地源热泵系统

热泵供暖制冷系统推动可再生能源建筑大规模的应用

地大热能热泵系统新闻网讯:热泵是通过消耗能源做功,把处在较低温度下的热量提升到较高的温度水平下释放出来,以满足热量的使用要求。热泵技术可广泛应用于建筑供暖、生活热水、工业干燥、温室养殖等领域

 

近年来,在我国清洁取暖政策的驱动下,热泵供暖技术在我国北方农村地区得到迅速发展。随着人民生活水平的持续提高,广大长江流域地区冬季取暖的市场潜力正在快速释放。

 

作为有效利用可再生能源的技术措施,热泵将是我国供热领域低碳转型的必选技术。除了清洁取暖热泵发挥替代作用外,在生活热水、工业干燥等领域也可进一步扩大其应用范围,技术进步有望推动我国热泵产业实现千亿元规模的突破,为实现我国“碳达峰、碳中和”目标发挥重要作用。


热泵供暖制冷系统推动可再生能源建筑大规模的应用-热泵供热-地大热能

 

一、热泵供热是提升供热电气化水平最现实的技术

到2030年、2050 年,热泵占供暖需求的份额将分别达20%、55%,安装的热泵数量将分别达6 亿台、18 亿台。目前,我国热泵产业发展规模和应用面积位居世界首位。


目前,我国北方城镇建筑约有152 亿平方米需要冬季供暖,随着城镇化进一步发展和居民对建筑环境要求的不断提高,未来我国北方城镇建筑冬季供暖面积预计将达到200 亿平方米。此外,北方地区尚有70 亿平方米的农村建筑也有采暖需求。集中供暖尚未覆盖的区域以燃煤小锅炉、天然气、电、可再生能源等分散供暖作为补充。


近年来,通过清洁取暖行动,北方地区清洁供暖热源基本形成了以超低排放燃煤热电联产为主、天然气供暖为辅,其他热源补充的格局。其中,热电联产约占50%,各种规模的燃煤燃气锅炉约占40%,只有10% 是通过不同的电驱动热泵从空气、污水、地下水地下土壤等各种低品位热源提取热量来满足供暖需求。


除了北方采暖外,广大夏热冬冷地区不在我国传统的集中供暖范围内,但是该地区日最低气温低于5℃的时长达二个多月,长期以来“冬冷”问题没有得到根本地解决。该地区居民要求采暖的呼声日益高涨,冬季供暖市场潜力正在快速释放。


在“碳达峰、碳中和”目标下,需要更快节奏、更大力度地推进建筑用能低碳化,提升电气化水平是推动建筑领域绿色低碳发展的关键路径。与化石燃料供热方案相比,热泵供热产生的二氧化碳排放量明显降低,更加节能环保。热泵的电热转化效率全年可达到300% 以上,而锅炉的热效率不会超过100%。对分散采暖的家庭,比较适合采用热泵供热技术。


而且,随着建筑节能标准的持续提升,未来超低能耗建筑近零能耗建筑将大规模推广,从而大幅降低此类建筑的采暖负荷,不再需要传统的集中供热管网供热,仅用热泵供热技术进行少量补热即可满足冬季采暖需求。热泵技术在供热领域的大规模应用,可以显著提升供热电气化水平,加速供热系统清洁低碳发展。


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二、热泵系统形式多样,因地制宜才能获得真正的节能效果

热泵系统有多种形式,根据热源不同,可分为地下水源热泵地表水源热泵土壤源热泵污水源热泵中深层地热源热泵空气源热泵等。热泵的驱动方式主要有电动机驱动和热驱动两种,目前各种规模热泵供暖多以电驱动为主。热泵供暖是否节能,取决于实际工程条件、地理和气象状况,以及设计安装和运行管理水平,必须因地制宜,在合适场合、适当条件下使用热泵,才能获得真正的节能效果。


(一)地源热泵

地源热泵是利用浅层地热能源(包括地下水土壤或地表水等的能量)既可以供热又可以制冷的高效节能系统地下水温常年基本恒定,夏季比室外空气温度低,冬季比室外空气温度高,且具有较大的热容量,系统效率高。地表水源热泵系统利用的是地球表面水源,如河流、湖泊或水池中的低温低位热能资源,根据传热介质是否与大气相通,可分为开式和闭式系统。土壤源热泵系统是在地下埋入大量的换热用塑料管,循环水经过这些地下埋管地下土壤进行热交换,以提取地下土壤中的热量作为热泵的低温热源。


由于土壤温度较恒定的特性,使得土壤源热泵机组运行相对稳定、可靠,冬季蒸发器无结霜问题。土壤源热泵系统的热效率(COP)一般为3.5~5,相对较高。相比空气源和水源热泵地源热泵适应区域范围最广,基本不受地域限制,只要有足够的地下空间便可使用。目前,我国北方地区地源热泵供热面积已超过1.5 亿平方米,在江苏、湖北、上海等地区也有一定规模的应用,我国主要城市浅层地热能年可采资源量折合七亿吨标准煤,可满足320 亿平方米建筑的供暖(制冷)需求。黄淮海平原和长江中下游平原地区比较适宜浅层地热能的开发利用。


(二)污水源热泵

水源热泵系统是以生活污水中的热量作为热泵的低温热源,适用于污水源资源较多的城区。从民用建筑排出的生活污水在冬季温度一般可达20 ℃左右,高于地下水温度,是很好的热源。当建筑周围有污水大干管时,有可能利用原生污水(即使没有处理、直接排出的污水)作为低温热源,获得较好的热泵系统能耗性能。采用污水源热泵系统,规划上需要科学统筹、合理布置污水源热泵装置,技术上需要注意污浊物污染腐蚀和堵塞取热换热器的问题。


(三)中深层地热源热泵

中深层地热热泵系统中深层地热能密闭取热孔、热源侧水系统、热泵机组和用户侧水系统组成。与常规地源热泵系统相比,主要区别在于,通常采用套管结构的中深层地热能换热装置,从地下2000 米~3000 米、温度70℃ ~100℃的岩石中提取地热能作为低温热源,地热换热装置冬季出水温度可以稳定在30℃以上。中深层地热源热泵采暖技术要求地下取水做到100% 回灌,主要适用于地热资源条件良好、冬季寒冷有供热需求或夏季炎热有制冷需求的地区;用于居住建筑采暖时,夏季无需向地下补热,室内末端可以有多种方式,其中搭配地板辐射采暖较好。


中深层地热能供暖应用技术已经基本成熟,国内北方地区中深层地热供热面积已超过一亿平方米,主要分布在河北、天津、河南、山东等地。中深层地热能供暖安全性高、单位运行成本低、低碳、环保、清洁、舒适,但是建设投资大、选址受地域条件影响、回灌困难,影响地热资源的可持续开发利用。夏热冬冷地区,不鼓励大规模开发中深层地热能供暖,但在地热资源条件较好、供热需求较大、经济承受能力较强的前提下,可以开发中深层地热能供暖项目。


(四)空气源热泵

空气源热泵是从室外空气中提取热量,通过风机驱动室外空气流过安装在室外的采热装置(热泵的蒸发器),获取室外空气中的热量,再经室内换热器(热泵的冷凝器)制取热水或热风,提供给用户用于房间供热。按得热介质的不同,空气源热泵又可分为空气 / 空气热泵和空气 / 水热泵。空气 / 空气热泵,其冷凝器中释放的热量用于产热风,供房间采暖。空气 / 水热泵,其冷凝器中释放的热量用于产热水,热水再通过风机盘管等末端供房间采暖。空气源热泵采暖的室内末端有多种方式,包括地板辐射采暖、直接送热风采暖等。空气源热泵居住建筑、公共建筑均可使用,既可分户使用又可集中使用。


对于超低能耗建筑,不需要集中供热,使用小型空气源热泵进行补热就能满足采暖需求。空气源热泵采暖能耗仅为直接电热采暖能耗的1/3,其与传统的分体空调原理一样但性能不同。传统的分体空调以满足夏季制冷工况性能要求为主,兼顾冬季供热功能,当室外环境温度偏低时不能高效运行,而空气源热泵以满足冬季供热工况性能要求为主,环境温度适应性、系统效率更好。


空气源热泵热风机是我国近年来在市场需求驱动下迅速发展的新技术,处于国际领先地位。通过新的压缩机技术、变频技术和新的系统形式,它可以把空气源热泵热风机的适用范围扩展到-30℃的室外低温环境地区,与一般的冷暖空调产品相比,低温环境下的制热能力提高50%~100%、能效提高约20%,并能迅速提高室内温度,目前市场保有量已达百万台。空气源热泵热风机无需加装散热器、地暖等采暖末端,避免了热水热泵采暖工程中可能出现的跑冒滴漏隐患,户内多台热泵热风机可独立控制、独立运行,同时出现故障的概率较低,使用维护方便。目前,空气源热泵热风机市场售价约每台4500 元,二台空气源热泵热风机即可满足100 平方米建筑采暖需求。


空气源热泵热水机是另一种空气源热泵采暖设备,目前可以实现在-20℃的环境温度下正常工作,提供30℃~50℃的供暖热水,与地板辐射盘管或散热器组成采暖系统为住户供暖,提供稳定的室温,舒适性较好;在供水温度不是特别高时,与空气源热泵热风机的COP 基本相当。空气源热泵热水机,适合“全时间、全空间”的采暖模式,采暖的舒适度较好,但由于难以实现随时启停和部分房间采暖调控,导致采暖房间整个冬季都在采暖,实际能耗有可能达空气源热泵热风机能耗的两倍以上。


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三、热泵供热市场需求前景广阔,节能减碳潜力巨大

我国分散式采暖市场主要分布在北方城镇集中供热系统不能覆盖的建筑,包括北方农宅、超低能耗建筑以及长江流域需要采暖的居住建筑等地方。空气源热泵对夏热冬冷、寒冷、严寒地区的居住建筑和公共建筑基本都适用。


在北方农村地区,若选用高效的空气源热泵替代低效散煤炉或直接电采暖,将带来巨大的市场潜力,仅黄河流域就有约5000 万农户,存在1 亿台~1.5 亿台的空气源热泵市场需求。在大规模推广空气源热泵设备后,还可以采用单台设备的无线通讯和区域联控技术,通过分时分区域控制一定数量的热泵设备启动、停止,实现对本地区电网主动有效的消峰填谷,更有助于区域电力系统的安全、稳定、高效运行。


根据低温空气源热泵设备在北京农宅“煤改电清洁取暖的实践案例数据,采用空气源热泵替代散煤炉采暖系统,根据建筑保温状况不同,单位面积供暖季电耗仅为20 kWh/m2~40 kWh/m2,相当于7 kgce/m2~13 kgce/m2,仅为采用散煤土暖气能耗的1/2,为直接电热取暖能耗的1/3。根据清华大学建筑节能研究中心对北京农宅不同采暖系统的示范和跟踪测试数据,低温空气源热泵热风机、低温空气源热泵热水机的单位采暖面积CO2 排放量分别约为14.6 kg/m2、33.8 kg/m2,比散煤炉采暖系统的CO2排放量148.8 kg/m2分别减少90%、77%。


根据《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》,2021 年电取暖(含热泵)面积要达到15亿平方米。其中,城镇建筑电取暖10亿平方米、农村建筑5亿平方米。如果农村建筑5 亿平方米(相当于500 万户)都采用空气源热泵采暖,其平均电耗强度按10 kgce/m2 估算,则可比散煤土暖气节能500 万吨标准煤、减少CO2排放量5750 万吨以上。如果后续进一步扩大空气源热泵采暖户数,节能减碳潜力还将更加显著。2019 年,我国北方农村供热建筑面积达70亿平方米,若清洁取暖率按50% 估计,未来还有35 亿平方米(相当于3500 万户)农村建筑需要进行清洁供热改造。假设未来其中的20亿平方米北方农村建筑采用空气源热泵采暖,可带来约4000 万台空气源热泵市场需求,并要比直接电加热采暖节省采暖能耗(等价值)2448 万吨标准煤、减少CO2 排放量4736 万吨。

 

而在夏热冬冷地区,存在潜在采暖需求的建筑面积约180 多亿平方米,其中:城镇居住建筑70 亿平方米、公共建筑23 亿平方米、农村建筑90 亿平方米。随着城镇化进一步发展和人民收入水平的提高,未来需要采暖的建筑面积还将进一步增长。该地区冬季寒冷时间较短,取暖需求具有间歇式、局部型特征,不需要全天候、全空间进行持续供暖,因此不宜采用类似北方的集中采暖方式,可采用独立可调的空气源热泵采暖、燃气壁挂炉采暖等分散采暖方式。同时,考虑燃气采暖成本较高、气源紧张等因素,尤其为了尽早实现“碳达峰”,应倡导开展电能替代,减少用户对天然气等化石能源的消耗,空气源热泵采暖应是主导的分散采暖方式。预计未来10 年,夏热冬冷地区供暖市场仅热泵采暖设备市场需求可达一亿台,市场规模4500 亿元。假设未来其中的60 亿平方米城镇居住建筑采用空气源热泵技术进行采暖,每个采暖季的电耗约按每平方米6 千瓦时~8 千瓦时(折合2 kgce~3 kgce)估算,则要比直接电加热采暖节省采暖能耗(等价值)2570 万吨标准煤、减少 CO2 排放量4973 万吨。


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热泵技术方面,还可以有更大的发展空间、更好的应用性能。增加可再生能源的利用,比如发展中深层埋管地源热泵技术,可以高效利用地热能进行供暖。开发复合集成高效热泵技术产品,以便适应多样性发展的需求。

 

热泵供暖技术要取得理想的节能效果,必须因地制宜,结合当地气候条件、资源禀赋、经济条件和用户采暖需求特点等,选择适宜的热泵采暖技术方式。热泵供暖系统的正常运行需要在设备选型、工程安装、调试运行、售后维护等环节做好技术支撑。热泵行业的广阔前景吸引了大量企业一哄而上,但是热泵产品和工程质量良莠不齐,技术服务体系不完善,存在热泵设备安装运行不合理,导致使用效果不佳的现象,影响热泵供暖技术推广,市场监管有待进一步强化。

 

推动可再生能源建筑大规模的应用,提高可再生能源替代常规化石能源的比例,是促进建筑低碳转型的重要路径。然而,我国可再生能源统计范畴中还没有明确把热泵系统(包括地源、水源、空气源)纳入其中,缺乏明确的核算统计方法,不能准确体现通过热泵技术利用的可再生能源量,容易导致低估热泵可再生能源供热量的贡献,影响热泵产业的健康发展。

 

湖北地大热能科技有限公司顺应市场走势和政策动态始终走在地源热泵发展的最前沿,湖北地大热能科技有限公司是一家高新技术有限公司,公司凭借中国地质大学最权威最先进的学术理念,结合自身丰富的实践经验在地热开发方面取得了很大的成就。公司始终都以“地热服务全球为理念,以地热造福人类为宗旨”努力置身于地热能清洁能源的开发研究,为人们的绿色生活做出自己的最大贡献。