地源熱泵的工作原理

不久前，北京大興國際機場地源熱泵工程1號能源站開始啟用，實現為大興機場熱源中心和空防安保中心供冷。這標志著目前中國國內最大的多能互補地源熱泵系統工程啟動供冷運行，也是大興機場啟用的首個區域制冷設施。

根據測算，大興機場地源熱泵系統每年能提取淺層地熱能56.36萬吉焦，實現大興機場公共區域近250萬平方米辦公場地的供熱和制冷，節省天然氣1735.89立方米，相當于21078噸標準煤，可減少碳排放1.58萬噸以上。

當前，地源熱泵逐漸成為建筑能源的首選解決方案，《中國科學報》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高層論壇”上了解到，合理地用高效的地源熱泵技術給建筑供暖制冷，碳排放或能效都將優于其他形式，將對建筑節能具有重要意義。

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)，實現由低品位熱能向高品位熱能轉移的裝置。記者從會上獲悉，我國地源熱泵裝機容量已連續多年位列世界第一，地源熱泵產業從研發到應用都已走在世界前列。

“隨著地源熱泵產業的高速發展，我國在國際地熱開發利用領域的話語權正日益提升。”中國工程院院士曹耀峰給出一組數據——到2017年底，我國地源熱泵裝機容量達2萬兆瓦，年利用淺層地熱能折合1900多萬噸標準煤，實現供暖(制冷)建筑面積超過5億平方米。

中國地源熱泵產業聯盟理事長、地源熱泵雜志社主編方肇洪指出，從開始向歐美國家學習模仿，到現在有一些自主的創新，中國僅用了20多年時間就進入到地源熱泵快速發展的階段。2015年中國地熱的利用量、地源熱泵裝機容量、利用的能量就占據世界第一的位置。

實際上，上世紀80年代，我國一些高校和科研機構就開始對地源熱泵技術進行專題研究，并派學者前往美國、瑞典、德國等地學習考察。1995年，我國北方部分地區試點應用地源熱泵技術進行工業和民用建筑的冬季供暖、夏季供冷。21世紀以來，地源熱泵得到大面積推廣應用，中國地源熱泵產業也呈現出高速發展態勢。

之所以能夠在短時間內從跟跑到領跑，在方肇洪看來，主要得益于三方面的原因，一是地源熱泵技術更加重視環境保護，適應當前經濟社會發展的新趨勢;二是政府對地源熱泵產業發展提供了政策支持;三是聯盟凝聚行業力量，形成合力促進了應用推廣。

據了解，目前我國地源熱泵從業企業已從最初的寥寥數家增加到數千家，應用地域已從北京、沈陽等試點城市擴大到天津、河北、遼寧、江蘇、上海等省市。從裝機容量看，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%，預計到2020年，這一比例將進一步上升到50%左右。

為綠色建筑注入動力

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

中國建筑科學研究院建筑環境與節能研究院院長徐偉認為，“熱泵+蓄能供熱”技術為供暖系統供給側靈活性提供了技術支持，同時可實現清潔供暖和緩解電力負荷峰谷差的“雙贏”。他表示，電力熱泵應用在清潔取暖中大有可為，可將熱泵的優勢與蓄能模塊有效組合，構建適用于未來建筑的智慧能源采暖供冷系統。

地熱能是一種可再生能源，在使用過程中，隨時可以再生被利用，并且在使用中不產生任何廢棄物，而地源熱泵機組運行時，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，環保效益顯著。

據測算，16萬平方米的采暖系統如果采用“地源熱泵+冰蓄能”技術，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，當代置業以地源熱泵作為建筑節能的首選解決方案。陳音表示，地源熱泵集中供暖(制冷)具有一定的能效優勢，由于地下溫度場穩定，地源熱泵機組有更高的能效比，另外，低溫輻射末端系統(小溫差傳熱)的應用還可以降低冷凝壓力，進一步提高系統的能效。他還表示，由于地下巖土的蓄能作用，在季節轉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能耗。經行業專業人士測量得知，地表溫度一年四季保持在較適宜的10℃~20℃范圍內，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)比較穩定，沒有“逆反”效應，空調系統運行時使用的能耗將大大降低。

中國石化新星石油公司地熱開發專家周總瑛教授介紹說，雄安新區將建設多能互補的清潔能源供應系統，采用“地熱+”功能模式，中深層地熱供熱為基礎熱源，淺層地源熱泵、再生水余熱、垃圾發電余熱作為輔助熱源，燃氣鍋爐作為補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、地熱梯級利用技術、余熱利用技術的不斷創新和綜合運用，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

近年來，我國地源熱泵行業發展迅速，各地都相應推出產業支持政策。不過，在“大干快”的發展勢頭上，也出現了一些問題。

曹耀峰坦言，地源熱泵產品的同質化競爭、監管不嚴、標準雖然已經啟動但是總體上還是滯后的、人才培養跟不上現在發展的形勢等，這些都制約了行業的健康發展。

他還表示，如何規范、如何管理，都需要與業內的專家、企業、科研院所、高等院校等機構在標準編制、產品購銷、技術服務、人才培養方面更多地合作和交流，以共同推進地熱行業持續健康發展。

另外，“地源熱泵系統能否長期穩定運行仍然是一個有爭議的問題。”陳音說，“地源熱泵系統穩定運行有賴于地下溫度場變化的準確檢測，國內房地產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和完善。”

中國地質調查局淺層地溫能研究與推廣中心主任、北京市地質礦產勘查開發局能源處處長李寧波表示，發展地熱能要因地制宜、因時制宜、因事制宜。農村煤改、城市舊改、新建區域，從應用的場景上更復雜、更難，因此需要攻堅克難，投入更多的研發力度。

國家能源局能源行業地熱能專業標準化技術委員會秘書處首席專家趙豐年則指出，為了實現地熱能的可持續開發和利用，還有必要制定全行業統一的《地熱能開發技術導則》，保證在導則指導下開發地熱能，推動我國地熱能高質量發展。