地源热泵在清洁能源供暖中的作用

2018/5/23 0 1244

郑克棪 (中国能源研究会地热专业委员会)

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  北京 2017 年的清洁能源构成

2016 年 12 月 21 日召开的中央财经领导小组第十四次会议上强调推进北方地区冬季清洁供暖,宜气则气,宜电则电,尽可能利用清洁能源,加快提高清洁供暖比重。处在雾霾重灾区的京津冀各地政府立即行动,明显的特点就是去煤化,尤其农村散煤的污染远高于工业锅炉,成为治理重点。

北京市在《2013-2017清洁空气行动计划》中就明确了"构建以电力和天然气为主、地热能和太阳能等为辅的清洁能源体系"。在目标任务的压力下,北京市加速了无煤化进程,2017年新的清洁能源构成为 :煤改气占 12%,其煤改电的各类,空气源热泵占 67%,蓄热电暖气占 19%,地源热泵和太阳能各占 1%(图 1)。

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作为地源热泵行业一员(积极分子),我认为地源热泵的占比应当更大一些。

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  地源热泵在世界地热供暖中脱颖而出

目前世界的地热供暖由两部分构成,一是常规的中低温水热型地热资源用于供暖,另是地源热泵应用,后者因兼可冬季供暖和夏季制冷使近数十年来快速发展。据五年一次世界地热大会的统计,世界地热直接利用的发展数据如表 1。

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这里体现出明显的规律性:

(1)1995 年至 2015 年世界常规地热供暖的设备容量和年利用热能两项指标平均年累进增长率均近 6%,分别低于地热直接利用的近 12%和超 9%。

(2)1995 年至 2015 年世界地源热泵的设备容量和年利用热能两项指标平均年累进增长率分别为超 20% 和近 18%,远高于地热直接利用的相应指标。

(3)在此 20 年间地热供暖在地热直接利用中的比率逐渐下降,已从第 2 位(仅次于洗浴游泳)降至第 3 位 ;但地源热泵在地热直接利用中的比率迅猛增长,已从第 3 位跃升到第 1 位。

(4)地源热泵的优点吸引了不甚寒冷地区的推广应用,因此其总的年利用小时数低于常规地热供暖,所以 2015 年地源热泵设备容量已占地热直接利用的 70.95%,而其年利用热能只占地热直接利用的 55.30%。

(5)地源热泵与常规地热供暖两项的总和代表了地热能用于供暖利用已成为地热直接利用中的绝对优势,即设备容量达 81.69%(图 2),年利用热能量达 70.31%。

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  地源热泵是清洁供暖最好的选择

如果对供暖利用的清洁能源作一梳理,便可看出地源热泵供暖的优越性。

天然气的污染排放低,不及煤炭和石油的一半 ;但其二氧化碳排放仍比风电、地热和太阳能等可再生能源高出一个数量级(图 3)。天然气的发热量高于煤炭,为 38931 千焦每立方米,1立方米天然气相当于 1.33 千克标准煤。利用天然气建热电联产(发电兼供热)才是最优化的合理利用,将天然气作为散户供暖的能源是大材小用,而且造成了河北省多地的气荒。

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风能和太阳能可以发电后用电采暖,但需要储能设备调剂余缺,太阳能还可以储热供暖,它们可以在风力和太阳能资源较丰富的地区应用。

蓄热电暖气目前所用的电力来自火力发电厂,一是该电力中包含发电厂的污染转移 ;二是电暖气的能效系数低,只能靠利用峰谷电价来控制成本。

热泵是提高能效系数的设备,但空气源热泵和地源热泵差别巨大。毋容置疑,地源热泵从 10℃左右的地温中轻易取热的平均能效系数可达 3.5,而从 0℃左右的空气中拼力取热的能效系数约在 2.0,号称可从零下 20℃取热的能效系数约小于 1.5。从技术和经济角度的对比,空气源热泵在我国北方地区的应用效果远不如南方地区,而且较大体积的设备在室外寒冬的工作条件下噪音高,维护成本高。地源热泵只是初投资和技术成本略高,但省电就节约了运行费用,而且供暖效果好、维护成本低、噪音低。北京市对实施空气源热泵农户提供 2.4 万元购置费和 3 年补助电费 6 千元,同样的费用若给地源热泵来做,综合效果将大不同,而且几年之后优越性会更明显。

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  迎接中国地热开发的新高潮

回顾中国地热 48 年的发展历程,前期计划经济时代有群众运动的积极性,但没有产业基础的支撑,缺乏发展的后劲 ;后期市场经济由开发商开创了投资 - 盈利模式,创建起产业队伍,奠定了发展的基础,加上地源热泵近 20 年的迅猛发展实实在在壮大了产业队伍,再加上产学研结合,于是真正构建了以产业化为特征的可持续开发模式。

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从图 4 可以清楚看出,中国地热开发利用的发展主要是近 20 年来的贡献,而其中的最大贡献是地源热泵。

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  地源热泵还需继续努力

中国地热迄今的成就主要依靠了地源热泵应用及相应制造、安装和供应产业队伍的发展壮大。自 2000 年起中国中低温地热资源的直接利用居世界第一,而后,依靠地源热泵行业的壮大更增强了中国地热利用在世界第一的位置。2000年中国地源热泵在世界 26 个国家中属于后一半,2005 年中国跃升为世界 32 个国家中的第 6 位,2010 年成为世界 43 个国家中的第 2 位,2015年中国地源热泵年利用浅层地热能的热量成为 48个国家中的世界第一,只是设备容量仅次于美国是世界第二。

面对 2017 年初发布的《地热能开发利用"十三五"规划》,地热发电的目标很难实现,但地源热泵的目标虽艰巨而仍有希望实现,当然我们仍需继续投入更大的努力。

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地源热泵应该争取在中国北方地区冬季清洁供暖中起到主要作用,这才符合技术和经济可行性的规律。到那时,这就是科学技术的胜利(科技),就是地源热泵的胜利(合理),就是全社会的胜利(合法)。

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