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清洁供热 | 地源热泵为什么越来越受欢迎?

2020-02-17 14:16:24 中国城市能源周刊   作者: 沈子玥 魏楚  

我国地热能资源非常丰富。相关数据显示,我国336个地级以上城市浅层地热能资源年可开采量折合标煤7亿吨,大部分土地面积适宜利用浅层地热能,可实现供暖制冷面积326亿平方米。但目前,7亿吨的年可开采量中资源利用量为1600万吨,开发度仅约2%,仍有巨大的潜能等待挖掘。

也正因此,近两年,随着技术进步,地源热泵作为一种兼具环保、节能与经济性的技术逐渐受到人们的重视和推广应用。在南方地区如湖南、湖北、安徽地区均已开展了成功的实践应用。

那么,地源热泵技术好在哪儿?主流的地源热泵技术有哪些?利用过程中需要注意哪些问题?

通常来说,地源热泵技术利用三种浅层地热资源进行供热或制冷,即土壤、地下水和地表水。由于浅层地面的土壤、水源通常一年四季保持较为恒定的温度,因此夏季可吸取冷量,冬季可吸取热量,再通过热泵机组输送到建筑物,一套系统便能同时达到制冷、制热的效果。

地源热泵用于城市供暖具有显著的优点。热泵的本质是一种热量提升装置,其本身在工作时只需消耗较少的电能,从环境中提取的热能却能达到其消耗电能的数倍,通过在浅层地表和室内转移能量实现调节温度的作用,因此是一种十分节能、经济的技术。

此外,该技术属于可再生能源技术,其利用的是地表浅层的地热资源,是地表土壤、地下水或河流吸取太阳辐射和地热能而形成的热能,可以说是取之不尽、用之不竭,拥有巨大的开发潜能。

地源热泵也具有显著的环境效益,在运行过程中没有燃烧,不产生大量排放和废弃物。虽然初次安装成本较高,但是地源热泵在后续使用过程中维护成本较低。整套系统中的机械运动部件较少,并且设备主要分布在地下、水下或者室内,而不需要暴露在空气中,能够避免恶劣天气造成的设备损耗。

地源热泵空调系统主要由三部分组成:室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。根据热能来源的不同,主要分为地埋管地源热泵、地表水地源热泵和地下水地源热泵。地埋管地源热泵是通过竖直或水平的土壤换热器,经由传热介质与岩土进行热交换的地源热泵系统,也称为土壤源热泵。

水平埋管方式适用于可利用地表面积大,浅层岩土的热物性受外界气候影响较小的区域。反之,则应该采用竖直埋管方式。土壤源热泵需要附近有足够打孔和埋管的区域,因此适用于别墅和容积率不太高的公共建筑和办公楼,并且需要具备适宜打孔的地质条件。因此建筑密度较大的小区和地质条件恶劣、地下岩层比较厚和硬的地方相对来说不适合于采用土壤源热泵。从经济性看,地源热泵系统往往需要较高的一次性投资费用。但后续能耗、维护费用较低,使用一定年限后,即可在经济性上超越传统的空调系统。

由于相应技术具有一定的特殊性和复杂性,因此在施工、设计方面,如果专业度不够则很容易出现问题。2004年住建部推出土壤源热泵资助示范项目,开启了该项技术的商业化推广应用。近十几年,该项技术的研究得到了国家的大力支持,相关的国家自然基金资助项目有十几项,相关的基础研究与应用研究在全国50多所高校开展,在换热模型系统模拟、适应性分析、参数响应等方面取得了大量研究成果,因此该技术基础的科学性问题已经不再是一个瓶颈,关键在于应用方面的推广。

湖南省发改委公布的《湖南省“十三五”地热能开发利用规划》,明确“十三五”规划期内,湖南14市开展42个地热能开发利用项目。长沙、株洲等绝大多数地级市浅层地温能开发利用规划均重点发展地埋管地源热泵项目。北京大兴国际机场、云南宁蒗泸沽湖机场、常州国际机场等诸多公共建筑也采用了地源热泵结合太阳能、水蓄能技术进行供热、制冷。据测算,大兴机场的地源热泵实现了250万平方米办公场地的供热和制冷,每年可减少碳排放1.58万吨以上,提高了建筑的环保、节能水平。

地表水地源热泵利用的是地球表面水源,如河流、湖泊中的热能资源,换热系统布置在水底,适合于临近水边的建筑物。此外,工业废水、经过处理的污水也可以作为热源。该技术利用了江水、海水稳定的温度,不需要钻孔、挖井,初投资相对较小,也无需占用土地。但是此方式的局限性在于需要建筑物附近有较大面积的水域。在水系丰富的湖北省,地表水地源热泵已经取得了一定规模的推广应用。

2020年1月,湖北省首个江水源可再生能源项目在武汉启动建设,总投资约6亿元,计划2021年达到供能条件。该项目位于武汉市核心地段中央公园绿地的地下,机房占地面积1万余平方米,建成后,可满足商务区内211万平方米建筑物的全年供暖制冷需求。据测算,相比于传统的空调系统,该项目综合节能率超过30%。专家表示,理论上沿江5公里内的建筑物都可以采用这种技术进行供暖制冷。湖南省首个大型水源热泵区域能源中心——滨江新城智慧能源项目,为滨江新城212万平方米区域的建筑提供集中供暖、供冷服务。

此外,长沙的部分小区也通过水源热泵系统提取湘江水热能实现了居民供暖。居民反映,100平方米的房子,安装燃气壁挂炉带地暖,24小时要用掉约20立方米的天然气,一个月采暖费约需1920元,而集中供暖包年1个月费用仅需500元,暖气24小时不间断。而在污水热泵应用方面,2008年奥运会的重要设施——45万平方米的奥运村即采用了城市污水热泵。国内最大污水源单体热泵供热项目为哈尔滨市新发小区及周边4个小区实现供暖,由于距离市政地下污水干渠距离较近,该污水源热泵替代了原有的4台20吨燃煤锅炉,供热面积66万平方米,热用户6600余户。地下水地源热泵则采用地下水作为低品位热源,需与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。适用于地下水资源丰富,当地资源管理部门允许开采地下水的地区。该方式适用于周围空地面积有限的建筑。但这种热泵技术的局限性在于需要具备适宜打井的条件,并且受到地下水源状况的影响。与埋管的方式相比,地下水地源热泵造价低、容量大,但是在地质环境方面造成的问题比较突出。

地下水是一种优质的淡水资源,也是国家的战略资源,使用地下水的过程中一旦出现问题,会带来较为严重的后果,因此各地对地下水的开采都采取谨慎的态度。地下水的水质处理以及回灌是该技术推广应用中的重点。当地下水不能直接被热泵利用时,需要进行除砂、沉淀,否则会导致系统效率降低或发生故障。

此外,利用地下水,还需要进行水源的回灌。操作不当会引起地下水位不平衡、地面沉降等问题。近年来,在该项技术推广应用过程中,有的地区出现了开采而不回灌的现象,不利于地热资源的可持续利用,受到了政府部门的严查。全国许多地区对地下水的开采管理也逐渐趋严,加强尾水回灌的要求,限制发展的政策增多。随着技术的不断进步和巨大的地热资源被开发,使得地源热泵成为了南方供暖以及北方供暖清洁替代过程中的一项重要技术。

在应用过程中,需要重点考虑水文地质条件是否适宜,因地制宜地发展地源热泵。在地下水开采利用规定较为灵活的地区,地下水地源热泵可以作为一个选择;在土壤条件适宜的区域,地埋管地源热泵具有很大的开发潜能,并且相对更适用于容积率低的建筑;而在水资源丰富的地区,江水、湖水及海水的周边数公里,可以很好地利用地表水地源热泵。此外,城市的污水热源也是一个灵活的选择。在现阶段城市发展供暖的过程中,地源热泵经过一段时间的探索,已取得了较大的进步,并且适应节能减排的大趋势。通过与其他可再生能源如太阳能合作发展,结合储热技术、智能电网技术,地源热泵将成为我国发展南方供暖以及城市清洁供暖的重要动力。

(作者供职于中国人民大学国家发展与战略研究院、应用经济学院)




责任编辑: 李颖

标签: 地源热泵 清洁供热 清洁能源