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地源熱泵在清潔能源供暖中的作用

來源《中國地熱能》 時間:5/23/2018

鄭克棪 (中國能源研究會地熱專業委員會)

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  北京 2017 年的清潔能源構成

2016 年 12 月 21 日召開的中央財經領導小組第十四次會議上強調推進北方地區冬季清潔供暖,宜氣則氣,宜電則電,盡可能利用清潔能源,加快提高清潔供暖比重。處在霧霾重災區的京津冀各地政府立即行動,明顯的特點就是去煤化,尤其農村散煤的污染遠高於工業鍋爐,成為治理重點。

北京市在《2013-2017清潔空氣行動計畫》中就明確了"構建以電力和天然氣為主、地熱能和太陽能等為輔的清潔能源體系"。在目標任務的壓力下,北京市加速了無煤化進程,2017年新的清潔能源構成為 :煤改氣占 12%,其餘煤改電的各類,空氣源熱泵占 67%,蓄熱電暖氣占 19%,地源熱泵和太陽能各占 1%(圖 1)。

作為地源熱泵行業一員(積極分子),我認為地源熱泵的占比應當更大一些。

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  地源熱泵在世界地熱供暖中脫穎而出

目前世界的地熱供暖由兩部分構成,一是常規的中低溫水熱型地熱資源用於供暖,另是地源熱泵應用,後者因兼可冬季供暖和夏季製冷使近數十年來快速發展。據五年一次世界地熱大會的統計,世界地熱直接利用的發展數據如表 1。

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這裏體現出明顯的規律性:

(1)1995 年至 2015 年世界常規地熱供暖的設備容量和年利用熱能兩項指標平均年累進增長率均近 6%,分別低於地熱直接利用的近 12%和超 9%。

(2)1995 年至 2015 年世界地源熱泵的設備容量和年利用熱能兩項指標平均年累進增長率分別為超 20% 和近 18%,遠高於地熱直接利用的相應指標。

(3)在此 20 年間地熱供暖在地熱直接利用中的比率逐漸下降,已從第 2 位(僅次於洗浴游泳)降至第 3 位 ;但地源熱泵在地熱直接利用中的比率迅猛增長,已從第 3 位躍升到第 1 位。

(4)地源熱泵的優點吸引了不甚寒冷地區的推廣應用,因此其總的年利用小時數低於常規地熱供暖,所以 2015 年地源熱泵設備容量已占地熱直接利用的 70.95%,而其年利用熱能只占地熱直接利用的 55.30%。

(5)地源熱泵與常規地熱供暖兩項的總和代表了地熱能用於供暖利用已成為地熱直接利用中的絕對優勢,即設備容量達 81.69%(圖 2),年利用熱能量達 70.31%。

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  地源熱泵是清潔供暖最好的選擇

如果對供暖利用的清潔能源作一梳理,便可看出地源熱泵供暖的優越性。

天然氣的污染排放低,不及煤炭和石油的一半 ;但其二氧化碳排放仍比風電、地熱和太陽能等可再生能源高出一個數量級(圖 3)。天然氣的發熱量高於煤炭,為 38931 千焦每立方米,1立方米天然氣相當於 1.33 千克標準煤。利用天然氣建熱電聯產(發電兼供熱)才是最優化的合理利用,將天然氣作為散戶供暖的能源是大材小用,而且造成了河北省多地的氣荒。

風能和太陽能可以發電後用電採暖,但需要儲能設備調劑餘缺,太陽能還可以儲熱供暖,它們可以在風力和太陽能資源較豐富的地區應用。

蓄熱電暖氣目前所用的電力來自火力發電廠,一是該電力中包含發電廠的污染轉移 ;二是電暖氣的能效係數低,只能靠利用峰穀電價來控制成本。

熱泵是提高能效係數的設備,但空氣源熱泵和地源熱泵差別巨大。毋容置疑,地源熱泵從 10℃左右的地溫中輕易取熱的平均能效係數可達 3.5,而從 0℃左右的空氣中拼力取熱的能效係數約在 2.0,號稱可從零下 20℃取熱的能效係數約小於 1.5。從技術和經濟角度的對比,空氣源熱泵在我國北方地區的應用效果遠不如南方地區,而且較大體積的設備在室外寒冬的工作條件下噪音高,維護成本高。地源熱泵只是初投資和技術成本略高,但省電就節約了運行費用,而且供暖效果好、維護成本低、噪音低。北京市對實施空氣源熱泵農戶提供 2.4 萬元購置費和 3 年補助電費 6 千元,同樣的費用若給地源熱泵來做,綜合效果將大不同,而且幾年之後優越性會更明顯。

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  迎接中國地熱開發的新高潮

回顧中國地熱 48 年的發展歷程,前期計劃經濟時代有群眾運動的積極性,但沒有產業基礎的支撐,缺乏發展的後勁 ;後期市場經濟由開發商開創了投資 - 盈利模式,創建起產業隊伍,奠定了發展的基礎,加上地源熱泵近 20 年的迅猛發展實實在在壯大了產業隊伍,再加上產學研結合,於是真正構建了以產業化為特徵的可持續開發模式。

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從圖 4 可以清楚看出,中國地熱開發利用的發展主要是近 20 年來的貢獻,而其中的最大貢獻是地源熱泵。

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  地源熱泵還需繼續努力

中國地熱迄今的成就主要依靠了地源熱泵應用及相應製造、安裝和供應產業隊伍的發展壯大。自 2000 年起中國中低溫地熱資源的直接利用居世界第一,而後,依靠地源熱泵行業的壯大更增強了中國地熱利用在世界第一的位置。2000年中國地源熱泵在世界 26 個國家中屬於後一半,2005 年中國躍升為世界 32 個國家中的第 6 位,2010 年成為世界 43 個國家中的第 2 位,2015年中國地源熱泵年利用淺層地熱能的熱量成為 48個國家中的世界第一,只是設備容量僅次於美國是世界第二。

面對 2017 年初發佈的《地熱能開發利用"十三五"規劃》,地熱發電的目標很難實現,但地源熱泵的目標雖艱巨而仍有希望實現,當然我們仍需繼續投入更大的努力。

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地源熱泵應該爭取在中國北方地區冬季清潔供暖中起到主要作用,這才符合技術和經濟可行性的規律。到那時,這就是科學技術的勝利(科技),就是地源熱泵的勝利(合理),就是全社會的勝利(合法)。

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