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地源热泵应用与发展
地源热泵在国外的发展和应用
来源:中地大热能 2019-12-09
  
        “地源热泵”的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利报告中,该技术的提出始于英、美两国。20世纪40年代末50年代初,美、英开始采用地下盘管做热源的家用热泵,并开始研究地源热泵。但是由于这个时期能源价格低,地源源热泵系统的初投资高,使得这种系统并不经济。因此地源热泵系统的早期研究高潮持续到20世纪50年代中期就基本停止了。70年代欧美等国开始的“能源危机”重新促使人们有了对地源热泵研究的兴趣和需求,特别是北欧(如瑞典等)的兴趣,再一次进入土壤源热泵的研究高潮。20世纪80年代后期,土壤源热泵系统才在商业、民用建筑的空调设计中采用。美、欧、日等国家的地源热泵利用情况如下:
       1、美国:在2005~2010年经历了房地产市场危机,但商业市场并没有立刻受到住房危机的影响,2017年地源热泵商业市场的出货量还一直都在增长。在2008年之前的十年,每年都以超过50%的市场增长率发展。美国总的地源热泵市场在2008年,包括设备和安装的费用共计达到3.7亿美元。2008~2009年底地源热泵发展巅峰之后经历了小幅度的下滑,但是随后几年地源热泵设备的安装数量又呈现出稳定的上升趋势,2015年的美国地源热泵设备安装数量达到了约27.7万台。根据最新市场数据显示,2017年美国地源热泵设备安装数量达到了32.6万台。
新的2015年度美国能效法最低效率法规对美国热泵产品出货趋势有显著影响,随着法规对热泵设备性能要求的提高,2014年美国热泵出货量比2013年高出了18%。同样补贴政策对热泵产品销售也有重大影响,美国联邦政府对地源热泵项目实施课税津贴政策,政策截止到2016年停止,考虑到地源热泵项目安装需要一定周期,在此政策到期前的2015年,地源热泵项目增长迅速,2016年增长相对缓慢。
       2、加拿大:加拿大是一个十分注重环保节能技术发展和应用的国家。当地源热泵技术凭借良好的环保和节能优势进入加拿大市场后,很快得到了政府的大力支持。在地源热泵进入加拿大市场的初期阶段,加拿大政府资助过一些重大的地源热泵示范项目,并在20多个省鼓励市政部门和公立学校、医院等率先安装地源热泵系统,20世纪90年代加拿大地源热泵系统开始迅速发展。
加拿大地源热泵市场安装台数受到财政补贴政策、社会经济和能源价格的多重影响。2007~2015年间,加拿大出台过各种省级和国家级的财政补贴政策,这些政策最多的时候补贴了地源热泵系统40%的出投资成本。但事实上,2009年,加拿大地源热泵市场达到历史最高峰之后,2010年开始地源热泵市场逐渐衰退,到了2015年加拿大地源热泵年安装台数仅为4000台左右。主要原因是2009年以后加拿大的燃气价格不断降低,用户在有成本更低的选择条件下,地源热泵系统的新安装数量随之减少。
加拿大的人口大省地源热泵系统的安装数量也相对较多。总的来说,加拿大的热泵系统保持在相对稳定的发展水平上。世界范围来看,垂直型地源热泵系统为主要应用形式,但是由于加拿大土地面积广泛,人口稀少,水平型地埋管系统应用广泛。
       3、瑞典:20世纪80年代初期,瑞典政府对热泵项目采取免息贷款的方式进行补贴,以及石油危机的影响促使了热泵市场的发展,这一时期市场上充斥了很多低劣质量产品以及安装者根本达不到的节能承诺,导致了大量工程的失败,热泵市场失去了可信度。1984年瑞典热泵安装达到了一个高峰,但由于较低的信誉和政府补贴取消,热泵市场开始迅速回落,这个时段石油价格的下降助推了热泵市场的下滑。直到20世纪80年代末期,瑞典经济高速发展,石油价格的上涨以及大量的新建建筑促使了热泵市场的复苏。20世纪90年代初期,商业衰退冲击了瑞典,以及但是不成熟的技术水平导致地源热泵系统的运行效果相对较差,使人们对热泵的前景不抱太大希望,甚至不感兴趣,这段时间新建建筑减少,致使市场又出现下滑现象。商业衰退期结束后,随着技术的不断进步,热泵赢得了很好的公众认知度,在21世纪初期,热泵市场开始了迅猛的发展,在2018年达到了顶峰,但受全球经济危机的影响,销量有所下滑。经济危机影响过去后,热泵市场进入了缓慢增长期。后来由于空气源热泵的迅速发展,占领了市场份额,使得地源热泵的销量有所下滑。
自20世纪70年代末的石油危机以来,瑞典一直在研发和应用地源热泵领域处于领先地位,来自热泵厂家的销售统计数据表明,截止2017年底,瑞典已经安装了大约51万套地源热泵系统,包括垂直埋管系统、水平埋管系统、分布式系统和区域系统。
        4、德国:德国热泵市场的快速发展也是起始于石油危机1973年,尤其是在1979发展迅速,在1980年与1981年的第二次石油危机时,地源热泵年销售达到了顶点约25000台。伴随着石油价格的回落,热泵技术的不成熟和缺乏安装经验使得热泵销售量迅猛衰减,致使20世纪80年代末期地源热泵市场崩溃,几年内地源热泵机组的年销售量不足3000台。随着20世纪90年代初期,人们开始注意到热泵供热降低了CO2排放,对保护环境有一定的贡献率,联邦政府对应用热泵技术采取了一些补助措施,同时石油价格的逐步上涨以及电价的相对稳定带来的热泵市场的复苏,热泵的销售量又开始了缓慢回升。地源热泵的年销售量从1990年的不足1000台上升到1998年的4000多台。
        5、奥地利:奥地利国土面积83850km2,人口数量约800万。热泵发展比较迟缓,热泵市场开始于1978年第二次石油危机,由于政府和厂家广泛推广热泵技术,所以在1986年以前热泵市场处于蓬勃发展阶段,此时热泵主要用于生活热水。之后热泵销量开始持续下降,知道1999年降低到低谷。在千禧年以后,由于热泵技术的发展和人们环保意识的增强,热泵销量开始了另一轮增长,此时绝大多数为供热热泵,主要原因在于建筑能耗的降低为低温热泵供暖提供了良好的条件,这个时期,地埋管地源热泵系统逐渐替代地下水源热泵系统成为市场的主流选择,直接膨胀式系统由于其高效的性能也占据了一定的市场份额。
2014年热泵系统的销量为29236套,相比上一年增长1%,其中,不同容量的热泵机组销量有所不同,容量不超过10KW的人机组销量同比增长8%,而容量位于10~20KW的热泵销量减少2.7%,容量位于20~50KW之间的热泵销量减少12.7%,容量大于50KW的热泵销量下降最多,为21.6%。这些数据表明,奥地利热泵市场倾向于小容量区域供热发展。
       6、芬兰:芬兰燃气资源匮乏,由于生活习惯导致供暖能耗较高,人口稀疏,投资建立大型供热管网经济性较低,且地质情况适合打地热井,这就给热泵系统留下了巨大的市场。芬兰热泵市场从1996年持续走高,在2003年开始快速增长,于2008年达到顶峰,之后的几年均有不同程度的下降,2016年基本与2015年持平,市场进入平稳期。2000年以前,芬兰热泵设备市场不景气,只有10%新建住宅使用热泵供热。随着能源价格上涨,环保力度加强,限制污染大气的燃油锅炉使用,热泵销售量迅速增长,2001年已由10%以上家庭安装了使用清洁能源有利于生态环境保护的热泵,其中大部分是使用水或抗冻液通过垂直管或水平管换热器从土壤或湖泊中吸热的地源热泵。与此同时,价格低廉和占地面积小的空气源热泵也开始飞速发展。2008年发生了全球性的经济危机,影响了热泵市场的发展。2003年,政府出台了一项用于改造地源热泵以取代电加热的补贴措施,促进了地源热泵的市场。2008年,政府对资助的范围进行了扩展,使用燃油供暖建筑改造为地源热泵时也享有补贴,使得地源热泵的销量大幅增加。2011年,芬兰政府取消了该项补贴政策,市场也随之回落。
总体来说,芬兰的热泵市场是巨大且特殊的。芬兰只有550万人口,确建设了80多万套热泵系统,热泵产生9TWh/a的能量,其中有6TWh是来自于家庭系统,大约占芬兰总热负荷的15%,热泵系统是新建独立住宅中最流行的供热形式,并且正在以飞快的速度代替燃油和电取暖的地位。
       7、荷兰:荷兰一直以它的水利、地质方面的技术而著称于世界,其地下含水层储能和地下水源热泵的地下水回路技术领先于西方其他国家。荷兰从地质勘探、井的设计、成井、系统集成到系统的运行和监控具有一套专用的技术,从根本上解决了井的堵塞问题,灌抽比达到100%,并且已完成了200多个大型的地下储能和地下水源热泵项目。水源热泵多用于新建住宅,由于受到钻孔安装低温侧换热器要求的限制,小型和大型的家用热泵自然占领了大部分水地源热泵市场。
       8、日本:历史上,在第二次世界大战后直到1970年,日本曾采用了一些地下水源热泵系统,20世纪70年代,几十个地下水源热泵系统应用于宾馆、医院、公寓等建筑中。但是,由于用水回灌及地表下陷问题,地下水源热泵系统没有被大面积推广,到了第二次石油危机后地埋管地源热泵才逐渐被应用到建筑领域。
       在1991~2001年间,广岛及周围地区的游泳池和洗浴室逐步引入了一些地源热泵系统进行空调制冷及热水供应。最初系统技术集成上接受了来自瑞典的技术援助,这类系统可以在夏季有效地利用废水中的能量来加热游泳池,同时有助于土壤的热量回收,目前在日本类似的系统有9个。
       2001年之后,由于《京都协定书》的签署,以及受到在北美和欧洲地源热泵系统大量使用的影响,日本建立了一些类似的学术组织与协会学习和推进应用地源热泵系统,他们为日本相关企业和集成商提供技术交流以及信息交换的有效平台。
       截止2015年,日本环境省的统计数据,水源热泵系统共安装1781件,占地热能源利用系统的25.9%。地源热泵系统共计应用2230件,应用占比为32.4%。由于地源热泵技术及其环境友好性的逐渐普及,国家的政策推动及资金补助带来投资方初投资费用的较少也是地源热泵系统快速发展的原因。另外2013年东日本大地震后,国家层面对可再生能源利用的重视,也是地源热泵系统应用加快的外因之一。地源热泵的应用潜力巨大。
 
       通过对地源热泵在典型国家和地区应用分析可知,地源热泵系统在所有建筑物有冷热需求的地方都可以应用,在不同地区、不同气候区应用类型不同。
       地源热泵作为高效利用可再生能源的技术手段,可以有效地替代化石能源供冷供热,已经为世界各国广泛认同。对其在世界各国的应用发展影响较大的两个因素,一是其他能源价格,第一次石油危机推动了热泵技术的迅速发展和应用,其后不断攀升的油价促进了地源热泵在20世纪初的快速发展。同样由于北美页岩气开发技术的突破,传统化石燃料价格走低,使得近年来这一地区地源热泵应用量逐渐下滑,由此可见,提供同质服务的能源价格对地源热泵应用量具有决定性影响左右。二是国家政策支持和鼓励,作为应对气候变化的有效手段,很多国家会为地源热泵技术应用提供相关的政策支持和财政补贴,这对地源热泵的应用推广具有积极的作用和影响。同样,一些国家政策也会限制部分类型系统应用,如限制地下水开采地区无法应用地下水源热泵。
       总之,应对全球气候变暖,减少二氧化碳排放,高效利用可再生能源,实现建筑绿色节能发展是全球的一致趋势,这些有利于地源热泵发展的因素,会持续推动地源热泵技术的应用和发展。


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