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地源熱泵在國內的發展及應用

地源熱泵技術自引進中國,從2004年開始得以迅速發展,年增長率超過30%,應用技術類型包括:地下水源熱泵、地埋管地源熱泵、地表水地源熱泵(污水源、江、河、湖、海水源等),用來解決建筑供暖、供冷和生活熱水需求。
根據住房城鄉建設部于2017年發布的《關于2016年建筑節能與綠色建筑工作進展專項檢查情況的通報》,截止2016年底,淺層地溫能應用建筑達到4.78億平方米。根據住房城鄉建設部于2017年發布的《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》,在深入推進可再生能源建筑應用中提到:實施可再生能源清潔供暖工程,利用太陽能、空氣熱能、地熱能等解決建筑供暖需求。在末端用能負荷滿足要求的情況下,因地制宜建設區域可再生能源站。提高淺層地熱能建筑應用水平,因地制宜推廣使用各類熱泵系統,滿足建筑供暖制冷及生活熱水需求。提高淺層地能設計和運營水平,充分考慮應用資源條件和淺層地能應用的冬夏平衡,合理匹配機組。鼓勵以能源托管或合同能源管理等方式管理運營能源站,提高運行效率。全國城鎮新增淺層地熱能建筑應用面積2億平方米以上。總之而言。地源熱泵在我國的發展可以分為四個階段:
(1)起步階段(20世紀80年代~21世紀初)
從1978年開始,中國制冷學會第二專業委員會連續主辦全國余熱制冷與熱泵學術會議。自20世紀90年代起,中國建筑學會暖通空調委員會、中國制冷學會第五專業委員會主辦的全國暖通空調制冷學術年會上專門增設了有關熱泵的專項研討,地源熱泵概念逐漸出現在我國科研工作者的視野里并得到逐步重視。2002年又于北京組織召開了世界第七次熱泵大會。可以看出,我國對熱泵技術的研究起步較早。
這個階段,地源熱泵概念開始在暖通空調技術界人士中擴散,相關的設計人員、施工人員、集成商、產品生產商等也逐漸被這個概念說吸引,但整體看來,這一時期地源熱泵技術還沒有被市場所接受,專業技術人員對該技術普遍不了解,相關地源熱泵機組和關鍵配件不齊全、不完善,造成這一階段地源熱泵系統發展規模不大,進展速度不快,所以將這個階段稱為我國地源熱泵的起步階段。
(2)推廣階段(21世紀初~2004年)
進入21世紀后,地源熱泵在中國的應用越來越廣泛,截止2004年底,我國制造水源熱泵機組的廠家和系統集成商有80余家,地源熱泵系統在我國各個地區均有應用。
這個階段相關科學研究也極其活躍。2000~2003年,年平均專利71項,為1989~1999年平均專利的5倍,有關熱泵的文獻數量劇增,相關高校的碩士、博士論文也不斷增多,屢創新高。2001年,由中國建筑科學研究院翻譯的《地源熱泵工程技術指南》為我國廣大地源熱泵工作者普及了相關工程技術的概念和標準化做法,為我國地源熱泵從業相關技術人員提供了參考。
這個階段,地源熱泵發展逐漸升溫,但由于缺乏統一的系統培訓,技術實施人員的技術水平參差不齊,某些項目出現的問題引起了人們對此技術的擔憂,而且房地產開發商更注重降低建設成本,而不注重新技術和建筑室內環境質量與科技理念,部分地源熱泵企業在市場拓展方面遇到困難,艱難地生存。
(3)快速增長階段(2005~2013年)
2005年后,隨著我國對可再生能源應用與節能減排工作的不斷加強,《可再生能源法》《節約能源法》《可再生能源中長期發展規劃》《民用建筑節能管理條例》等法律法規的相繼頒布和修訂,外加財政部、原建設部兩部委《建設部、財政部關于推進可再生能源在建筑中應用的實施意見》的逐步實施,更是奠定了地源熱泵在我國建筑節能與可再生能源利用中的突出地位,各省市陸續出臺相關的地方政策,設備廠家不斷增多,集成商規模不斷擴大,新專利新技術不斷涌現,從業人員不斷增多,有影響力的大型工程不斷出現,地源熱泵系統應用進入了爆發式的快速發展階段。
據不完全統計,截止2012年底,我國以地源熱泵相關設備產品制造、工程設計與施工、系統集成與調試管理維護的相關企業已經達到了4000余家,總面積達24000萬平方米。到2013年底,我國地源熱泵應用總面積達到40000萬平方米,2013年增加面積達到16000萬平方米,年度增加面積為之前累計應用總面積的67%。項目比較集中的地區有北京、天津、河北、遼寧、山東、河南、江蘇、重慶和廣西,78%的項目集中在我國華北和東北南部地區。
(4)平穩發展階段(2014年至今)
2014年,隨著地源熱泵技術的不斷成熟,部分省市的示范補貼逐步取消,地源熱泵應用推廣的上升動力減弱。隨著越來越多的地源熱泵投入運行,過程中出現未能百分之百進行地下水回灌、水資源費及電費過高導致運行費用偏高、設計負荷過大導致運行能力偏大的問題,尤其是隨著各地對地下水資源的重視程度越來越高,管理越來越嚴格,要取得地下水、江海湖泊的取水資格越來越困難,部分地區明文規定,不得使用地下水資源。地下水源熱泵的應用受到較大影響,整體地源熱泵的應用增長速度出現下降,應用規模放緩,預示進入理性發展階段。
2、我國目前地源熱泵應用規模
根據自然資源部中國地質調查局等4單位2018年8月公開發布的《中國地熱能發展報告(2018)白皮書》,截止2017年年底,我國地源熱泵裝機容量達2萬MW,位居世界第一,年利用淺層地熱能折合1900萬t標準煤,實現供暖制冷面積超過5億平方米,京津冀開發利用規模最大。
3、發展特點
綜合地源熱泵在我國應用的現狀,當前我國地源熱泵發展特點為:
(1)應用建筑類型多樣,公共建筑居多
通過地源熱泵系統在建筑中的使用情況來看,住宅建筑和公共建筑都有涉及。其中住宅項目包括經濟適用房、商品房小區、高檔公寓、別墅與農村建筑;公共建筑中涉及政府辦公建筑、商務辦公寫字樓、商業購物商場、賓館酒店、會展中心、醫院、休閑健身娛樂度假場所、學校建筑(圖書館、宿舍)、科研基地與實驗室、培訓及宣傳基地、體育場館、博物館等;還有部分工業建筑也使用的此系統,包括產品生產基地與裝備制造基地等。根據現有總結資料看出,幾乎所有類型的建筑都可以采用地源熱泵系統進行冷熱供應。由于地埋管地源熱泵應用比例較高,公共建筑項目中進行吸排熱平衡調節更加便捷,因此,公共建筑中應用地源熱泵的比例高于其他類型建筑。
(2)系統類型多樣,項目規模化發展
我國土壤、地下水、地表水(江河湖海、污水)、工業冷卻水等均有應用于熱泵系統供熱供冷項目,說明我國關于地源熱泵的概念普及的比較廣泛,應用比較多元化。地源熱泵系統形式的選擇與當地可再生能源的資源類型、賦存情況和末端建筑的需求緊密相關,復合式地源熱泵系統擴大了地源熱泵系統對末端需求的適宜性,提高了地源熱泵系統的供能安全性,得到了更為廣泛的選用。與此同時,今年來地源熱泵項目呈現規模化發展,有多項國家級、省市級重點項目規模化應用。北京城市副中心以淺層地熱能為主,將實現供暖制冷面積300萬平方米;重慶江北城江水源熱泵項目,規模達400萬平方米;中石化江漢油田燃煤替代項目,規模達570萬平方米;南京江北新區地源熱泵項目,規模將達1600萬平方米。雄安新區起步區規劃通過“地熱+”的供能模式實現供暖制冷面積1億平方米。
(3)中深層地埋管熱泵研究與應用活躍
中深層地埋管熱泵是一種新的地熱能利用技術,由于巖土具有向下溫度逐步升高分布的特點,該技術適合單取熱,用于建筑供暖,近年來在我國已經有多個項目示范應用,主要采用同軸套管式換熱器或者U型管式換熱器,其技術路徑也在不斷完善中,是我國當前地源熱泵研究的一個熱點。
(4)技術及產品細致化發展
隨著建筑節能工作的不斷深入和清潔供暖工作的全面開展,推動了地源熱泵市場需求的變化,地源熱泵產品及系統應用呈現出差異化、細致化發展。針對我國特有的大規模地源熱泵項目,高效機組研發、水力輸配系統節能、控制策略優化以及大規模系統土壤熱承載力的研究都是行業的關注熱點。對于清潔能源供暖中用到的小型地源熱泵供熱系統,則從符合用戶使用習慣、增加系統的調節能力、便于實施行為節能和改善住戶熱環境等多個方面著手。在經過爆發式增長后的市場平穩發展階段,細致化高質量發展成為地源熱泵技術應用的新特點。
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