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地源热泵的发展及其优点
来源:地大热能 2014-03-19

  地源热泵实际上是一项非常古老的技术,四十年代便有应用,只是近五年来相关技术发展,使其迅速商业化。地源热泵的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中,20世纪50年代欧洲出现了利用地源热泵的第一次高潮。在此期间,Ingersoll和Plass根据Kelvin线源概念提出了地下埋管换热器的线热源理论,但当时由于能源价格低,系统造价高,没有得到广泛应用。70年代,石油危机把人们的注意力集中到节能、高效益使用能源,使地源热泵的发展进入了高潮阶段,此时地下埋管已由早期的金额管改为塑料管。这个时期欧洲建立了不少水平埋管换热器的地源热泵,但主要用于冬季供暖。80年代初开始,美国、加拿大开展了冷暖联供地源热泵方面的研究工作,不少文献报道了地源热泵不同形式地下埋管换热器的传热过程及模型,并有部分工程的运行总结和性能比较。

  美国能源部(DOE)和美国环境保护署(EPA)均已确认,地源热泵系统是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统。一方面它利用地下土壤或岩石的相对稳定温度使取暖和空调系统在全年都能维持高效运行,为地源热泵用户节省电费20-50%。

  从一些文献的计算结果可以看出,多区顶风系统、单区顶风系统、冷水变风系统和多区地源热泵系统的效率比分别为1.54kw/ton、1.40kw/tom、1.23kw/ton和0.88kw/ton,kw/ton表示千瓦耗电/吨制冷量。可见,与传统空调相比,地源热泵系统的效率比最好。

  另一方面,在同等条件下,采用了地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用,它的机械运动部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安装在室内,从而避免了室外的恶劣气候,其地下部分可保证50年,地上部分可保证30年,因此地源热泵是免维护空调,节省了维护费用,使用户的投资在三年左右即可回收。对林肯城和内布拉斯加这两处地方和20所学校进行了有关空调系统维护费用的调查。这20所学校采用了4种不同的供冷方式:地源热泵系统(GHP)、带有热水锅炉的空气冷却器(ACC/GHWB)、带有热水锅炉的水冷却器(WCC/GHWB)、带有蒸汽锅炉的水冷却器(WCC/GSB)。。

  在亚特兰大市,对每户家庭采用空冷热泵系统每年的费用是826美元,采用普通空调系统的费用686美元,采用地源热泵系统的费用是397美元。可见,地源热泵系统的运行费用相对于其它空调系统来说是相当低的。

  更重要的一点是,地源热泵系统所使用的制冷剂在工厂里注入并被完全密封,使用过程中绝无泄漏,用户任何时候均不必添补制冷剂,因而减少了对臭氧层的破坏。该系统可用于不同结构、不同面积的居民建筑上,可在新建筑施工时安装,也可用于旧建筑的改造,其在设计中的弹性使得它成为一个非常吸引人的空调选择。地源热泵在去湿方面有特别的长处,因而非常适合于夏季炎热而潮湿的气候,如果在空气配送装置上加上空调器,地源热泵在这一点上的特点将更加突出,因此若要达到室内空气质量标准,地源热泵系统也是一个非常好的选择。

  地源热泵正是有以上优势、政府办公楼、公寓和餐馆等等。根据民用美国阿可拉荷马州电力公司在红河谷所作的用户调查:如果要1分至10分之内打分,99%的地源热泵空调用户对其在夏天的制冷能力打8分以上,73%的用户打了满分10分。

  让土壤储能

  地热水用于农业生产减少了燃煤使用量

  新年的第一场雪,使本市的室外温度骤然下降。而鑫茂新能源、新材料产业基地的生产车间内却温暖如春,墙上挂着的温度计清晰地显示室内温度23℃。“我们这儿取暖,既不烧煤、也不用气,更不用传统的空调,你能猜得到用什么吗?”见到记者,鑫茂基地的李德春先卖了个关子,然后轻轻跺了跺脚,“就是我们脚下这片土地,它不仅能够取暖,还能够制冷,被我们形象地称为‘地热空调’。”

  李德春口中的“地热空调”准确的称谓是“地源热泵”,它是一种新型的中央空调系统,不燃油、不燃气、不燃煤。据其技术提供商——天津锋尚机电有限公司总经理余为峰介绍,地表浅层土壤的温度一年四季相对稳定,与空气温差一般为17℃左右,地下土壤温度是真正的冬暖夏凉。根据这一特性,在冬季,通过一定的设备和技术把地层中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内用户取暖,反之,到了夏季则可达到制冷目的。

  作为一个建筑面积35万平方米的工业基地,取暖、制冷是一笔不小的开支。鑫茂新能源、新材料基地曾经请有关技术人员算过一笔账,以单体7000平方米的供热面积计算,采取较为普遍的冬季市政供暖、夏季螺杆机制冷的方式,前期硬件投入为255万元,年运行成本为35.7万元,而鑫茂35万平方米面积,仅一年运行成本就超过了1600万元。

  巨大的成本让鑫茂不得不放弃传统的取暖、制冷方式,转而采用地源热泵。浅层土壤中蕴藏的地热能分布广泛、可循环再生、储量巨大,取用成本较为低廉,更重要的它是一种清洁能源。经过一年的运行,李德春感到了地源热泵诸多方面的优势,最直接的效益是地源热泵运行成本低,节能减排并不意味着高投入,它与生产成本的降低紧密相连。还是以单体7000平方米供热、制冷面积计算,地源热泵的硬件投入是196万元,运行成本为21万元,一年下来整个基地35万平方米也不过1000万元,一下子节约600万元。可减少二氧化碳排放750吨,“可别小瞧这套系统,这相当于一年多种了1200棵树啊”。

  不仅在鑫茂,地源热泵系统在本市不少企业、工业园区、学校和居住区内都开始推广使用。本市从2008年开始,被列入全国三个地源热泵空调系统试点城市之一。目前天津港保税区内利用地源热泵取暖的建筑面积已达80余万平方米,约占整个保税区建筑总面积的16%,全年可节约煤炭约12000吨,减少二氧化碳排放28000吨,处于全国领先水平。天津公馆采用原生污水源热泵空调系统,实现了冷暖及生活热水三联供,通过封闭管内的污水把土壤热量传导出来,将污水“变废为宝”,被国家住房与城乡建设部和财政部确定为可再生能源建筑应用示范项目。据测算,热泵供热比燃煤供热节煤40%左右。每利用1吨污水,相当于可少燃煤2公斤,天津公馆每年利用污水40万吨,年节省标煤800吨左右,减排二氧化碳2400吨。 (本文来源:天津日报 )

  供暖模式

  供暖是当前社会上最大的民生问题,寒冷考验着政府的行政能力。对于城市边缘地区和农村来说,即便是安装了城市供暖管网,由于供暖距离所造成的能源损耗也是相当巨大的。那么,如何探寻一种“低碳时代”下的供暖模式呢?委员刘春堂建议,采用地源热泵,循环使用相对恒温的地下水这种“绿色空调”来采暖,以此实现节能减排。

  调查:供热管道热损失严重

  热损严重,造成浪费。刘春堂告诉记者,供暖出现问题最多的就是那些小锅炉供暖的老房子,“这些老房子楼道存在很多问题,供热管道热损失严重。”,刘春堂通过调查发现,弃管小区和老房子的楼道,有的窗户不全,有的是木头的楼道门,有的甚至没有楼道门,由于很多供暖管道裸露在外面,造成热还没有进入居民家,就从楼道里损失了很大一部分。

  优势:地热采暖无污染

  “这个‘地热’,其实就是地源热泵采暖。”刘春堂说,地源热泵是一种利用地下浅层地热资源,既可供热又可制冷的高效节能的空调系统,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。“地热”采暖的一大好处就是环保,没有氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放,无污染。目前,“地热”采暖在北京等地已有尝试,效果不错。

  现状:地热在农村发展并不理想

  “地源热泵技术因其绿色环保、节能清洁、控制设备简单等优点被越来越多的人认可。但实际上,地源热泵技术在我国农村的发展十分不理想。”刘春堂说,我市农村居民家庭能源消费基本上完成由初级能源向商品能源的转化。

  刘春堂在调查中发现,北京周边农村家庭平均年用煤2.9吨,用电920kW/h,液化气3~4罐。在家庭总能源消费中,煤炭占74%,电力占13%,液化气占8%,秸秆等生物质能源仅占5%。农村居民家庭能源消费2.9吨煤中用于采暖的达到2.3吨,比例接近80%。按照热量折算,家庭能源消费中的60%左右用于冬季采暖,78%的家庭认为采暖负担重。大连周边农村的能源消费情况和北京情况基本一样。

  针对地热在农村推广中所遇到的问题,刘春堂说,主要是地源热泵系统的初投资较高,单体型住宅单平方米造价通常都在350~400元左右,集中型楼房住宅单平方米造价通常都在150~200元左右,造成了农村居民使用不起的局面;同时,农村建筑物的保温措施普遍不好,造成热损失较大,继而造成采暖负荷大和运行费用的偏高;此外,由于目前水、地源热泵系统大都用于公共建筑当中,因而系统的使用都有专业技术人员参与。而当普通居民家庭使用,尤其是农村家庭使用时,难免会造成使用操作上的失误,严重时会导致系统的损坏。

  建议:按供热面积给予居民补助

  刘春堂告诉记者,要解决问题,就应该成立专业机构或责成专业部门对在我市农村及城市边缘地区推行地能源技术进行统一规划研究,拿出实施计划、方案和政策。或拿出一定的区域、地块进行示范;对在城市边缘地区开发项目或农村宅基地改造项目中使用地能源和新能源技术的开发单位,给予地价、配套方面的优惠;同时居民采暖费不变;对我市农村在宅基地和温室大棚使用地源热泵的农户,按投入金额或供热面积比照家电下乡政策,给予一定的补助。

  此外,由于农村用户采暖使用的时段大都在夜间,因此,希望政府有关部门能够考虑出台给予农村用户以和城市用电采暖用户一样的峰谷电价政策。并对实施地能源和新能源技术的设计、经销、施工单位给予相应的优惠和鼓励政策。

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