地源熱泵的工作原理

不久前，北京大興國際機(jī)場地源熱泵工程1號能源站開始啟用，實現(xiàn)為大興機(jī)場熱源中心和空防安保中心供冷。這標(biāo)志著目前中國國內(nèi)最大的多能互補(bǔ)地源熱泵系統(tǒng)工程啟動供冷運行，也是大興機(jī)場啟用的首個區(qū)域制冷設(shè)施。

根據(jù)測算，大興機(jī)場地源熱泵系統(tǒng)每年能提取淺層地?zé)崮?6.36萬吉焦，實現(xiàn)大興機(jī)場公共區(qū)域近250萬平方米辦公場地的供熱和制冷，節(jié)省天然氣1735.89立方米，相當(dāng)于21078噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少碳排放1.58萬噸以上。

當(dāng)前，地源熱泵逐漸成為建筑能源的首選解決方案，《中國科學(xué)報》近日在北京召開的“華清榮益·第十一屆中國國際地源熱泵行業(yè)高層論壇”上了解到，合理地用高效的地源熱泵技術(shù)給建筑供暖制冷，碳排放或能效都將優(yōu)于其他形式，將對建筑節(jié)能具有重要意義。

已走在世界前列

地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的裝置。記者從會上獲悉，我國地源熱泵裝機(jī)容量已連續(xù)多年位列世界第一，地源熱泵產(chǎn)業(yè)從研發(fā)到應(yīng)用都已走在世界前列。

“隨著地源熱泵產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，我國在國際地?zé)衢_發(fā)利用領(lǐng)域的話語權(quán)正日益提升。”中國工程院院士曹耀峰給出一組數(shù)據(jù)——到2017年底，我國地源熱泵裝機(jī)容量達(dá)2萬兆瓦，年利用淺層地?zé)崮苷酆?900多萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，實現(xiàn)供暖(制冷)建筑面積超過5億平方米。

中國地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長、地源熱泵雜志社主編方肇洪指出，從開始向歐美國家學(xué)習(xí)模仿，到現(xiàn)在有一些自主的創(chuàng)新，中國僅用了20多年時間就進(jìn)入到地源熱泵快速發(fā)展的階段。2015年中國地?zé)岬睦昧?、地源熱泵裝機(jī)容量、利用的能量就占據(jù)世界第一的位置。

實際上，上世紀(jì)80年代，我國一些高校和科研機(jī)構(gòu)就開始對地源熱泵技術(shù)進(jìn)行專題研究，并派學(xué)者前往美國、瑞典、德國等地學(xué)習(xí)考察。1995年，我國北方部分地區(qū)試點應(yīng)用地源熱泵技術(shù)進(jìn)行工業(yè)和民用建筑的冬季供暖、夏季供冷。21世紀(jì)以來，地源熱泵得到大面積推廣應(yīng)用，中國地源熱泵產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出高速發(fā)展態(tài)勢。

之所以能夠在短時間內(nèi)從跟跑到領(lǐng)跑，在方肇洪看來，主要得益于三方面的原因，一是地源熱泵技術(shù)更加重視環(huán)境保護(hù)，適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的新趨勢;二是政府對地源熱泵產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策支持;三是聯(lián)盟凝聚行業(yè)力量，形成合力促進(jìn)了應(yīng)用推廣。

據(jù)了解，目前我國地源熱泵從業(yè)企業(yè)已從最初的寥寥數(shù)家增加到數(shù)千家，應(yīng)用地域已從北京、沈陽等試點城市擴(kuò)大到天津、河北、遼寧、江蘇、上海等省市。從裝機(jī)容量看，全國地源熱泵已從1995年的0.8兆瓦上升到2017年的2萬兆瓦，增長2.5萬倍;從裝機(jī)容量占全球總量的比重看，已從1995年的0.04%上升到2015年的23.61%，預(yù)計到2020年，這一比例將進(jìn)一步上升到50%左右。

為綠色建筑注入動力

近年來，地源熱泵技術(shù)對建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)尤為突出。“綠色建筑的根本問題是解決能源和環(huán)境問題，可持續(xù)性是綠色建筑的終極目標(biāo)。”當(dāng)代置業(yè)集團(tuán)副總裁兼首席技術(shù)官陳音表示，“建筑用能70%以上是以熱能的形式出現(xiàn)，如果能夠合理地用高效的地源熱泵給建筑供暖，熱泵對建筑的節(jié)能將具有重要意義。”

中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院院長徐偉認(rèn)為，“熱泵+蓄能供熱”技術(shù)為供暖系統(tǒng)供給側(cè)靈活性提供了技術(shù)支持，同時可實現(xiàn)清潔供暖和緩解電力負(fù)荷峰谷差的“雙贏”。他表示，電力熱泵應(yīng)用在清潔取暖中大有可為，可將熱泵的優(yōu)勢與蓄能模塊有效組合，構(gòu)建適用于未來建筑的智慧能源采暖供冷系統(tǒng)。

地?zé)崮苁且环N可再生能源，在使用過程中，隨時可以再生被利用，并且在使用中不產(chǎn)生任何廢棄物，而地源熱泵機(jī)組運行時，不消耗水，也不污染水，不需要鍋爐、不需要冷卻塔，也不需要堆放燃料廢物的場地，環(huán)保效益顯著。

據(jù)測算，16萬平方米的采暖系統(tǒng)如果采用“地源熱泵+冰蓄能”技術(shù)，每個采暖季可以從地下土壤中吸取約1200萬千瓦時的熱量，折合標(biāo)煤1500噸，可減排二氧化碳1320噸，二氧化硫、氮氧化合物70噸，粉塵15噸。

作為一家深耕綠色建筑多年的房企，當(dāng)代置業(yè)以地源熱泵作為建筑節(jié)能的首選解決方案。陳音表示，地源熱泵集中供暖(制冷)具有一定的能效優(yōu)勢，由于地下溫度場穩(wěn)定，地源熱泵機(jī)組有更高的能效比，另外，低溫輻射末端系統(tǒng)(小溫差傳熱)的應(yīng)用還可以降低冷凝壓力，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能效。他還表示，由于地下巖土的蓄能作用，在季節(jié)轉(zhuǎn)換時還可以得到免費的能源。

另外，地源熱泵還可以大幅降低空調(diào)能耗。經(jīng)行業(yè)專業(yè)人士測量得知，地表溫度一年四季保持在較適宜的10℃~20℃范圍內(nèi)，在溫度較恒定的情況下，其全年的制冷量與制熱量輸出(能力)比較穩(wěn)定，沒有“逆反”效應(yīng)，空調(diào)系統(tǒng)運行時使用的能耗將大大降低。

中國石化新星石油公司地?zé)衢_發(fā)專家周總瑛教授介紹說，雄安新區(qū)將建設(shè)多能互補(bǔ)的清潔能源供應(yīng)系統(tǒng)，采用“地?zé)?”功能模式，中深層地?zé)峁釣榛A(chǔ)熱源，淺層地源熱泵、再生水余熱、垃圾發(fā)電余熱作為輔助熱源，燃?xì)忮仩t作為補(bǔ)充熱源和供熱安全保障。

另外，與會人員表示，通過對地源熱泵技術(shù)、地?zé)崽菁壚眉夹g(shù)、余熱利用技術(shù)的不斷創(chuàng)新和綜合運用，可為建筑供暖提供更多有針對性和時效性的解決方案。

“大干快”下問題顯現(xiàn)

近年來，我國地源熱泵行業(yè)發(fā)展迅速，各地都相應(yīng)推出產(chǎn)業(yè)支持政策。不過，在“大干快”的發(fā)展勢頭上，也出現(xiàn)了一些問題。

曹耀峰坦言，地源熱泵產(chǎn)品的同質(zhì)化競爭、監(jiān)管不嚴(yán)、標(biāo)準(zhǔn)雖然已經(jīng)啟動但是總體上還是滯后的、人才培養(yǎng)跟不上現(xiàn)在發(fā)展的形勢等，這些都制約了行業(yè)的健康發(fā)展。

他還表示，如何規(guī)范、如何管理，都需要與業(yè)內(nèi)的專家、企業(yè)、科研院所、高等院校等機(jī)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)編制、產(chǎn)品購銷、技術(shù)服務(wù)、人才培養(yǎng)方面更多地合作和交流，以共同推進(jìn)地?zé)嵝袠I(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

另外，“地源熱泵系統(tǒng)能否長期穩(wěn)定運行仍然是一個有爭議的問題。”陳音說，“地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運行有賴于地下溫度場變化的準(zhǔn)確檢測，國內(nèi)房地產(chǎn)項目大多欠缺有效手段去解決這個問題，未來還需要不斷改進(jìn)和完善。”

中國地質(zhì)調(diào)查局淺層地溫能研究與推廣中心主任、北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局能源處處長李寧波表示，發(fā)展地?zé)崮芤虻刂埔恕⒁驎r制宜、因事制宜。農(nóng)村煤改、城市舊改、新建區(qū)域，從應(yīng)用的場景上更復(fù)雜、更難，因此需要攻堅克難，投入更多的研發(fā)力度。

國家能源局能源行業(yè)地?zé)崮軐I(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會秘書處首席專家趙豐年則指出，為了實現(xiàn)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開發(fā)和利用，還有必要制定全行業(yè)統(tǒng)一的《地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)導(dǎo)則》，保證在導(dǎo)則指導(dǎo)下開發(fā)地?zé)崮?，推動我國地?zé)崮芨哔|(zhì)量發(fā)展。