土壤源熱泵用于北方城鎮(zhèn)住宅采暖的可行性分析

溫志梅

[摘要]燃煤供暖問(wèn)題是造成北方霧霾的主要因素之一，目前全球環(huán)境的惡化給地球人敲響警鐘，只有進(jìn)行科學(xué)的供熱方式選擇減少溫室氣體排放，才能夠提高環(huán)境質(zhì)量，改善全球氣候?；诖耍疚闹饕治鐾寥涝礋岜糜糜诒狈匠擎?zhèn)住宅采暖的可行性，并探討其應(yīng)用的價(jià)值分析具體應(yīng)用的方式，以提高北方城市住宅采暖的環(huán)保性能。

[關(guān)鍵詞]土壤源熱泵;北方城鎮(zhèn)住宅;采暖可行性

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU832

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

國(guó)家環(huán)保部門(mén)2018年12月份報(bào)告顯示，截至2018年12月底，我國(guó)北方城市二氧化碳排放量已經(jīng)超過(guò)16萬(wàn)噸。相較于五年前提高24%，在全國(guó)碳排放總量當(dāng)中占比超過(guò)60%。住宅采暖是造成北方城鎮(zhèn)二氧化碳排放量較大的重要因素之一，尤其是鍋爐采暖，每年排放煙塵超過(guò)350萬(wàn)噸，二氧化硫排放量超過(guò)800萬(wàn)噸，土壤源熱泵屬于一種綠色環(huán)保的采暖方式，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 土壤源熱泵用于北方城鎮(zhèn)住宅采暖的價(jià)值

相較于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，土壤源熱泵性能大大提升，可以應(yīng)用雙螺旋桿壓縮機(jī)，提升傳熱效率，改善傳熱系數(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的采暖方式來(lái)說(shuō)，土壤源熱泵的傳熱系數(shù)可以達(dá)到4.3，將90%以上的地源熱能轉(zhuǎn)換為供熱熱能。土壤源熱泵使用可以同時(shí)滿足采暖和制冷兩項(xiàng)功能，相對(duì)于傳統(tǒng)的采暖方式增加制冷功能，并為用戶(hù)提供生活熱水。供熱設(shè)備的使用率從原本的40%提升到90%以上，節(jié)能效果提升70%，一套設(shè)備就可以替代原有的鍋爐加空調(diào)，用戶(hù)的使用成本降低80%以上。從這個(gè)角度來(lái)看，土壤源熱泵是替代北方城鎮(zhèn)住宅采暖方式的最佳路徑：

第一，可以大幅度提高城鎮(zhèn)住宅供暖的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保效應(yīng)，具有廣闊的發(fā)展前景。目前供暖成本是北方城鎮(zhèn)住宅年花費(fèi)的主要成本，土壤源熱泵的使用可以減少居民的采暖費(fèi)用，還可以縮減政府在供暖方面的財(cái)政支出，屬于綠色環(huán)保的供熱方式，大范圍推廣可以在不降低居民生活質(zhì)量的同時(shí)，提高城鎮(zhèn)居民的可分配收入。

第二，土壤源熱泵是一種綠色清潔能源，可以大幅度減少化石能源的燃燒，減少城鎮(zhèn)供暖造成的環(huán)境破壞。改善城鎮(zhèn)冬季的環(huán)境，降低霧霾天氣出現(xiàn)的頻率。為城鎮(zhèn)居民提供更高質(zhì)量的居住空間，減少霧霾天氣造成的肺部疾病，保護(hù)城鎮(zhèn)居民的身體健康。

第三，土壤源熱泵的使用還可以緩解全球的氣候變暖現(xiàn)象，降低供暖燃燒化石能源造成的溫室氣體排放問(wèn)題。一些城市供暖使用的煤炭硫含量比較高，供暖還會(huì)造成不同程度的光化學(xué)煙霧問(wèn)題，通過(guò)土壤源熱泵的使用，該種環(huán)境問(wèn)題可以得到有效的緩解。

2 土壤源熱泵應(yīng)用于北方城鎮(zhèn)住宅采暖的可行性及具體應(yīng)用策略

2.1 可行性分析

2.1.1 技術(shù)可行性

土壤源熱泵這個(gè)概念最早起源于瑞士，于1912年提出，瑞士日內(nèi)瓦某研究所申請(qǐng)專(zhuān)利技術(shù)，并逐漸推廣在英美兩地。通過(guò)土壤換熱器，對(duì)土壤當(dāng)中的熱能資源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，土埋管技術(shù)是當(dāng)時(shí)主要的市場(chǎng)推廣方式。截至目前，土壤源熱泵技術(shù)的總?cè)萘亢彤a(chǎn)熱量已經(jīng)超過(guò)10000mw和53000tj，在各地推廣安裝的土壤源熱泵數(shù)量已經(jīng)超過(guò)80萬(wàn)套，主要安裝的國(guó)家有美國(guó)、奧地利、德國(guó)、加拿大、瑞典和瑞士等等。以美國(guó)為例，目前土壤源熱泵的安裝容量已經(jīng)達(dá)到3798mw，安裝套數(shù)超過(guò)50萬(wàn)套，年產(chǎn)熱量為3790TJ，目前的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，可以通過(guò)第三代土壤換熱器對(duì)資源進(jìn)行有效利用，安裝土壤源熱泵還可以進(jìn)一步提升熱能轉(zhuǎn)換效率。

隨著技術(shù)的升級(jí)，土壤源熱泵的生產(chǎn)、安裝、后期維修技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，我國(guó)已經(jīng)可以獨(dú)立完成新型號(hào)土壤源熱泵的研發(fā)與后期維修工作。同時(shí)，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)以及信息化技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)于土壤源熱泵運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集也進(jìn)入到了成熟階段，可以通過(guò)PLC自動(dòng)化控制技術(shù)，調(diào)整土壤源熱泵的供熱效能，對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，減少設(shè)備出現(xiàn)故障的概率，促進(jìn)土壤源熱泵運(yùn)行效率提升。

2.1.2 政策可行性

我國(guó)相對(duì)于奧地利、德國(guó)、美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家，在土壤源熱泵研究方面起步較晚，但是進(jìn)入新時(shí)代以來(lái)發(fā)展速度較快，緊跟世界潮流并應(yīng)用智能化技術(shù)協(xié)調(diào)城市供暖，達(dá)到世界先進(jìn)水平。在北京、廊坊、大連等技術(shù)先進(jìn)地區(qū)，我國(guó)目前的土壤源熱泵技術(shù)已經(jīng)超過(guò)世界先進(jìn)水平。為促進(jìn)土壤源熱泵技術(shù)的廣泛推廣，我國(guó)完善綠色技術(shù)的立法標(biāo)準(zhǔn)，2006年1月1日，建設(shè)部正式批準(zhǔn)發(fā)布《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，2017年和2019年分別對(duì)該技術(shù)規(guī)范增補(bǔ)條例約定具體細(xì)節(jié)進(jìn)行執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化管理，截至2018年12月份，我國(guó)各城市安裝土壤源熱泵的總面積已經(jīng)超過(guò)9000萬(wàn)平方米，年增長(zhǎng)速度超過(guò)25%，并以京津冀地區(qū)和渤海灣地區(qū)發(fā)展速度最快。

天津市和北京市在土壤源熱泵的推廣方面走在了前列，2020年2月開(kāi)始，北京市和天津市在土壤源熱泵使用的技術(shù)管理方面推出了標(biāo)準(zhǔn)化政策，這對(duì)于技術(shù)的發(fā)展具有明顯的促進(jìn)作用。在未來(lái)，隨著技術(shù)推廣范圍的擴(kuò)大，政策將進(jìn)一步成熟。政府在新技術(shù)升級(jí)方面發(fā)揮著重要的作用，不斷完善市場(chǎng)服務(wù)職能，促進(jìn)管理范圍擴(kuò)大。

2.1.3 經(jīng)濟(jì)可行性

經(jīng)濟(jì)可行性是技術(shù)可行性的支撐，只有滿足經(jīng)濟(jì)要求降低應(yīng)用成本，才能夠提高土壤源熱泵技術(shù)應(yīng)用的可持續(xù)水平。在建筑改造的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)用土壤源熱泵需要大量的資金投入，前期投入越小，則技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性越好，后期使用的成本也會(huì)越低。目前土壤源熱泵應(yīng)用的性能系數(shù)cop可以達(dá)到4.2，這是國(guó)際通用的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，我國(guó)目前的生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)可以達(dá)到這一指標(biāo)要求。在單位供熱的情況之下，消耗的能源較少，擁有更好的技術(shù)水平，這也就提升了可再生能源在建筑中應(yīng)用的價(jià)值。在未來(lái)研究的過(guò)程當(dāng)中，可以充分對(duì)土壤源熱泵利用系統(tǒng)進(jìn)行改造，進(jìn)一步降低前期投入，建設(shè)小體積多功能循環(huán)與水系統(tǒng)聯(lián)合的土壤源熱泵，從而進(jìn)一步改善熱泵的性能系數(shù)，提高發(fā)展?jié)撃堋?/p>

2.2 土壤源熱泵在北方城鎮(zhèn)住宅采暖中的具體應(yīng)用