资约200元/m2（包括增容费），地源热泵系统初投资高，但地源热泵系统提供供暖空调、生活热水多重功能，而传统集中供热基本为单一供暖功能，不可完全类比。
　　采用地源热泵系统作为楼宇空调系统，其运行费用可大大降低。用地源热泵系统供暖时，根据不同的地域、气候、资源、环境，其运行费用可比传统中央空调系统降低25%~50%，如北京市11个不同类型建筑地源热泵项目2003~2004年冬季运行费用调查结果表明，7项工程低于燃煤集中供热的采暖价格（18.5元/m2），所有被调查项目均低于燃油、燃气和电锅炉供暖价格用地源热泵系统制冷时，其运行费用可比传统中央空调系统降低15%~30%。
　　折算到一次能源，以能源利用系统总能效进行比较，现有地下水热泵系统供热总能效最高，约为115%，土壤源热泵系统供热总能效约为100%，燃煤集中锅炉房供热总能效为55%左右，燃气集中锅炉房供热总能效为65%左右，热电厂供热总能效约为70%。
　　地源热泵系统其静态投资增量回收期约4~10年不等。如北京菊儿胡同小区地下水地源热泵供暖代替燃煤锅炉房供暖，初投资与燃气锅炉房相比增加约51元/m2，，每平米供暖折15kg标准煤，与原燃煤锅炉房供暖能耗25kg标准煤/m2相比节能40%，静态经济效益回收期约为6年。
　　伴随着地源热泵技术逐渐推广应用，政府补贴的逐步完善，产业化规模的不断加大，生产厂家和集成商的逐渐增多，市场竞争逐渐加剧，地源热泵系统的初投资还会进一步降低，地源热泵系统成本应具有50~100元/m2左右的降价空间。
五、中国地源热泵发展存在的障碍
　　1.政府政策支持与财政补贴稍显薄弱
地源热泵是一项节能环保的技术体系，但目前来讲在房地产应用推广中投资还是相对较高，开发商不愿意在自己的系统中使用这种技术，政府在政策上的支持力度还是稍显单薄，鼓励与补贴政策也还不很明确。建议应象国外机构一样对此类系统设立专项基金给予支持。地源热泵的市场需要政府从可持续发展的角度，综合能源、环保和资源等各个方面的考虑，调整政策，促使其健康有序的发展。
　　2.对地源热泵系统研发还不够深入
　　地源热泵作为一种新的科学技术，目前在国家标准规范、宣传材料、系统图集方面还有所欠缺，同时在科研上还有一些问题没有取得突破，比如土壤源地源热泵系统的地下温度场的计算方法不统一海水源地源热泵系统海水取水口的设置地下水地源热泵的地下管井的设计与施工、水源的探测开采、供水过滤、水质防腐处理、取水回灌的成套技术等问题都还没有较好的解决方法对于已经完成并且运行的地源热泵系统，对其能效性能缺乏正确的评估体系也是影响其正常发展的原因之一。
　　“十一五”国家科技支撑计划项目中对地源热泵系统拟解决的问题有地下水地源热泵采用抽水和回灌方式对地下生态环境的影响地下水地源热泵的成井技术和取水技术与回灌技术，维护与保养技术，取水温度的计算方法研究采用土壤源地源热泵的地下水文地质条件不同的布孔密度对应的不同综合传热系数的计算方法地源热泵系统的评估指标体系污水、海水源地源热泵的取水设备开发，污水换热技术及专用换热器开发等。
　　3.国内地源热泵产品生产商的产品型号不全，可靠性不高
　　目前国内生产水一水热泵的厂家已经超过20个，但是产品的性能和质量令人担忧。大部水一水热泵产品未进行正确、严格的设计计算，也未经过权威机构的检测，因此产品的性能与产品样本差异较大，导致工程失败的例子屡见不鲜。国产水一水热泵的质量巫待提高，产品规格、型号、性能参数各异，难以评价。且目前国内用于地源热泵系统的产品规格型号较少，难以满足工程的需要。
　　4.缺乏必要的宣传推广活动
　　已经成熟的技术没有得到及时广泛的推广和普及，也给此项技术的应用造成了一些障碍。地源热泵工程设计作为一项技术含量较高的技术，目前仅掌握在少数科研单位手中，各大设计院的设计人员还没有完全掌握。地源热泵的推广应用，目前缺乏各个专业、各个领域人们的共同配合，缺少从政府政策、主机设计制造、系统的设计和运行管理等各个方面的共同参与。
六、中国地源热泵的市场潜力和发展趋势
　　目前，我国城乡既有建筑总面积约400亿m2，其中城镇约为160亿m2，在城镇中居住建筑面积约为105亿m2，其中能达到建筑节能标准的仅占5%，其余95%都是未来需要陆续进行节能改造的高能耗建筑同时，我国每年新增房屋建筑面积约20亿m2，预计到2020年底，我国新增的房屋面积将近300亿m2，新增城镇民用建筑面积将为100~150亿m2。随着人民生活水平提高，我国采暖线也将逐步南移，采暖面积会逐步增大，新建建筑将有70亿m2以上需要供暖。
　　据专家测算，目前我国发电装机容量为5.08亿KW，百米内地下水每年可采集的低温能量约为2.2×108KW，相当于其43%，近百米内的土壤每年可采集的低温能量相当于1.5×1012KW，，则是其2950倍，浅层地能的应用仍然有相当大的市场发展空间，如果全国每年在1亿m2建筑中推广应用地源热泵系统供暖空调，则每个采暖季可替代374万吨左右标煤，或25亿m2左右天然气，削减约6.4万吨氮氧化物、933万吨二氧化碳约16万吨颗粒物的排放。
　　基于此种情况，建设部提出，在“十一五”期间，推广浅层地能使其使用面积达到2.4亿m2。同时，北京市发改委表示，北京将继续大力推广浅层地能，作为现行供暖的替代能源。今后凡政府投资的项目如政府机构、医院、学校等公共建筑，有条件的要优先使用浅层地能。预计到2010年，北京市将有2000万m2的建筑采用浅层地能来供暖。
　　为了顺应国家大力发展可再生能源的号召，当前政府、技术研究、工程设计与安装以及设备制造商等部门应共同努力做好以下几方面工作建议国家建立专项基金，鼓励地源热泵的推广应用调查现有的地源热泵工程，总结经验收集现有的用于地源热泵的全国水文地质资料，建立基本资料库建立专业的地源热泵用管井设计和施工队伍，完善地埋管换热器的安装和施工队伍，适当时候建立专项设计施工资质管理制度开展国家级和城市级的地源热泵海水源、污水源、余热热源工程示范，以得到正确可靠的技术数据，指导工程设计、安装和运行，然后开发适合国情、因地制宜的地源热泵机组，完善产品系列和规格加强政府对地源热泵工程的质量监管，防止一哄而起，杜绝假冒伪劣，保证地源热泵在建筑中应用中健康发展开发地源热泵和其它能源互相补充的技术体系，拓宽其发展方向。