2019-09-09 08:21:59 中国科学报 　 作者： 李惠钰  

地源热泵的工作原理

不久前，北京大兴国际机场地源热泵工程1号能源站开始启用，实现为大兴机场热源中心和空防安保中心供冷。这标志着目前中国国内最大的多能互补地源热泵系统工程启动供冷运行，也是大兴机场启用的首个区域制冷设施。

根据测算，大兴机场地源热泵系统每年能提取浅层地热能56.36万吉焦，实现大兴机场公共区域近250万平方米办公场地的供热和制冷，节省天然气1735.89立方米，相当于21078吨标准煤，可减少碳排放1.58万吨以上。

当前，地源热泵逐渐成为建筑能源的首选解决方案，《中国科学报》近日在北京召开的“华清荣益·第十一届中国国际地源热泵行业高层论坛”上了解到，合理地用高效的地源热泵技术给建筑供暖制冷，碳排放或能效都将优于其他形式，将对建筑节能具有重要意义。

已走在世界前列

地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。记者从会上获悉，我国地源热泵装机容量已连续多年位列世界第一，地源热泵产业从研发到应用都已走在世界前列。

“随着地源热泵产业的高速发展，我国在国际地热开发利用领域的话语权正日益提升。”中国工程院院士曹耀峰给出一组数据——到2017年底，我国地源热泵装机容量达2万兆瓦，年利用浅层地热能折合1900多万吨标准煤，实现供暖(制冷)建筑面积超过5亿平方米。

中国地源热泵产业联盟理事长、地源热泵杂志社主编方肇洪指出，从开始向欧美国家学习模仿，到现在有一些自主的创新，中国仅用了20多年时间就进入到地源热泵快速发展的阶段。2015年中国地热的利用量、地源热泵装机容量、利用的能量就占据世界第一的位置。

实际上，上世纪80年代，我国一些高校和科研机构就开始对地源热泵技术进行专题研究，并派学者前往美国、瑞典、德国等地学习考察。1995年，我国北方部分地区试点应用地源热泵技术进行工业和民用建筑的冬季供暖、夏季供冷。21世纪以来，地源热泵得到大面积推广应用，中国地源热泵产业也呈现出高速发展态势。

之所以能够在短时间内从跟跑到领跑，在方肇洪看来，主要得益于三方面的原因，一是地源热泵技术更加重视环境保护，适应当前经济社会发展的新趋势;二是政府对地源热泵产业发展提供了政策支持;三是联盟凝聚行业力量，形成合力促进了应用推广。

据了解，目前我国地源热泵从业企业已从最初的寥寥数家增加到数千家，应用地域已从北京、沈阳等试点城市扩大到天津、河北、辽宁、江苏、上海等省市。从装机容量看，全国地源热泵已从1995年的0.8兆瓦上升到2017年的2万兆瓦，增长2.5万倍;从装机容量占全球总量的比重看，已从1995年的0.04%上升到2015年的23.61%，预计到2020年，这一比例将进一步上升到50%左右。

为绿色建筑注入动力

近年来，地源热泵技术对建筑节能的贡献尤为突出。“绿色建筑的根本问题是解决能源和环境问题，可持续性是绿色建筑的终极目标。”当代置业集团副总裁兼首席技术官陈音表示，“建筑用能70%以上是以热能的形式出现，如果能够合理地用高效的地源热泵给建筑供暖，热泵对建筑的节能将具有重要意义。”

中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院院长徐伟认为，“热泵+蓄能供热”技术为供暖系统供给侧灵活性提供了技术支持，同时可实现清洁供暖和缓解电力负荷峰谷差的“双赢”。他表示，电力热泵应用在清洁取暖中大有可为，可将热泵的优势与蓄能模块有效组合，构建适用于未来建筑的智慧能源采暖供冷系统。

地热能是一种可再生能源，在使用过程中，随时可以再生被利用，并且在使用中不产生任何废弃物，而地源热泵机组运行时，不消耗水，也不污染水，不需要锅炉、不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。

据测算，16万平方米的采暖系统如果采用“地源热泵+冰蓄能”技术，每个采暖季可以从地下土壤中吸取约1200万千瓦时的热量，折合标煤1500吨，可减排二氧化碳1320吨，二氧化硫、氮氧化合物70吨，粉尘15吨。

作为一家深耕绿色建筑多年的房企，当代置业以地源热泵作为建筑节能的首选解决方案。陈音表示，地源热泵集中供暖(制冷)具有一定的能效优势，由于地下温度场稳定，地源热泵机组有更高的能效比，另外，低温辐射末端系统(小温差传热)的应用还可以降低冷凝压力，进一步提高系统的能效。他还表示，由于地下岩土的蓄能作用，在季节转换时还可以得到免费的能源。

另外，地源热泵还可以大幅降低空调能耗。经行业专业人士测量得知，地表温度一年四季保持在较适宜的10℃~20℃范围内，在温度较恒定的情况下，其全年的制冷量与制热量输出(能力)比较稳定，没有“逆反”效应，空调系统运行时使用的能耗将大大降低。

中国石化新星石油公司地热开发专家周总瑛教授介绍说，雄安新区将建设多能互补的清洁能源供应系统，采用“地热+”功能模式，中深层地热供热为基础热源，浅层地源热泵、再生水余热、垃圾发电余热作为辅助热源，燃气锅炉作为补充热源和供热安全保障。

另外，与会人员表示，通过对地源热泵技术、地热梯级利用技术、余热利用技术的不断创新和综合运用，可为建筑供暖提供更多有针对性和时效性的解决方案。

“大干快”下问题显现

近年来，我国地源热泵行业发展迅速，各地都相应推出产业支持政策。不过，在“大干快”的发展势头上，也出现了一些问题。

曹耀峰坦言，地源热泵产品的同质化竞争、监管不严、标准虽然已经启动但是总体上还是滞后的、人才培养跟不上现在发展的形势等，这些都制约了行业的健康发展。

他还表示，如何规范、如何管理，都需要与业内的专家、企业、科研院所、高等院校等机构在标准编制、产品购销、技术服务、人才培养方面更多地合作和交流，以共同推进地热行业持续健康发展。

另外，“地源热泵系统能否长期稳定运行仍然是一个有争议的问题。”陈音说，“地源热泵系统稳定运行有赖于地下温度场变化的准确检测，国内房地产项目大多欠缺有效手段去解决这个问题，未来还需要不断改进和完善。”

中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心主任、北京市地质矿产勘查开发局能源处处长李宁波表示，发展地热能要因地制宜、因时制宜、因事制宜。农村煤改、城市旧改、新建区域，从应用的场景上更复杂、更难，因此需要攻坚克难，投入更多的研发力度。

国家能源局能源行业地热能专业标准化技术委员会秘书处首席专家赵丰年则指出，为了实现地热能的可持续开发和利用，还有必要制定全行业统一的《地热能开发技术导则》，保证在导则指导下开发地热能，推动我国地热能高质量发展。