郭海秋 ,陈春艳,丛日凤

(宁安市环境监测站,黑龙江宁安157400)

1 引言

伴随着社会主义新农村建设的深入以及农村经济的发展,农村环境问题日益突出,农村生产生活环境致使柴草成堆、杂乱无序,影响村容整洁,农村燃煤燃薪材对大气环境的面源污染更为严重,所以在农村因地制宜推广清洁能源已经成为一种趋势。实施浅层地能(热)替代燃煤燃薪材供暖或是替代空调制冷,对改善农村环境质量,提高生活品质,建设社会主义新农村具有重大意义。

浅层地能(热)是在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下,存在于地壳下近表层数百米内的恒温带中的土壤、砂岩和地下水里的低温地热能。浅层低温地能广泛存在于大地近表层的恒温带中,其温度水平略高于当地年平均气候温度,在不同地域、不同气候条件下,恒温带中的温度变化不大,相对稳定,所谓低温就是它低于传统地热温泉温度的下限(25℃)。在地球南北极、春夏秋冬它的温度水平一般在10～25℃范围内。

浅层地能(热)不是传统概念的深层地热,是地热可再生能源家族中的新成员,它不属于地心热的范畴,是太阳能的另一种表现形式,广泛的存在于大地表层中。它既可恢复又可再生是取之不尽用之不竭的低温能源。以往这种低温能源与深层地热的高品位能量相比,因品位不高(通常温度﹤25℃),往往被人们所忽视,但是采集利用价值却很大。因为它具有可再生、储量巨大、分布广泛、能量恒定等特点。随着制冷技术及设备的进步和完善,成熟的热泵技术使浅层地能(热)的采集、提升和利用成为现实[1]。

2 开发浅层地能(热)技术原理

采集自然界中可再生的低品位能量——浅层地能,利用热泵技术将低品位能量提升为高品位能量,再适度地释放到使用环境中。浅层低温地能(热)供暖的核心是热泵技术,是用蒸发器吸收低温热量给压缩机绝热提升后以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统。它用潜水泵将井水(约15℃)以100m3/h的流速注入热泵机组,井水在热泵机组内放热,温度降为10℃井水所放出的热量经热泵提升至50℃以后,通过风机盘管将热量放入室内达到采暖的目的。放热后的井水被送回同一口井内,通过井内的土壤换热装置与周围土壤换热,水温恢复后再次被潜水泵吸入并注入机组[1]。

热泵技术,通过采集浅层低温地能(热),并略加提升,来满足供暖(冷)的需求,同时实现供暖(冷)区域的零污染排放。不仅利用了大自然的低品位可再生能源,大幅度节约高品位传统的建筑用能,同时真正实现供暖(冷)而无污染的绿色居住环境。

3 国内外开发浅层地能(热)技术的发展现状

3.1 国外的发展现状

目前在国外,热泵供暖(冷)技术已处于商业化应用。国际上热泵技术的快速发展是1973年世界“石油危机”以后,热泵供暖技术应用得到美国、日本、德国、瑞典等国政府的认可。为推动热泵技术的发展,1976年世界能源组织成立了“国际热泵委员会”。苏、英、法、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国参加。一些国际组织如国际制冷学会(IIR)、世界能源委员会(WEC)、国际能源机构(IEA)等,经常组织有关热泵的国际活动与学术会议,促进热泵技术的发展。

现今在欧洲各国用于供暖的热泵总数达到600 000套。瑞典是用热泵进行供暖的最大国家,次之是瑞士、德国、奥地利、法国。欧洲各国热泵发展和产品开发方兴未艾,正在迅速成长。一些国家如瑞典和瑞士政府采取积极的扶持政策,财政补贴、减税、优惠电价和广告宣传力度等,并组建热泵推广协会和检测中心机构,促进其发展。

美国地源热泵供暖供冷装置真正意义的商业化应用也只有近20年的历史。据统计,到目前为止已安装近40万台,而且每年以10%的速度稳步增长。现今,世界各国对热泵的兴趣越来越浓,欧洲、日本和北美的制造厂都为工业、商业、建筑和民用提供大量热泵。许多国家把热泵作为减少CO2、SO2、NOX排放的一种有效方法。

3.2 国内的发展现状

由于我国以煤炭能源为主导,能源价格的特殊性等因素,使热泵发展缓慢。20世纪70年代初,第一次世界石油危机,在国际上掀起推广热泵技术应用热潮,也同时影响了我国学术界、高等学校、研究所和学会。我国热泵系统作为商业化应用与世界发达国家相比有一段明显的滞后期。热泵的发展不仅与国家国民经济总体发展及热泵本身技术进展有关,还与能源的结构与供应、环境治理的需求有关,特别是与政府的政策导向密切相关。当能源、环保提到社会议事日程时,才意识到发展热泵技术的重要性。

热泵技术在我国推广应用缓慢,主要原因包括以燃煤为主的供暖手段很多;能源价格失调(煤价无低于电价);压缩机制造水平与国外差距较大;空气源热泵冬季供暖结霜的难点不易解决;经济发展程度制约人们的观念转变,对冷暖热三联供要求不迫切等。20世纪80年代初至90年代末,在我国暖通空调领域掀起一股“热泵热”,热泵供暖(冷)在我国应用日益广泛,且发展速度很快,这主要是上述原因的改善和环境要求城市能源结构的变化所致。

目前,热泵站在节约能源中的作用已引起国内主管部门和暖通空调工作者的关注和兴趣,认识正在提高。有些城市已开始论证建立以水为低温热源的大型热泵站的可行性问题。国家有关部门将热泵站示范工程的研究纳入国家科技攻关计划的能源项目中。以浅层地能(热)的地下水和土壤作为热泵低温地源比大自然的地表水和空气有着更相对稳定的特点,它的能量采集基本不受使用地域和四季气候的影响。它作为建筑物的冷热源初始采集更具有推广价值。目前水源热泵生产厂家全国已超过20家,上海闵行经济开发区的办公楼供暖(冷)是我国第一个采用土壤源的热泵工程,近些年来国内数所高等学校开展了土壤源热泵系统的试验研究,并取得一些有指导意义的数据。现今人们对生活品质和舒适性要注的不断提高,城市能源结构的改变,建筑市场的巨大为热泵供暖(冷)技术在推广创造了前所没有的机遇。国内在热泵理论研究、试验研究、产品开发、工程项目的应用诸方面都取得了可喜的成果。我国热泵系统的应用正步入了世界性大国[2]。

4 浅层地能供暖技术分析

4.1 浅层地能(热)供暖(冷)和传统供暖(冷)方式的比较

一直延续到今天的传统的建筑供暖(冷)方式,它的最大缺点有4点,包括使用矿物质燃料资源有限;能源利用不合理：燃用矿物质燃料(煤、油、气)等燃烧1 000℃烟气加热低温水70～80℃,而排烟温度竞达200℃左右,效率极低,能源浪费极大;燃烧产物污染严重,不仅产生大量温室气体CO2,同样烟尘、CO、SO2、NOX皆须后期治理;设备功能单一,锅炉只供暖,制冷须另设制冷机组(如分体空调,电压缩式冷水机组或热力吸收式制冷机),另加投资。而新型浅层地能供暖方式全面克服了上述4方面的缺欠。

(1)使用可再生能。若用地下水换热,每100m3/h利用5℃温差,可获取580kW低温热源,只消耗约150kW的电绝热压缩,提升这部分热量,可实现700多kW 的供热量,这就相当传统1t/h锅炉的供热量,在京津地区可供1万m2的建筑供暖。

(2)能源利用高,比传统方式节能50%～75%。

(3)真正实现了供暖(冷)建筑使用区域的零排放,零污染。

(4)一套设备,冬季既可供暖,夏季又可制冷,并提供日常生活热水,节约总体投资。总之,国内外建筑传统供暖(冷)的能源结构必须改变,浅层地能(热)将是取代它的最有力的措施,必将引起21世纪传统供暖(冷)方式的重大变革[2]。

表1 二种供暖方式的比较

4.2 浅层地能(热)替代传统供暖的试点经验

2007年宁安市渤海镇引进了恒有源科技发展有限公司的浅层地能(热)供暖技术,在小朱家村2户农户家中进行了一个采暖期有试验,并取提得了成功。试用期内冬季室温可保持在20℃以上,取暖消耗主要是热泵工作的电能消耗,按2007年冬季燃煤价格计算,实际发生费用为16.67元/m2与燃煤费用基本持平。2008年推广到27户,2009年新增63户,冬季室温可保持在20℃以上。目前小朱家村主村110户已有90户村民应用了浅层地能开发利技术,与传统燃煤供热系统相比,又有多方优势,包括功能多,冬季供热、夏季制冷、日常可提供生活热水,清洁、环保、零污染;占用空间少,其体积与普通冰箱相近,节省了储煤、储柴、储秸秆的空间;供热质量高,供热可使室温保持在20℃左右;操作方便,且更加安全。无高温、高压过程,还可避免煤烟中毒、生活火灾等危险。应用浅层地能开利用技术以使用面积100m2住宅为例计算,前期投入总成本为3.4万元,主要包括单台H T760A浅层地难热泵机1.8万元,配备2眼井、安装管线、水泵8 000元;农户进行室内地热管网改造7 800多元。通过3年多的实际应用,浅层地能设备已经得到了广大农户的认可。

4.3 浅层地能资源开发利用产生的综合效益

(1)农户冬季采暖费用明显降低。以使用面积100m2农户住宅为例,使用传统的燃煤取暖,每个采暖期使用燃煤约为2.5～3.0t,按燃煤市场价格每吨600元计算,燃煤费用约1 500～1 800元左右,引火材200元,合计取暖费用在1 700～2 000元左右,平均温度达到16～17℃。而采用浅层地能开发利用技术,每个采暖期用电2 350kW◦h,按农电0.51元/kW◦h,取暖费用约为1 200元,平均温度达到20℃以上。由此可见,应用浅层地能开发利用技术取暖与传统燃煤取暖相比较,每个取暖期可节约费用500～800元,而且取暖的效果也明显优于燃煤供热。

(2)节能减排效果突出。浅层地能开发利用技术由于采用井水就地原位回灌的方式,既不会消耗污染地下水,也不会破坏地下水的正常分布。从能源的单位投资成本来看,每投资1kW能源,浅层地能至少比煤电节约2 000元,比水电节约3 000元,比风电节约5 000元。同时,恒有源浅层地能设备在运行过程中没有任何污染物排放,环保效果较为突出。如果小朱家村206户农民都能用上此技术,按每户平均住宅使用面积100m2每个采暖期使用燃煤3t计算,每年冬季可节约燃煤600多t,烟尘、二氧化硫可分别减少排放28.5t,2.88t。

(3)农户的生活质量显著提高。很多农户反映,浅层地能开发利用技术不但清洁、环保、零污染,并且能定时供暖,节省能源。环境效益、经济效益和社会效益可观。

5 结语

我国重要能源资源短缺,能源资源人均占有量不足,且浪费严重。传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增长方式难以为继,必须尽快加以扭转。节约能源资源是树立科学发展观、转变经济增长方式,从根本上缓解资源约束、减轻环境压力、实现全面建设小康社会目标和经济可持续发展的必然选择。推广浅层地能(热)的开发,采用国际领先技术的中央液态冷热源环境系统,通过创新中央液态的浅层地能(热),解决了人们生活中3大基本问题：供暖、制冷、生活热水,无污染,价格低廉,可替代高成本煤炭取暖,实现了经济、社会、环境效益的统一。因此推广浅层能(热)开发技术的前景看好。

我国农村推广浅层地能(热)开发技术,其社会、经济、生态环境效益显著：对改变能源结构,资源的高效利用、不可再生能源资源的持续利用、农村经济的可持续发展和农村城镇化建设等,均具有重要的促进作用和现实意义。浅层地能(热)的开发、利用,在某种意义上讲,是一种暖通行业能源利用的一场革命,特别是在我国农村有序推广更加具有长远的积极影响。

[1]北京恒有源科技发展有限公司.浅层地能及地能热泵系统技术资料[R].北京：北京恒有源科技发展有限公司,2006.

[2]程 韧.浅层地能(热)的开发与利用[J].岩土工程技术,2003(1)：57～ 59.