“雙碳”背景下地源熱泵應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)探討

傅曙光

浙江邁金環(huán)境科技股份有限公司 浙江 海鹽 314000

引言

地源熱能是大自然賜予人類的巨大恩惠，像陽光水資源一樣，地源熱能有著廣泛的發(fā)展利用空間，也因此引發(fā)了新的技術(shù)革命。地源熱能是指地球淺表層的地?zé)?，也可以稱之為地能，它包括地表400m以內(nèi)的淺層儲(chǔ)存的地?zé)豳Y源，地表土壤，地下水以及河流湖泊吸收的太陽能等。人們形象地把地表淺層比喻成巨大的太陽能集熱器，這里收集儲(chǔ)存了將近一半的太陽熱能，這里一年儲(chǔ)存的太陽能是人們消耗能量的500倍，是難得的可再生能源。在提倡節(jié)能環(huán)保的大形勢(shì)下，如何利用地源熱泵來滿足人們的生活和工作需求，是現(xiàn)代能源利用的重大課題。

1 地源熱泵發(fā)展概況

1.1 地源熱泵概念和設(shè)計(jì)原理

從根本上來說，地表的土壤和地表水地下水所儲(chǔ)存的能量源自太陽，地表層僅僅是太陽能的存儲(chǔ)器。正是因?yàn)橥寥篮秃恿鲀?chǔ)存能量的相對(duì)穩(wěn)定性，人們才通過地源熱泵把地表淺層儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化成能夠利用的方式，這就是把能量從低品位向高品位轉(zhuǎn)換，通過少量的電能消耗，啟動(dòng)地源熱泵進(jìn)入工作模式[1]。在冬天把低位熱源的熱量也就是地表熱能傳送到需要供熱的家庭和工作生活場(chǎng)所，在夏天可以把室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)換到地表土壤和河流這樣的熱源中，進(jìn)而節(jié)約大量的能源，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求。

1.2 地源熱泵的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

作為先進(jìn)的供熱制冷新技術(shù)，地源熱泵能夠利用淺表底層常溫?zé)崮芙鉀Q供暖制冷問題，具有不可替代的三大優(yōu)勢(shì)。第一就是節(jié)約能源，資料顯示，地源熱泵與常規(guī)的供熱系統(tǒng)相比，可以節(jié)約能源消耗六成以上，這個(gè)數(shù)據(jù)全國累加起來是非常宏大的。第二就是地源熱泵在運(yùn)行過程中排泄的廢棄物非常少，是真正的環(huán)保技術(shù)工程。尤為難得的是，利用地?zé)岜举|(zhì)上就是利用太陽能，而太陽能是用之不竭的天然能源，地源熱泵就是典型的可再生能源項(xiàng)目。第三就是地源熱泵的運(yùn)行成本很低，與常規(guī)供熱系統(tǒng)相比，地源熱泵的運(yùn)用可以節(jié)約能源五六成以上，這對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重大的積極意義。

1.3 地源熱泵的技術(shù)應(yīng)用

典型的地源熱泵技術(shù)是埋地?zé)峤粨Q器來從土壤里獲取熱能或釋放熱能，冬季需要供暖的時(shí)候，地埋熱能轉(zhuǎn)換器可以把地表的熱能通過傳遞系統(tǒng)送到千家萬戶，還有各個(gè)工作生活共用場(chǎng)所。與此同時(shí)，房間里的冷氣通過地源熱泵系統(tǒng)收集并送到地表存儲(chǔ)起來，以備夏季制冷使用。到了夏季，地源熱泵又開啟制冷系統(tǒng)，地表的冷氣開始輸送到用戶家里或公共場(chǎng)所，室內(nèi)的余熱通過熱泵轉(zhuǎn)換，送到地下存儲(chǔ)起來，準(zhǔn)備冬季供暖使用。地源熱泵的技術(shù)應(yīng)用是通過3種不同技術(shù)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)設(shè)置功能的，這其中包括地埋管系統(tǒng)的設(shè)置，地表水的熱能采集系統(tǒng)和地下水熱能采集和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)3個(gè)分支功能來實(shí)現(xiàn)地下熱能轉(zhuǎn)換運(yùn)作。

1.3.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)。地埋管系統(tǒng)是專門針對(duì)土壤內(nèi)部熱能的采集和轉(zhuǎn)換，是應(yīng)用比較廣泛的一門新技術(shù)。相對(duì)于地下河與地上河的流域來說，地表對(duì)于太陽能的獲取面積最大，施工技術(shù)的難度系數(shù)較小，運(yùn)行成本很低。通過豎直的或水平埋藏的土壤熱能交換器來實(shí)現(xiàn)巖土層的熱量交換，關(guān)鍵問題有兩點(diǎn)，一個(gè)是熱能交換器的設(shè)計(jì)功能要達(dá)到理想境界，畢竟巖土層的熱能不像燒鍋爐一樣很快升溫，需要一個(gè)漫長的轉(zhuǎn)換過程[2]。再一個(gè)就是傳熱介質(zhì)的選定也非常重要，事實(shí)上熱能轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵技術(shù)在于熱能轉(zhuǎn)換介質(zhì)，在這方面人們的社會(huì)實(shí)踐積累已經(jīng)成熟。第三個(gè)就是鋪設(shè)熱能交換器的鉆井工藝，這也是決定巖土層熱能轉(zhuǎn)換的硬件要求。近年來隨著鉆井技術(shù)不斷成熟，成功順利鋪設(shè)熱能轉(zhuǎn)換器已經(jīng)不再是技術(shù)障礙。

1.3.2 地表水源熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。地表水是獲取太陽能的重要組成，如果除去海洋面積之外，通過地表水存儲(chǔ)的太陽熱能非常大，不能被忽視。地表水的涵蓋很廣泛，江河湖泊以及一些大型的水庫，還有工業(yè)廢棄處理池水和電廠冷卻水，都可以接受和儲(chǔ)存大量的太陽能。對(duì)于地表水熱能帶采集，一直以來是我國科技工作者孜孜以求的發(fā)展方向，已經(jīng)獲得了專業(yè)層面的突破。按照水源的不同，可以劃分為污水源的熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，海水轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和淡水熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。而地表水的熱能轉(zhuǎn)換又可以分為開式和封閉循環(huán)兩大類，開式熱能轉(zhuǎn)換是直接通過水源熱泵和熱換器來獲取能量，而閉式熱能轉(zhuǎn)換是通過換熱介質(zhì)在換熱盤管管壁進(jìn)行熱能交換。地表水不管采用開式還是閉式，在北方地區(qū)應(yīng)該注意防凍，這一點(diǎn)一定要引起關(guān)注。

1.3.3 復(fù)合型地源熱泵系統(tǒng)。由于地源熱泵有著自身的局限性，尤其是地表熱能的轉(zhuǎn)換需要一個(gè)漫長的過程，再加上地表接受太陽因?yàn)榫暥鹊挠绊?，各地的地源熱泵功效不盡相同，這也給地源熱泵的熱能轉(zhuǎn)換帶來一定的困擾[3]。尤其是冷熱負(fù)荷差別很大，這對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)本身也是一個(gè)巨大的考量。在長期的社會(huì)實(shí)踐中，人們開始試探著對(duì)地源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)性的復(fù)合，也就是借助傳統(tǒng)的非傳統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來加持地源熱泵的設(shè)置功能，獲得了不少的實(shí)踐體驗(yàn)。比如，地源熱泵系統(tǒng)與太陽能的利用的復(fù)合，冰儲(chǔ)冷與地源熱泵系統(tǒng)的復(fù)合，地源熱泵系統(tǒng)與冷卻塔的復(fù)合等等。

2 地源熱泵發(fā)展趨勢(shì)探討

2.1 地源熱泵在推進(jìn)過程中的問題

在應(yīng)用和推廣地源熱泵的進(jìn)程中，因?yàn)樗枷胝J(rèn)識(shí)層面的差異，人們對(duì)于地源熱泵的認(rèn)識(shí)也存在一定的差距。畢竟作為一項(xiàng)高新技術(shù)，社會(huì)層面應(yīng)該有一個(gè)接受和消化的過程。然而站在社會(huì)進(jìn)步與和諧社會(huì)的建立和形成的高度來說，充分利用地?zé)岷吞柲埽墙ㄔO(shè)人與自然和諧相處友好環(huán)境的內(nèi)在要求。在推進(jìn)地源熱泵的偉大實(shí)踐中，不僅是思想認(rèn)識(shí)，一些硬件的要求也要跟上，這里面主要的問題有以下幾個(gè)方面。

2.1.1 土壤問題。土壤的品質(zhì)直接決定著地源熱泵的使用效能，就地?zé)釛l件的生成來說，土壤接受存儲(chǔ)太陽能的程度不盡相同，因此，不能千篇一律要求各地的技術(shù)施工進(jìn)度和標(biāo)準(zhǔn)。比如，當(dāng)?shù)氐乇硗寥赖暮穸炔槐M相同，在埋設(shè)熱能交換器的時(shí)候就不能過度強(qiáng)調(diào)一致性，一定要堅(jiān)持實(shí)事求是的工作態(tài)度，才能扎實(shí)有效推進(jìn)地源熱泵的普及應(yīng)用[4]。在這方面一是要科學(xué)合理確定地?zé)嵩床杉木嚯x，不能太緊湊，不然就會(huì)影響地?zé)徂D(zhuǎn)換的功效。二是要觀察當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和氣候條件，因地制宜做好地源熱泵的穩(wěn)步推進(jìn)。三是要研判土壤的理化特性，對(duì)于土壤的能量的平衡，熱能傳導(dǎo)與傳輸問題的研究等等，都要做到心中有數(shù)，應(yīng)對(duì)措施更要跟上。

2.1.2 熱能轉(zhuǎn)換器的使用。熱能轉(zhuǎn)換器直白一點(diǎn)就是埋設(shè)管網(wǎng)，這方面一是熱能轉(zhuǎn)換原理和型號(hào)很多，在選擇的時(shí)候一定要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件來確定施工方案。二是要弄懂熱能轉(zhuǎn)換器的工作原理，不能照搬照抄別人的經(jīng)驗(yàn)和做法，三是要注意傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)與地源熱泵轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的銜接，不能因?yàn)樾录夹g(shù)的推進(jìn)影響客戶的生活體驗(yàn)。尤其要關(guān)注地源熱泵的條件匹配，在負(fù)荷超重的情況下，要考慮地源熱泵系統(tǒng)的復(fù)合體系的建立。認(rèn)真研究各種傳熱模板在傳熱傳質(zhì)的互相耦合問題，深入研究回填材料介質(zhì)的傳導(dǎo)性能，也只有這樣，才能滿足熱能轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)需求，提升熱能傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換水平。

2.1.3 其他配套技術(shù)問題。地源熱泵的應(yīng)用是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，需要方方面面的技術(shù)支撐和配套建設(shè)。比如，地源熱泵對(duì)于鉆井技術(shù)的要求，尤其是暖通空調(diào)技術(shù)與鉆井技術(shù)的融會(huì)貫通，是對(duì)一線施工人員的技術(shù)考量，要充分做好不同技術(shù)層面的結(jié)合，尤其是技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[5]。此外，因?yàn)榈叵滤毓嗉夹g(shù)不成熟，會(huì)帶來地下水有一定的落差，這就要會(huì)同當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境保護(hù)部門來共同研制應(yīng)對(duì)方案，推進(jìn)地源熱泵新技術(shù)不能以環(huán)保破壞為代價(jià)。更重要的是，土壤層面的地源熱泵施工。會(huì)不會(huì)給土壤的理化性能造成影響，比如，在熱能轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)對(duì)土壤的熱能鹽分濕度帶來不利的影響等等，一定要引起高度的重視。

3 推進(jìn)地源熱泵工程的社會(huì)訴求

地源熱泵是一件關(guān)乎國計(jì)民生的能源革命，這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用所產(chǎn)生的積極意義不言而喻，對(duì)于節(jié)能環(huán)保充分利用太陽能資源有著重大的推進(jìn)作用[6]。在這方面一是要強(qiáng)化思想認(rèn)識(shí)，及時(shí)更新觀念，敢于大膽嘗試。二是要做好頂層設(shè)計(jì)，從國家層面來謀劃布局，相應(yīng)的政策配合也要到位，以吸引和鼓勵(lì)地源熱泵新技術(shù)的應(yīng)用和推廣。三是要堅(jiān)持實(shí)事求是的工作作風(fēng)，求真務(wù)實(shí)，一步一個(gè)腳窩把這項(xiàng)工作推向深入。第四就是要及時(shí)了解本地源熱泵方面的新技術(shù)新動(dòng)向，緊緊把握時(shí)代的脈搏，實(shí)時(shí)跟進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展。最后就是做好傳統(tǒng)供暖體系與地源熱泵新技術(shù)的銜接，確保人民生活的體驗(yàn)感和連續(xù)性。

3.1 地源熱泵的市場(chǎng)管控

地源熱泵雖然是新生事物，然而在市場(chǎng)上已經(jīng)形成相對(duì)集聚的發(fā)展態(tài)勢(shì)，這就需要對(duì)于地源熱泵進(jìn)行市場(chǎng)管控。在這方面尤其是地源熱泵施工市場(chǎng)的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)引起人們的高度關(guān)注，這是因?yàn)榇笠碥浌遣⒉皇且粋€(gè)單純的熱能轉(zhuǎn)換的技術(shù)手段，更需要地源熱泵之外的技術(shù)市場(chǎng)的配套。從現(xiàn)在看來，還沒有一家真正意義上的地源熱泵的專業(yè)施工團(tuán)隊(duì)，大部分的施工力量是從傳統(tǒng)的創(chuàng)業(yè)隊(duì)伍分離出來的，這種臨時(shí)湊合起來的成分復(fù)雜的綜合體，是很難應(yīng)對(duì)地源熱泵核心技術(shù)的變現(xiàn)落地，因而在技術(shù)和施工質(zhì)量上很難達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。要從市場(chǎng)的管控上嚴(yán)防過去的蜂擁而上的混雜局面，就要從建立一支地源熱泵的專業(yè)施工隊(duì)伍入手，比如，從事地源熱泵推進(jìn)的準(zhǔn)入制度的建立，包括技術(shù)施工人員的持證上崗等措施。

3.2 做好地源熱泵技術(shù)支撐體系

地源熱泵本身就是一門高技術(shù)含量的引進(jìn)開發(fā)，在實(shí)際推進(jìn)工作中，需要方方面面技術(shù)層面的支撐和配合。這就需要及時(shí)掌握國際國內(nèi)在這一領(lǐng)域的新技術(shù)引進(jìn)，及時(shí)更新和提高地源熱泵的施工技術(shù)和配套完善體系。要嚴(yán)防把地源熱泵施工任務(wù)交付給勞務(wù)公司來運(yùn)作，這是因?yàn)榈卦礋岜檬且豁?xiàng)綜合技術(shù)為一體的高技術(shù)含量的重大項(xiàng)目，必須有專業(yè)的團(tuán)隊(duì)來傾心傾力才能完成[7]。更重要的是，地源熱泵不僅僅是終端效果為判斷依據(jù)，更多的是過程管控。要防止把地源熱泵的施工階段化評(píng)判，更要注重每個(gè)環(huán)節(jié)的過程精品。要重視對(duì)地源熱泵全過程施工的監(jiān)控，更不能把這項(xiàng)系列工程分割成不同標(biāo)段由不同的行為主體來施工建設(shè)。

4 結(jié)束語

總之，地緣熱能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，也是惠及百姓的民生建設(shè)。要本著為人民負(fù)責(zé)為歷史負(fù)責(zé)的工匠精神來打造地源熱泵這項(xiàng)建設(shè)，就必須有一個(gè)明確的經(jīng)營理念來統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)地源熱泵的推進(jìn)建設(shè)。在引進(jìn)國內(nèi)外新技術(shù)的問題上，一定要堅(jiān)持洋為中用的世界觀和方法論，不能人云亦云照搬照抄，一定要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，找出一條適合中國發(fā)展地源熱泵的新路子。在這方面要堅(jiān)持實(shí)事求是的基本工作思路，不能搞一刀切，更不能追求政績搞形式主義。也只有這樣，才能把這項(xiàng)惠民工程做得更好，進(jìn)而提升人們的居住工作舒適度和幸福感。