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地源熱泵應用與發展

地源熱泵在國外的發展和應用

  
        “地源熱泵”的概念最早出現在1912年瑞士的一份專利報告中,該技術的提出始于英、美兩國。20世紀40年代末50年代初,美、英開始采用地下盤管做熱源的家用熱泵,并開始研究地源熱泵。但是由于這個時期能源價格低,地源源熱泵系統的初投資高,使得這種系統并不經濟。因此地源熱泵系統的早期研究高潮持續到20世紀50年代中期就基本停止了。70年代歐美等國開始的“能源危機”重新促使人們有了對地源熱泵研究的興趣和需求,特別是北歐(如瑞典等)的興趣,再一次進入土壤源熱泵的研究高潮。20世紀80年代后期,土壤源熱泵系統才在商業、民用建筑的空調設計中采用。美、歐、日等國家的地源熱泵利用情況如下:
       1、美國:在2005~2010年經歷了房地產市場危機,但商業市場并沒有立刻受到住房危機的影響,2017年地源熱泵商業市場的出貨量還一直都在增長。在2008年之前的十年,每年都以超過50%的市場增長率發展。美國總的地源熱泵市場在2008年,包括設備和安裝的費用共計達到3.7億美元。2008~2009年底地源熱泵發展巔峰之后經歷了小幅度的下滑,但是隨后幾年地源熱泵設備的安裝數量又呈現出穩定的上升趨勢,2015年的美國地源熱泵設備安裝數量達到了約27.7萬臺。根據最新市場數據顯示,2017年美國地源熱泵設備安裝數量達到了32.6萬臺。
新的2015年度美國能效法最低效率法規對美國熱泵產品出貨趨勢有顯著影響,隨著法規對熱泵設備性能要求的提高,2014年美國熱泵出貨量比2013年高出了18%。同樣補貼政策對熱泵產品銷售也有重大影響,美國聯邦政府對地源熱泵項目實施課稅津貼政策,政策截止到2016年停止,考慮到地源熱泵項目安裝需要一定周期,在此政策到期前的2015年,地源熱泵項目增長迅速,2016年增長相對緩慢。
       2、加拿大:加拿大是一個十分注重環保節能技術發展和應用的國家。當地源熱泵技術憑借良好的環保和節能優勢進入加拿大市場后,很快得到了政府的大力支持。在地源熱泵進入加拿大市場的初期階段,加拿大政府資助過一些重大的地源熱泵示范項目,并在20多個省鼓勵市政部門和公立學校、醫院等率先安裝地源熱泵系統,20世紀90年代加拿大地源熱泵系統開始迅速發展。
加拿大地源熱泵市場安裝臺數受到財政補貼政策、社會經濟和能源價格的多重影響。2007~2015年間,加拿大出臺過各種省級和國家級的財政補貼政策,這些政策最多的時候補貼了地源熱泵系統40%的出投資成本。但事實上,2009年,加拿大地源熱泵市場達到歷史最高峰之后,2010年開始地源熱泵市場逐漸衰退,到了2015年加拿大地源熱泵年安裝臺數僅為4000臺左右。主要原因是2009年以后加拿大的燃氣價格不斷降低,用戶在有成本更低的選擇條件下,地源熱泵系統的新安裝數量隨之減少。
加拿大的人口大省地源熱泵系統的安裝數量也相對較多??偟膩碚f,加拿大的熱泵系統保持在相對穩定的發展水平上。世界范圍來看,垂直型地源熱泵系統為主要應用形式,但是由于加拿大土地面積廣泛,人口稀少,水平型地埋管系統應用廣泛。
       3、瑞典:20世紀80年代初期,瑞典政府對熱泵項目采取免息貸款的方式進行補貼,以及石油危機的影響促使了熱泵市場的發展,這一時期市場上充斥了很多低劣質量產品以及安裝者根本達不到的節能承諾,導致了大量工程的失敗,熱泵市場失去了可信度。1984年瑞典熱泵安裝達到了一個高峰,但由于較低的信譽和政府補貼取消,熱泵市場開始迅速回落,這個時段石油價格的下降助推了熱泵市場的下滑。直到20世紀80年代末期,瑞典經濟高速發展,石油價格的上漲以及大量的新建建筑促使了熱泵市場的復蘇。20世紀90年代初期,商業衰退沖擊了瑞典,以及但是不成熟的技術水平導致地源熱泵系統的運行效果相對較差,使人們對熱泵的前景不抱太大希望,甚至不感興趣,這段時間新建建筑減少,致使市場又出現下滑現象。商業衰退期結束后,隨著技術的不斷進步,熱泵贏得了很好的公眾認知度,在21世紀初期,熱泵市場開始了迅猛的發展,在2018年達到了頂峰,但受全球經濟危機的影響,銷量有所下滑。經濟危機影響過去后,熱泵市場進入了緩慢增長期。后來由于空氣源熱泵的迅速發展,占領了市場份額,使得地源熱泵的銷量有所下滑。
自20世紀70年代末的石油危機以來,瑞典一直在研發和應用地源熱泵領域處于領先地位,來自熱泵廠家的銷售統計數據表明,截止2017年底,瑞典已經安裝了大約51萬套地源熱泵系統,包括垂直埋管系統、水平埋管系統、分布式系統和區域系統。
        4、德國:德國熱泵市場的快速發展也是起始于石油危機1973年,尤其是在1979發展迅速,在1980年與1981年的第二次石油危機時,地源熱泵年銷售達到了頂點約25000臺。伴隨著石油價格的回落,熱泵技術的不成熟和缺乏安裝經驗使得熱泵銷售量迅猛衰減,致使20世紀80年代末期地源熱泵市場崩潰,幾年內地源熱泵機組的年銷售量不足3000臺。隨著20世紀90年代初期,人們開始注意到熱泵供熱降低了CO2排放,對保護環境有一定的貢獻率,聯邦政府對應用熱泵技術采取了一些補助措施,同時石油價格的逐步上漲以及電價的相對穩定帶來的熱泵市場的復蘇,熱泵的銷售量又開始了緩慢回升。地源熱泵的年銷售量從1990年的不足1000臺上升到1998年的4000多臺。
        5、奧地利:奧地利國土面積83850km2,人口數量約800萬。熱泵發展比較遲緩,熱泵市場開始于1978年第二次石油危機,由于政府和廠家廣泛推廣熱泵技術,所以在1986年以前熱泵市場處于蓬勃發展階段,此時熱泵主要用于生活熱水。之后熱泵銷量開始持續下降,知道1999年降低到低谷。在千禧年以后,由于熱泵技術的發展和人們環保意識的增強,熱泵銷量開始了另一輪增長,此時絕大多數為供熱熱泵,主要原因在于建筑能耗的降低為低溫熱泵供暖提供了良好的條件,這個時期,地埋管地源熱泵系統逐漸替代地下水源熱泵系統成為市場的主流選擇,直接膨脹式系統由于其高效的性能也占據了一定的市場份額。
2014年熱泵系統的銷量為29236套,相比上一年增長1%,其中,不同容量的熱泵機組銷量有所不同,容量不超過10KW的人機組銷量同比增長8%,而容量位于10~20KW的熱泵銷量減少2.7%,容量位于20~50KW之間的熱泵銷量減少12.7%,容量大于50KW的熱泵銷量下降最多,為21.6%。這些數據表明,奧地利熱泵市場傾向于小容量區域供熱發展。
       6、芬蘭:芬蘭燃氣資源匱乏,由于生活習慣導致供暖能耗較高,人口稀疏,投資建立大型供熱管網經濟性較低,且地質情況適合打地熱井,這就給熱泵系統留下了巨大的市場。芬蘭熱泵市場從1996年持續走高,在2003年開始快速增長,于2008年達到頂峰,之后的幾年均有不同程度的下降,2016年基本與2015年持平,市場進入平穩期。2000年以前,芬蘭熱泵設備市場不景氣,只有10%新建住宅使用熱泵供熱。隨著能源價格上漲,環保力度加強,限制污染大氣的燃油鍋爐使用,熱泵銷售量迅速增長,2001年已由10%以上家庭安裝了使用清潔能源有利于生態環境保護的熱泵,其中大部分是使用水或抗凍液通過垂直管或水平管換熱器從土壤或湖泊中吸熱的地源熱泵。與此同時,價格低廉和占地面積小的空氣源熱泵也開始飛速發展。2008年發生了全球性的經濟危機,影響了熱泵市場的發展。2003年,政府出臺了一項用于改造地源熱泵以取代電加熱的補貼措施,促進了地源熱泵的市場。2008年,政府對資助的范圍進行了擴展,使用燃油供暖建筑改造為地源熱泵時也享有補貼,使得地源熱泵的銷量大幅增加。2011年,芬蘭政府取消了該項補貼政策,市場也隨之回落。
總體來說,芬蘭的熱泵市場是巨大且特殊的。芬蘭只有550萬人口,確建設了80多萬套熱泵系統,熱泵產生9TWh/a的能量,其中有6TWh是來自于家庭系統,大約占芬蘭總熱負荷的15%,熱泵系統是新建獨立住宅中最流行的供熱形式,并且正在以飛快的速度代替燃油和電取暖的地位。
       7、荷蘭:荷蘭一直以它的水利、地質方面的技術而著稱于世界,其地下含水層儲能和地下水源熱泵的地下水回路技術領先于西方其他國家。荷蘭從地質勘探、井的設計、成井、系統集成到系統的運行和監控具有一套專用的技術,從根本上解決了井的堵塞問題,灌抽比達到100%,并且已完成了200多個大型的地下儲能和地下水源熱泵項目。水源熱泵多用于新建住宅,由于受到鉆孔安裝低溫側換熱器要求的限制,小型和大型的家用熱泵自然占領了大部分水地源熱泵市場。
       8、日本:歷史上,在第二次世界大戰后直到1970年,日本曾采用了一些地下水源熱泵系統,20世紀70年代,幾十個地下水源熱泵系統應用于賓館、醫院、公寓等建筑中。但是,由于用水回灌及地表下陷問題,地下水源熱泵系統沒有被大面積推廣,到了第二次石油危機后地埋管地源熱泵才逐漸被應用到建筑領域。
       在1991~2001年間,廣島及周圍地區的游泳池和洗浴室逐步引入了一些地源熱泵系統進行空調制冷及熱水供應。最初系統技術集成上接受了來自瑞典的技術援助,這類系統可以在夏季有效地利用廢水中的能量來加熱游泳池,同時有助于土壤的熱量回收,目前在日本類似的系統有9個。
       2001年之后,由于《京都協定書》的簽署,以及受到在北美和歐洲地源熱泵系統大量使用的影響,日本建立了一些類似的學術組織與協會學習和推進應用地源熱泵系統,他們為日本相關企業和集成商提供技術交流以及信息交換的有效平臺。
       截止2015年,日本環境省的統計數據,水源熱泵系統共安裝1781件,占地熱能源利用系統的25.9%。地源熱泵系統共計應用2230件,應用占比為32.4%。由于地源熱泵技術及其環境友好性的逐漸普及,國家的政策推動及資金補助帶來投資方初投資費用的較少也是地源熱泵系統快速發展的原因。另外2013年東日本大地震后,國家層面對可再生能源利用的重視,也是地源熱泵系統應用加快的外因之一。地源熱泵的應用潛力巨大。
 
       通過對地源熱泵在典型國家和地區應用分析可知,地源熱泵系統在所有建筑物有冷熱需求的地方都可以應用,在不同地區、不同氣候區應用類型不同。
       地源熱泵作為高效利用可再生能源的技術手段,可以有效地替代化石能源供冷供熱,已經為世界各國廣泛認同。對其在世界各國的應用發展影響較大的兩個因素,一是其他能源價格,第一次石油危機推動了熱泵技術的迅速發展和應用,其后不斷攀升的油價促進了地源熱泵在20世紀初的快速發展。同樣由于北美頁巖氣開發技術的突破,傳統化石燃料價格走低,使得近年來這一地區地源熱泵應用量逐漸下滑,由此可見,提供同質服務的能源價格對地源熱泵應用量具有決定性影響左右。二是國家政策支持和鼓勵,作為應對氣候變化的有效手段,很多國家會為地源熱泵技術應用提供相關的政策支持和財政補貼,這對地源熱泵的應用推廣具有積極的作用和影響。同樣,一些國家政策也會限制部分類型系統應用,如限制地下水開采地區無法應用地下水源熱泵。
       總之,應對全球氣候變暖,減少二氧化碳排放,高效利用可再生能源,實現建筑綠色節能發展是全球的一致趨勢,這些有利于地源熱泵發展的因素,會持續推動地源熱泵技術的應用和發展。

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