郭海秋 ,陳春艷,叢日鳳

(寧安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,黑龍江寧安157400)

1 引言

伴隨著社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的深入以及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)村環(huán)境問(wèn)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(wú)序,影響村容整潔,農(nóng)村燃煤燃薪材對(duì)大氣環(huán)境的面源污染更為嚴(yán)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(shì)。實(shí)施淺層地能(熱)替代燃煤燃薪材供暖或是替代空調(diào)制冷,對(duì)改善農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量,提高生活品質(zhì),建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村具有重大意義。

淺層地能(熱)是在太陽(yáng)能照射和地心熱產(chǎn)生的大地?zé)崃鞯木C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?zé)崮?。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(dāng)?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(duì)穩(wěn)定,所謂低溫就是它低于傳統(tǒng)地?zé)釡厝獪囟鹊南孪?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?zé)?是地?zé)峥稍偕茉醇易逯械男鲁蓡T,它不屬于地心熱的范疇,是太陽(yáng)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(fù)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?zé)岬母咂肺荒芰肯啾?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(jià)值卻很大。因?yàn)樗哂锌稍偕?、?chǔ)量巨大、分布廣泛、能量恒定等特點(diǎn)。隨著制冷技術(shù)及設(shè)備的進(jìn)步和完善,成熟的熱泵技術(shù)使淺層地能(熱)的采集、提升和利用成為現(xiàn)實(shí)[1]。

2 開(kāi)發(fā)淺層地能(熱)技術(shù)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(shù)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(shù),是用蒸發(fā)器吸收低溫?zé)崃拷o壓縮機(jī)絕熱提升后以冷凝器放出的熱量來(lái)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(jī)組,井水在熱泵機(jī)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(guò)風(fēng)機(jī)盤管將熱量放入室內(nèi)達(dá)到采暖的目的。放熱后的井水被送回同一口井內(nèi),通過(guò)井內(nèi)的土壤換熱裝置與周圍土壤換熱,水溫恢復(fù)后再次被潛水泵吸入并注入機(jī)組[1]。

熱泵技術(shù),通過(guò)采集淺層低溫地能(熱),并略加提升,來(lái)滿足供暖(冷)的需求,同時(shí)實(shí)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(shí)真正實(shí)現(xiàn)供暖(冷)而無(wú)污染的綠色居住環(huán)境。

3 國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)淺層地能(熱)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

目前在國(guó)外,熱泵供暖(冷)技術(shù)已處于商業(yè)化應(yīng)用。國(guó)際上熱泵技術(shù)的快速發(fā)展是1973年世界“石油危機(jī)”以后,熱泵供暖技術(shù)應(yīng)用得到美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞典等國(guó)政府的認(rèn)可。為推動(dòng)熱泵技術(shù)的發(fā)展,1976年世界能源組織成立了“國(guó)際熱泵委員會(huì)”。蘇、英、法、聯(lián)邦德國(guó)、丹麥、瑞典、挪威等國(guó)參加。一些國(guó)際組織如國(guó)際制冷學(xué)會(huì)(IIR)、世界能源委員會(huì)(WEC)、國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)等,經(jīng)常組織有關(guān)熱泵的國(guó)際活動(dòng)與學(xué)術(shù)會(huì)議,促進(jìn)熱泵技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)今在歐洲各國(guó)用于供暖的熱泵總數(shù)達(dá)到600 000套。瑞典是用熱泵進(jìn)行供暖的最大國(guó)家,次之是瑞士、德國(guó)、奧地利、法國(guó)。歐洲各國(guó)熱泵發(fā)展和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方興未艾,正在迅速成長(zhǎng)。一些國(guó)家如瑞典和瑞士政府采取積極的扶持政策,財(cái)政補(bǔ)貼、減稅、優(yōu)惠電價(jià)和廣告宣傳力度等,并組建熱泵推廣協(xié)會(huì)和檢測(cè)中心機(jī)構(gòu),促進(jìn)其發(fā)展。

美國(guó)地源熱泵供暖供冷裝置真正意義的商業(yè)化應(yīng)用也只有近20年的歷史。據(jù)統(tǒng)計(jì),到目前為止已安裝近40萬(wàn)臺(tái),而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)?，F(xiàn)今,世界各國(guó)對(duì)熱泵的興趣越來(lái)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(guó)家把熱泵作為減少CO2、SO2、NOX排放的一種有效方法。

3.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國(guó)以煤炭能源為主導(dǎo),能源價(jià)格的特殊性等因素,使熱泵發(fā)展緩慢。20世紀(jì)70年代初,第一次世界石油危機(jī),在國(guó)際上掀起推廣熱泵技術(shù)應(yīng)用熱潮,也同時(shí)影響了我國(guó)學(xué)術(shù)界、高等學(xué)校、研究所和學(xué)會(huì)。我國(guó)熱泵系統(tǒng)作為商業(yè)化應(yīng)用與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比有一段明顯的滯后期。熱泵的發(fā)展不僅與國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展及熱泵本身技術(shù)進(jìn)展有關(guān),還與能源的結(jié)構(gòu)與供應(yīng)、環(huán)境治理的需求有關(guān),特別是與政府的政策導(dǎo)向密切相關(guān)。當(dāng)能源、環(huán)保提到社會(huì)議事日程時(shí),才意識(shí)到發(fā)展熱泵技術(shù)的重要性。

熱泵技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用緩慢,主要原因包括以燃煤為主的供暖手段很多;能源價(jià)格失調(diào)(煤價(jià)無(wú)低于電價(jià));壓縮機(jī)制造水平與國(guó)外差距較大;空氣源熱泵冬季供暖結(jié)霜的難點(diǎn)不易解決;經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度制約人們的觀念轉(zhuǎn)變,對(duì)冷暖熱三聯(lián)供要求不迫切等。20世紀(jì)80年代初至90年代末,在我國(guó)暖通空調(diào)領(lǐng)域掀起一股“熱泵熱”,熱泵供暖(冷)在我國(guó)應(yīng)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(jié)構(gòu)的變化所致。

目前,熱泵站在節(jié)約能源中的作用已引起國(guó)內(nèi)主管部門和暖通空調(diào)工作者的關(guān)注和興趣,認(rèn)識(shí)正在提高。有些城市已開(kāi)始論證建立以水為低溫?zé)嵩吹拇笮蜔岜谜镜目尚行詥?wèn)題。國(guó)家有關(guān)部門將熱泵站示范工程的研究納入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃的能源項(xiàng)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(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn),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(jià)值。目前水源熱泵生產(chǎn)廠家全國(guó)已超過(guò)20家,上海閔行經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的辦公樓供暖(冷)是我國(guó)第一個(gè)采用土壤源的熱泵工程,近些年來(lái)國(guó)內(nèi)數(shù)所高等學(xué)校開(kāi)展了土壤源熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,并取得一些有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今人們對(duì)生活品質(zhì)和舒適性要注的不斷提高,城市能源結(jié)構(gòu)的改變,建筑市場(chǎng)的巨大為熱泵供暖(冷)技術(shù)在推廣創(chuàng)造了前所沒(méi)有的機(jī)遇。國(guó)內(nèi)在熱泵理論研究、試驗(yàn)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工程項(xiàng)目的應(yīng)用諸方面都取得了可喜的成果。我國(guó)熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用正步入了世界性大國(guó)[2]。

4 淺層地能供暖技術(shù)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(diǎn)有4點(diǎn),包括使用礦物質(zhì)燃料資源有限;能源利用不合理：燃用礦物質(zhì)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(jìng)達(dá)200℃左右,效率極低,能源浪費(fèi)極大;燃燒產(chǎn)物污染嚴(yán)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(shè)備功能單一,鍋爐只供暖,制冷須另設(shè)制冷機(jī)組(如分體空調(diào),電壓縮式冷水機(jī)組或熱力吸收式制冷機(jī)),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?zé)嵩?只消耗約150kW的電絕熱壓縮,提升這部分熱量,可實(shí)現(xiàn)700多kW 的供熱量,這就相當(dāng)傳統(tǒng)1t/h鍋爐的供熱量,在京津地區(qū)可供1萬(wàn)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(shí)現(xiàn)了供暖(冷)建筑使用區(qū)域的零排放,零污染。

(4)一套設(shè)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(guó)內(nèi)外建筑傳統(tǒng)供暖(冷)的能源結(jié)構(gòu)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(jì)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(diǎn)經(jīng)驗(yàn)

2007年寧安市渤海鎮(zhèn)引進(jìn)了恒有源科技發(fā)展有限公司的淺層地能(熱)供暖技術(shù),在小朱家村2戶農(nóng)戶家中進(jìn)行了一個(gè)采暖期有試驗(yàn),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(jià)格計(jì)算,實(shí)際發(fā)生費(fèi)用為16.67元/m2與燃煤費(fèi)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(yīng)用了淺層地能開(kāi)發(fā)利技術(shù),與傳統(tǒng)燃煤供熱系統(tǒng)相比,又有多方優(yōu)勢(shì),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(chǔ)煤、儲(chǔ)柴、儲(chǔ)秸稈的空間;供熱質(zhì)量高,供熱可使室溫保持在20℃左右;操作方便,且更加安全。無(wú)高溫、高壓過(guò)程,還可避免煤煙中毒、生活火災(zāi)等危險(xiǎn)。應(yīng)用淺層地能開(kāi)利用技術(shù)以使用面積100m2住宅為例計(jì)算,前期投入總成本為3.4萬(wàn)元,主要包括單臺(tái)H T760A淺層地難熱泵機(jī)1.8萬(wàn)元,配備2眼井、安裝管線、水泵8 000元;農(nóng)戶進(jìn)行室內(nèi)地?zé)峁芫W(wǎng)改造7 800多元。通過(guò)3年多的實(shí)際應(yīng)用,淺層地能設(shè)備已經(jīng)得到了廣大農(nóng)戶的認(rèn)可。

4.3 淺層地能資源開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生的綜合效益

(1)農(nóng)戶冬季采暖費(fèi)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(gè)采暖期使用燃煤約為2.5～3.0t,按燃煤市場(chǎng)價(jià)格每噸600元計(jì)算,燃煤費(fèi)用約1 500～1 800元左右,引火材200元,合計(jì)取暖費(fèi)用在1 700～2 000元左右,平均溫度達(dá)到16～17℃。而采用淺層地能開(kāi)發(fā)利用技術(shù),每個(gè)采暖期用電2 350kW?h,按農(nóng)電0.51元/kW?h,取暖費(fèi)用約為1 200元,平均溫度達(dá)到20℃以上。由此可見(jiàn),應(yīng)用淺層地能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)取暖與傳統(tǒng)燃煤取暖相比較,每個(gè)取暖期可節(jié)約費(fèi)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(kāi)發(fā)利用技術(shù)由于采用井水就地原位回灌的方式,既不會(huì)消耗污染地下水,也不會(huì)破壞地下水的正常分布。從能源的單位投資成本來(lái)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(fēng)電節(jié)約5 000元。同時(shí),恒有源淺層地能設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)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(shù),按每戶平均住宅使用面積100m2每個(gè)采暖期使用燃煤3t計(jì)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(zhì)量顯著提高。很多農(nóng)戶反映,淺層地能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)不但清潔、環(huán)保、零污染,并且能定時(shí)供暖,節(jié)省能源。環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)重要能源資源短缺,能源資源人均占有量不足,且浪費(fèi)嚴(yán)重。傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增長(zhǎng)方式難以為繼,必須盡快加以扭轉(zhuǎn)。節(jié)約能源資源是樹(shù)立科學(xué)發(fā)展觀、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式,從根本上緩解資源約束、減輕環(huán)境壓力、實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì)目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。推廣淺層地能(熱)的開(kāi)發(fā),采用國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的中央液態(tài)冷熱源環(huán)境系統(tǒng),通過(guò)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(wèn)題：供暖、制冷、生活熱水,無(wú)污染,價(jià)格低廉,可替代高成本煤炭取暖,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益的統(tǒng)一。因此推廣淺層能(熱)開(kāi)發(fā)技術(shù)的前景看好。

我國(guó)農(nóng)村推廣淺層地能(熱)開(kāi)發(fā)技術(shù),其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境效益顯著：對(duì)改變能源結(jié)構(gòu),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(jì)的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)等,均具有重要的促進(jìn)作用和現(xiàn)實(shí)意義。淺層地能(熱)的開(kāi)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(chǎng)革命,特別是在我國(guó)農(nóng)村有序推廣更加具有長(zhǎng)遠(yuǎn)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(shù)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(kāi)發(fā)與利用[J].巖土工程技術(shù),2003(1)：57～ 59.