郭海秋 ,陳春艷,叢日鳳

(寧安市環(huán)境監(jiān)測站,黑龍江寧安157400)

1 引言

伴隨著社會主義新農(nóng)村建設的深入以及農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展,農(nóng)村環(huán)境問題日益突出,農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境致使柴草成堆、雜亂無序,影響村容整潔,農(nóng)村燃煤燃薪材對大氣環(huán)境的面源污染更為嚴重,所以在農(nóng)村因地制宜推廣清潔能源已經(jīng)成為一種趨勢。實施淺層地能(熱)替代燃煤燃薪材供暖或是替代空調制冷,對改善農(nóng)村環(huán)境質量,提高生活品質,建設社會主義新農(nóng)村具有重大意義。

淺層地能(熱)是在太陽能照射和地心熱產(chǎn)生的大地熱流的綜合作用下,存在于地殼下近表層數(shù)百米內(nèi)的恒溫帶中的土壤、砂巖和地下水里的低溫地熱能。淺層低溫地能廣泛存在于大地近表層的恒溫帶中,其溫度水平略高于當?shù)啬昶骄鶜夂驕囟?在不同地域、不同氣候條件下,恒溫帶中的溫度變化不大,相對穩(wěn)定,所謂低溫就是它低于傳統(tǒng)地熱溫泉溫度的下限(25℃)。在地球南北極、春夏秋冬它的溫度水平一般在10～25℃范圍內(nèi)。

淺層地能(熱)不是傳統(tǒng)概念的深層地熱,是地熱可再生能源家族中的新成員,它不屬于地心熱的范疇,是太陽能的另一種表現(xiàn)形式,廣泛的存在于大地表層中。它既可恢復又可再生是取之不盡用之不竭的低溫能源。以往這種低溫能源與深層地熱的高品位能量相比,因品位不高(通常溫度﹤25℃),往往被人們所忽視,但是采集利用價值卻很大。因為它具有可再生、儲量巨大、分布廣泛、能量恒定等特點。隨著制冷技術及設備的進步和完善,成熟的熱泵技術使淺層地能(熱)的采集、提升和利用成為現(xiàn)實[1]。

2 開發(fā)淺層地能(熱)技術原理

采集自然界中可再生的低品位能量——淺層地能,利用熱泵技術將低品位能量提升為高品位能量,再適度地釋放到使用環(huán)境中。淺層低溫地能(熱)供暖的核心是熱泵技術,是用蒸發(fā)器吸收低溫熱量給壓縮機絕熱提升后以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)。它用潛水泵將井水(約15℃)以100m3/h的流速注入熱泵機組,井水在熱泵機組內(nèi)放熱,溫度降為10℃井水所放出的熱量經(jīng)熱泵提升至50℃以后,通過風機盤管將熱量放入室內(nèi)達到采暖的目的。放熱后的井水被送回同一口井內(nèi),通過井內(nèi)的土壤換熱裝置與周圍土壤換熱,水溫恢復后再次被潛水泵吸入并注入機組[1]。

熱泵技術,通過采集淺層低溫地能(熱),并略加提升,來滿足供暖(冷)的需求,同時實現(xiàn)供暖(冷)區(qū)域的零污染排放。不僅利用了大自然的低品位可再生能源,大幅度節(jié)約高品位傳統(tǒng)的建筑用能,同時真正實現(xiàn)供暖(冷)而無污染的綠色居住環(huán)境。

3 國內(nèi)外開發(fā)淺層地能(熱)技術的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外的發(fā)展現(xiàn)狀

目前在國外,熱泵供暖(冷)技術已處于商業(yè)化應用。國際上熱泵技術的快速發(fā)展是1973年世界“石油危機”以后,熱泵供暖技術應用得到美國、日本、德國、瑞典等國政府的認可。為推動熱泵技術的發(fā)展,1976年世界能源組織成立了“國際熱泵委員會”。蘇、英、法、聯(lián)邦德國、丹麥、瑞典、挪威等國參加。一些國際組織如國際制冷學會(IIR)、世界能源委員會(WEC)、國際能源機構(IEA)等,經(jīng)常組織有關熱泵的國際活動與學術會議,促進熱泵技術的發(fā)展。

現(xiàn)今在歐洲各國用于供暖的熱泵總數(shù)達到600 000套。瑞典是用熱泵進行供暖的最大國家,次之是瑞士、德國、奧地利、法國。歐洲各國熱泵發(fā)展和產(chǎn)品開發(fā)方興未艾,正在迅速成長。一些國家如瑞典和瑞士政府采取積極的扶持政策,財政補貼、減稅、優(yōu)惠電價和廣告宣傳力度等,并組建熱泵推廣協(xié)會和檢測中心機構,促進其發(fā)展。

美國地源熱泵供暖供冷裝置真正意義的商業(yè)化應用也只有近20年的歷史。據(jù)統(tǒng)計,到目前為止已安裝近40萬臺,而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長。現(xiàn)今,世界各國對熱泵的興趣越來越濃,歐洲、日本和北美的制造廠都為工業(yè)、商業(yè)、建筑和民用提供大量熱泵。許多國家把熱泵作為減少CO2、SO2、NOX排放的一種有效方法。

3.2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國以煤炭能源為主導,能源價格的特殊性等因素,使熱泵發(fā)展緩慢。20世紀70年代初,第一次世界石油危機,在國際上掀起推廣熱泵技術應用熱潮,也同時影響了我國學術界、高等學校、研究所和學會。我國熱泵系統(tǒng)作為商業(yè)化應用與世界發(fā)達國家相比有一段明顯的滯后期。熱泵的發(fā)展不僅與國家國民經(jīng)濟總體發(fā)展及熱泵本身技術進展有關,還與能源的結構與供應、環(huán)境治理的需求有關,特別是與政府的政策導向密切相關。當能源、環(huán)保提到社會議事日程時,才意識到發(fā)展熱泵技術的重要性。

熱泵技術在我國推廣應用緩慢,主要原因包括以燃煤為主的供暖手段很多;能源價格失調(煤價無低于電價);壓縮機制造水平與國外差距較大;空氣源熱泵冬季供暖結霜的難點不易解決;經(jīng)濟發(fā)展程度制約人們的觀念轉變,對冷暖熱三聯(lián)供要求不迫切等。20世紀80年代初至90年代末,在我國暖通空調領域掀起一股“熱泵熱”,熱泵供暖(冷)在我國應用日益廣泛,且發(fā)展速度很快,這主要是上述原因的改善和環(huán)境要求城市能源結構的變化所致。

目前,熱泵站在節(jié)約能源中的作用已引起國內(nèi)主管部門和暖通空調工作者的關注和興趣,認識正在提高。有些城市已開始論證建立以水為低溫熱源的大型熱泵站的可行性問題。國家有關部門將熱泵站示范工程的研究納入國家科技攻關計劃的能源項目中。以淺層地能(熱)的地下水和土壤作為熱泵低溫地源比大自然的地表水和空氣有著更相對穩(wěn)定的特點,它的能量采集基本不受使用地域和四季氣候的影響。它作為建筑物的冷熱源初始采集更具有推廣價值。目前水源熱泵生產(chǎn)廠家全國已超過20家,上海閔行經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的辦公樓供暖(冷)是我國第一個采用土壤源的熱泵工程,近些年來國內(nèi)數(shù)所高等學校開展了土壤源熱泵系統(tǒng)的試驗研究,并取得一些有指導意義的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今人們對生活品質和舒適性要注的不斷提高,城市能源結構的改變,建筑市場的巨大為熱泵供暖(冷)技術在推廣創(chuàng)造了前所沒有的機遇。國內(nèi)在熱泵理論研究、試驗研究、產(chǎn)品開發(fā)、工程項目的應用諸方面都取得了可喜的成果。我國熱泵系統(tǒng)的應用正步入了世界性大國[2]。

4 淺層地能供暖技術分析

4.1 淺層地能(熱)供暖(冷)和傳統(tǒng)供暖(冷)方式的比較

一直延續(xù)到今天的傳統(tǒng)的建筑供暖(冷)方式,它的最大缺點有4點,包括使用礦物質燃料資源有限;能源利用不合理：燃用礦物質燃料(煤、油、氣)等燃燒1 000℃煙氣加熱低溫水70～80℃,而排煙溫度競達200℃左右,效率極低,能源浪費極大;燃燒產(chǎn)物污染嚴重,不僅產(chǎn)生大量溫室氣體CO2,同樣煙塵、CO、SO2、NOX皆須后期治理;設備功能單一,鍋爐只供暖,制冷須另設制冷機組(如分體空調,電壓縮式冷水機組或熱力吸收式制冷機),另加投資。而新型淺層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。若用地下水換熱,每100m3/h利用5℃溫差,可獲取580kW低溫熱源,只消耗約150kW的電絕熱壓縮,提升這部分熱量,可實現(xiàn)700多kW 的供熱量,這就相當傳統(tǒng)1t/h鍋爐的供熱量,在京津地區(qū)可供1萬m2的建筑供暖。

(2)能源利用高,比傳統(tǒng)方式節(jié)能50%～75%。

(3)真正實現(xiàn)了供暖(冷)建筑使用區(qū)域的零排放,零污染。

(4)一套設備,冬季既可供暖,夏季又可制冷,并提供日常生活熱水,節(jié)約總體投資?？傊?國內(nèi)外建筑傳統(tǒng)供暖(冷)的能源結構必須改變,淺層地能(熱)將是取代它的最有力的措施,必將引起21世紀傳統(tǒng)供暖(冷)方式的重大變革[2]。

表1 二種供暖方式的比較

4.2 淺層地能(熱)替代傳統(tǒng)供暖的試點經(jīng)驗

2007年寧安市渤海鎮(zhèn)引進了恒有源科技發(fā)展有限公司的淺層地能(熱)供暖技術,在小朱家村2戶農(nóng)戶家中進行了一個采暖期有試驗,并取提得了成功。試用期內(nèi)冬季室溫可保持在20℃以上,取暖消耗主要是熱泵工作的電能消耗,按2007年冬季燃煤價格計算,實際發(fā)生費用為16.67元/m2與燃煤費用基本持平。2008年推廣到27戶,2009年新增63戶,冬季室溫可保持在20℃以上。目前小朱家村主村110戶已有90戶村民應用了淺層地能開發(fā)利技術,與傳統(tǒng)燃煤供熱系統(tǒng)相比,又有多方優(yōu)勢,包括功能多,冬季供熱、夏季制冷、日?？商峁┥顭崴?清潔、環(huán)保、零污染;占用空間少,其體積與普通冰箱相近,節(jié)省了儲煤、儲柴、儲秸稈的空間;供熱質量高,供熱可使室溫保持在20℃左右;操作方便,且更加安全。無高溫、高壓過程,還可避免煤煙中毒、生活火災等危險。應用淺層地能開利用技術以使用面積100m2住宅為例計算,前期投入總成本為3.4萬元,主要包括單臺H T760A淺層地難熱泵機1.8萬元,配備2眼井、安裝管線、水泵8 000元;農(nóng)戶進行室內(nèi)地熱管網(wǎng)改造7 800多元。通過3年多的實際應用,淺層地能設備已經(jīng)得到了廣大農(nóng)戶的認可。

4.3 淺層地能資源開發(fā)利用產(chǎn)生的綜合效益

(1)農(nóng)戶冬季采暖費用明顯降低。以使用面積100m2農(nóng)戶住宅為例,使用傳統(tǒng)的燃煤取暖,每個采暖期使用燃煤約為2.5～3.0t,按燃煤市場價格每噸600元計算,燃煤費用約1 500～1 800元左右,引火材200元,合計取暖費用在1 700～2 000元左右,平均溫度達到16～17℃。而采用淺層地能開發(fā)利用技術,每個采暖期用電2 350kW?h,按農(nóng)電0.51元/kW?h,取暖費用約為1 200元,平均溫度達到20℃以上。由此可見,應用淺層地能開發(fā)利用技術取暖與傳統(tǒng)燃煤取暖相比較,每個取暖期可節(jié)約費用500～800元,而且取暖的效果也明顯優(yōu)于燃煤供熱。

(2)節(jié)能減排效果突出。淺層地能開發(fā)利用技術由于采用井水就地原位回灌的方式,既不會消耗污染地下水,也不會破壞地下水的正常分布。從能源的單位投資成本來看,每投資1kW能源,淺層地能至少比煤電節(jié)約2 000元,比水電節(jié)約3 000元,比風電節(jié)約5 000元。同時,恒有源淺層地能設備在運行過程中沒有任何污染物排放,環(huán)保效果較為突出。如果小朱家村206戶農(nóng)民都能用上此技術,按每戶平均住宅使用面積100m2每個采暖期使用燃煤3t計算,每年冬季可節(jié)約燃煤600多t,煙塵、二氧化硫可分別減少排放28.5t,2.88t。

(3)農(nóng)戶的生活質量顯著提高。很多農(nóng)戶反映,淺層地能開發(fā)利用技術不但清潔、環(huán)保、零污染,并且能定時供暖,節(jié)省能源。環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益可觀。

5 結語

我國重要能源資源短缺,能源資源人均占有量不足,且浪費嚴重。傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增長方式難以為繼,必須盡快加以扭轉。節(jié)約能源資源是樹立科學發(fā)展觀、轉變經(jīng)濟增長方式,從根本上緩解資源約束、減輕環(huán)境壓力、實現(xiàn)全面建設小康社會目標和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。推廣淺層地能(熱)的開發(fā),采用國際領先技術的中央液態(tài)冷熱源環(huán)境系統(tǒng),通過創(chuàng)新中央液態(tài)的淺層地能(熱),解決了人們生活中3大基本問題：供暖、制冷、生活熱水,無污染,價格低廉,可替代高成本煤炭取暖,實現(xiàn)了經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益的統(tǒng)一。因此推廣淺層能(熱)開發(fā)技術的前景看好。

我國農(nóng)村推廣淺層地能(熱)開發(fā)技術,其社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境效益顯著：對改變能源結構,資源的高效利用、不可再生能源資源的持續(xù)利用、農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設等,均具有重要的促進作用和現(xiàn)實意義。淺層地能(熱)的開發(fā)、利用,在某種意義上講,是一種暖通行業(yè)能源利用的一場革命,特別是在我國農(nóng)村有序推廣更加具有長遠的積極影響。

[1]北京恒有源科技發(fā)展有限公司.淺層地能及地能熱泵系統(tǒng)技術資料[R].北京：北京恒有源科技發(fā)展有限公司,2006.

[2]程 韌.淺層地能(熱)的開發(fā)與利用[J].巖土工程技術,2003(1)：57～ 59.