地源熱泵：機會，挑戰(zhàn)與對策
主編：Patrick J.Hughes能源運輸科學部
主管部門：美國能源部 EERE地源熱泵技術(shù)組
翻譯：夏崇清 國際地源熱泵協(xié)會中國地區(qū)委員會
說明
本報告由DOE（美國能源部）EERE（能源效率與可再生能源辦公室）下的GTP（地源熱泵技術(shù)項目）發(fā)起，在此特別感謝GTP項目經(jīng)理Edward Wall先生的領導和Raymond Fortuna先生的技術(shù)監(jiān)督，以及DOE建筑技術(shù)項目的Anthony Bouza和Lew Pratsch的大力支持。任何美國政府及機構(gòu)、員工均不保證其內(nèi)容和資料的準確性、完整性和實用性，不承擔可能存在的任何法律責任。報告中涉及的任何產(chǎn)品、流程和有關(guān)的商標及名稱、制造商等，并不說明或暗示其得到美國政府和任何機構(gòu)的認可、推薦，作者的觀點和結(jié)論也不代表或反映國家或美國政府及任何機構(gòu)。作者真摯地感謝分享經(jīng)驗的諸多行業(yè)人士。
1、內(nèi)容提要
我們需要更有效地指導資源利用，以利于國家安全、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和社會福利。建筑物為當前減少能源消耗和限制溫室氣體排放提供了最好的機會。
如果聯(lián)邦政府設定一個目標，要求美國的建筑物使用的非可再生能源在2030年不超過2008年的水平，根據(jù)此前的分析（本報告已作了更新和總結(jié)），可以通過積極部署地源熱泵系統(tǒng)來實現(xiàn)這一目標的35%~40%，即每年節(jié)約3.4~3.9quads（注：1quad=1015Btu，即2.9×1011kW·h）。
地源熱泵可減少91~105GW的發(fā)電需求，占2030年全國新增218GW容量需求的42%~48%。此外，積極部署地源熱泵每年可節(jié)約電費330億美元~380億美元（按2006年費率計算）。
然而，地源熱泵卻很少在政策層面得到重視，更別說是成為國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要組成部分。是決策者錯誤地忽視了地源熱泵，還是地源熱泵有眾多因素使其根本無法為國家的節(jié)能減排目標作出重大貢獻呢？
應DOE的要求，我們進行了簡短的研究，研究范圍包括分析全球地源熱泵市場現(xiàn)狀和美國地源熱泵產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，評估地源熱泵節(jié)能潛力，找出阻礙地源熱泵應用的主要壁壘并提出針對性的行動措施，以加速地源熱泵的發(fā)展。
美國曾一度是世界地源熱泵技術(shù)及市場發(fā)展的領導者，但如今歐洲市場每年的機組出貨量是美國國內(nèi)市場的2~3倍，歐洲、部分亞洲國家（如中國、韓國）以及加拿大的市場增長率已經(jīng)超過美國。雖然美國地源熱泵系統(tǒng)的裝機總量仍最多，但人均保有量則已落后于許多歐洲國家。
今天的美國國內(nèi)GSHP產(chǎn)業(yè)有著更好的定位，增長速度也比以往任何時候都快得多。這一技術(shù)已經(jīng)得到驗證、認可，美國已安裝機組數(shù)量超過了60萬臺，最新頒布的政策為家庭和企業(yè)業(yè)主投資GSHP系統(tǒng)的稅收抵免期擴大到2008年10月至2016年。
自2007年以來，部分公用事業(yè)行業(yè)，如農(nóng)村電力合作社（RECs），能夠獲得政府提供的長達35年的長期貸款［來自美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)村公用服務（USDA/RUS）］，為客戶提供戶外部分的地源熱泵系統(tǒng)，以換取公用事業(yè)稅率，其額度超過地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能額度。該法案將超過所抵消GSHP系統(tǒng)的能源節(jié)約成本。2007年12月，國會指示總務管理局（GSA）建立程序加快成本效益更高的節(jié)能技術(shù)和措施在GSA設施中的應用，重點為照明和地源熱泵系統(tǒng)。越來越多的州開始為地源熱泵系統(tǒng)提供稅收抵免或其他形式的獎勵。
作為地源熱泵產(chǎn)業(yè)最重要的貿(mào)易伙伴，美國電力公司如今能夠更好地把重點放在比以往的結(jié)構(gòu)調(diào)整更迫在眉睫的削減高峰負荷和改善負載系數(shù)上，而這兩個正是GSHP系統(tǒng)可以提供的關(guān)鍵效益。成熟、穩(wěn)健的行業(yè)組織———國際地源熱泵協(xié)會（IGSHPA），地源熱泵聯(lián)合集團（GSHPC），美國采暖/制冷與空調(diào)工程師學會（ASHRAE）以及全國地下水協(xié)會（NGWA）為之提供了有力的保證。
如果美國國內(nèi)GSHP市場能迅速發(fā)展，大多數(shù)相關(guān)的行業(yè)都會隨之發(fā)展，不會遇到發(fā)展瓶頸。然而，GSHP系統(tǒng)設計和安裝的基礎設施需要特別關(guān)注，而這些設施目前只存在于一些地區(qū)，其他地區(qū)的客戶則對這項技術(shù)知之甚少。
GSHP市場失利的主要因素是期望業(yè)主來投資GSHP基礎設施，或是GSHP系統(tǒng)的室外部分，如地下?lián)Q熱器。GSHP基礎設施比建筑物的壽命更長，可供幾代人安裝使用熱泵，與現(xiàn)有的公用事業(yè)基礎設施（如：電線桿和電線，地下天然氣管道）類似。這就引出了一個問題——為什么我們希望業(yè)主投資GSHP基礎設施，而不用投資其他的公用事業(yè)基礎設施呢？GSHP系統(tǒng)的室外部分投資可占到整體GSHP系統(tǒng)成本的一半，甚至一半以上，如果這筆費用能被排除，GSHP系統(tǒng)將與傳統(tǒng)系統(tǒng)具有大致相同的價格競爭力，并可能以低成本批量生產(chǎn)。
如上所述，國會已經(jīng)批準并授權(quán)USDA/RUS提供長期資金，為農(nóng)村電力合作社（RECs）的居民和商業(yè)客戶提供GSHP的基礎設施建設。迄今為止已有一個農(nóng)村電力合作社獲得了該類貸款，另一個農(nóng)村電力合作社正在提出申請。農(nóng)村電力合作社通過客戶電費抵稅來收回成本并償還資金。事實上，多數(shù)家庭的地源熱泵系統(tǒng)抵稅額為每月15~30美元，要少于地源熱泵節(jié)約的能源費。目前已經(jīng)實施的住宅和商業(yè)GSHP系統(tǒng)可享受聯(lián)邦稅收抵免到2016年，美國國會和GSA正加速GSHP的發(fā)展。在這些已實施的聯(lián)邦政策基礎上，建議出臺新的補充政策或額外的激勵條款，進一步完善GSHP的發(fā)展環(huán)境。阻礙地源熱泵產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵障礙如下（按重要性排序）：
1）地源熱泵系統(tǒng)高的初投資；
2）消費者缺乏相關(guān)知識，不信任、不了解地源熱泵系統(tǒng)的實際效益；
3）決策者/管理者缺乏知識，不信任、不了解地源熱泵系統(tǒng)的實際效益；
4）地源熱泵設計和商業(yè)計劃的基礎實施局限性；
5）地源熱泵安裝基礎設施的局限性；
6）缺乏降低地源熱泵投資和提高性能的新技術(shù)、新方法。
針對以上關(guān)鍵障礙，可采取以下行動措施，以促進地源熱泵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展：
1）裝配獨立、統(tǒng)計上有效的硬數(shù)據(jù)的成本和效益GSHP；
2）獨立評估積極推動地源熱泵發(fā)展對國家利益的價值；
3）在全國范圍內(nèi)簡化并深化農(nóng)村電力合作社的地源熱泵基礎設施投資模式；
4）通過開發(fā)和部署新的計劃，普及GSHP基礎設施建設；
5）通過綜合數(shù)據(jù)、深入分析并開發(fā)有用工具，使地源熱泵基礎設施的生命周期成本最小化；
6）對存在高質(zhì)量地源熱泵設計基礎設施的地理區(qū)域進行開發(fā)；
7）對存在高質(zhì)量地源熱泵安裝基礎設施的地理區(qū)域進行開發(fā)。
鑒于控制美國能源消費和碳排放的必要性，同時刺激經(jīng)濟走出經(jīng)濟衰退以來最嚴重的大蕭條，作者建議，美國聯(lián)邦政府的決策者應認真考慮在全國盡早積極部署地源熱泵，并將上述所列措施納入到執(zhí)行戰(zhàn)略政策中。此外，未來的政策應確保地源熱泵系統(tǒng)包含在可再生能源標準和目標中，列入相關(guān)的環(huán)保措施目錄中。
要在建筑節(jié)能減排上取得快速進展，就應該對現(xiàn)有建筑物進行一次全面的節(jié)能改造，在同一建筑上進行多次改造將造成大量浪費，增加總體成本。地源熱泵已被證明是一個出色的技術(shù)，有強大的節(jié)能潛力，它能在新的國家能源戰(zhàn)略中發(fā)揮重要作用，但前提是得到聯(lián)邦政府的重視和大力支持。
2、概述
建筑環(huán)境（包括住宅、商業(yè)建筑和公共建筑）約占美國能源消費和溫室氣體排放量的40%，占美國電力消耗的72%，占美國天然氣消費量的55%，在東北部及相關(guān)地區(qū)則消耗了大量的油和丙烷用于取暖。最近的趨勢表明，美國建筑物的能源消費量和碳排放量的增長速度超過運輸業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)。從圖1所示的全燃料能源消費對比中可以看出，自1980年以來，工業(yè)用能基本穩(wěn)定，建筑物用能比運輸業(yè)用能增長更快。而圖2中，15年內(nèi)的工業(yè)用電量基本持平，而建筑物用電則增加了50%。
自1985年以來，基本上所有的美國電力消費需求高峰，以及因此帶動的發(fā)電、輸變電基礎設施投資，均源于建筑物的能源需求。更有效地使用資源將有助于美國的安全、環(huán)境可持續(xù)性以及經(jīng)濟健康發(fā)展，建筑物為節(jié)能減排提供了目前最好的實現(xiàn)途徑。麥肯錫公司（McKinsey&Company）最近的一項研究表明，減少建筑物能耗是實現(xiàn)大幅度減少碳排放最經(jīng)濟的方法。GSHP已被證實能大幅減少建筑物的能耗和用能需求高峰。然而地源熱泵卻很少在政策層面得到重視，更別說成為實現(xiàn)國家安全、環(huán)境可持續(xù)性和經(jīng)濟健康發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。
是決策者錯誤地忽視了地源熱泵，還是地源熱泵有眾多因素使其根本無法為國家的節(jié)能減排目標作出重大貢獻呢？雖然大家莫衷一是，但毋庸置疑的是：美國聯(lián)邦政府正每年花費納稅人和公共事業(yè)消費者的數(shù)百萬美元用于其他如太陽能發(fā)電、風能、地熱能和生物質(zhì)能等成本更高的可再生能源技術(shù)開發(fā)，而不是GSHP；我們制定生物燃料、氫能、電氣化運輸和去碳發(fā)電的戰(zhàn)略政策以減少對外國石油的依賴，為什么卻忽視了我們一直生活在其上的土地也是解決方案的一部分呢？
在過去幾十年中，地源熱泵系統(tǒng)逐步發(fā)展，在美國供熱制冷和熱水市場所占份額雖小，比重卻不斷增加。而這并非政策關(guān)注的結(jié)果，也不是美國政府認識到地源熱泵對國家安全、環(huán)境和經(jīng)濟的巨大貢獻潛力；更勿談如何查明并解決地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展所存在的障礙，包括阻礙地源熱泵在成本優(yōu)勢明顯地區(qū)更廣泛應用的因素。
本報告的目標是：
總結(jié)全球地源熱泵市場現(xiàn)狀（第3章）；
總結(jié)美國地源熱泵產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀（第4章）；
估算美國地源熱泵的節(jié)能潛力（第5章）；
分析美國地源熱泵應用的主要障礙（第6章）；
提出加速美國地源熱泵發(fā)展的政策和應對措施（第7章）。
第2.1節(jié)提出了地源熱泵技術(shù)的明確定義，以澄清政策層面和公眾對地源熱泵的誤解。第2.2節(jié)列出了一些對地源熱泵潛在重要性的研究和公開文件。報告的所有章節(jié)都盡量通過客觀的分析提出調(diào)查結(jié)果。
2.1什么是地源熱泵技術(shù)
在過去幾十年中，地源熱泵技術(shù)的基礎沒有什么變化，但其身份危機已影響到對其認知、理解和接受。地源熱泵有許多標簽，如：可再生能源、地熱能、太陽能、地球、替代能源，可回收等，是一種能源效率和節(jié)能技術(shù)，已成為更廣闊的應用技術(shù)目錄（如：公用服務類甲方管理）中的主要選項之一。地源熱泵往往被混淆為地熱發(fā)電，通過提取地表高熱來生產(chǎn)蒸汽并用于發(fā)電；它有時也被誤認為是直接利用地熱的溫室、養(yǎng)殖池塘，或其他使用低溫熱源的農(nóng)業(yè)設施，如溫泉。雖然地源熱泵幾乎可用于任何地方，但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，美國的高溫和低溫地熱資源只在有限的地區(qū)有應用經(jīng)濟價值。
絕大多數(shù)國家建設規(guī)劃并未考慮采用地熱作為經(jīng)濟源。而且為實現(xiàn)在建筑系統(tǒng)的節(jié)能，地熱需要為商業(yè)建筑等集中負荷提供服務。國內(nèi)絕大多數(shù)商用建筑中，制冷、冷藏等系統(tǒng)每年向室外排放的廢熱比室內(nèi)需求負荷要大得多。地源熱泵系統(tǒng)通過儲存、回收部分廢熱并從建筑四周土壤獲得補充，具有這些傳統(tǒng)系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢。地源熱泵與土壤的熱交換和廢流熱回收與地熱能一樣，屬于非常經(jīng)濟的可再生能源，只有極少數(shù)情況除外（如擁有天然溫泉的度假酒店和SPA場所）。
在美國的建筑中，總是可以看到以下設施：
安裝在建筑周邊地面或屋頂上，帶百葉窗的換氣用金屬盒；
建筑圍護結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)帶換氣百葉窗的獨立小建筑；
各種邊墻、屋頂換氣口、排氣管和煙囪等；
這些設備和模塊都是用于建筑物室內(nèi)溫度/濕度控制、熱水供應和空氣流通功能，他們是室內(nèi)外能源（或熱）交換的介質(zhì)。充分利用冬夏季地下溫度與室內(nèi)空氣的溫差優(yōu)勢，地源熱泵設備所消耗的非可再生能源（電力和化石燃料）非常少。地源熱泵使用熱泵原理，根據(jù)需要在土壤和室內(nèi)之間高效地交換熱量，它消耗一定的電能，卻可以獲得3~5倍的等效熱能。如果有更大的市場推動，則可以在地源熱泵產(chǎn)業(yè)中引進最先進的商業(yè)組件，將這一效率提高到6~8倍，甚至達到理論上的14倍之多。
美國的所有現(xiàn)有建筑中，土壤溫度夏季比室內(nèi)溫度低，冬季比室內(nèi)溫度高。地源熱泵就是利用了這種每個建筑物都有的唯一可再生能源。在設計正確的基礎上，這一能源可按需供應，永不枯竭，在全美50個州均可成功應用。
圖3列出了多種地源熱泵系統(tǒng)的類型，其中最常見的是垂直閉環(huán)地下熱交換器，尤其在商業(yè)建筑中。然而，要充分發(fā)揮這項技術(shù)的潛力，支付能力尤為重要，同時要讓其他成本效益高的系統(tǒng)發(fā)揮更多的作用。
地表資源包括土壤、地表水、可回收洗盥污水、污水處理廠污水、保留流域雨水、雨水收集和地下含水層，無論是單獨使用或與室外空氣進行混合配置，都具有巨大潛力。地源熱泵可針對大型社區(qū)或單一的建筑物進行設計、施工，適用于新建或改造的社區(qū)、建筑?？煞沼谶m度的供熱、制冷、通風、熱水和冷凍需求，凈負荷接近零的新住宅和商業(yè)建筑，通過高效的熱泵耦合到地下環(huán)路，不需要進行任何多余的挖掘和鉆探。
2.2地源熱泵重要性研究
1）皮尤全球氣候變化中心（The Pew Center on Climate Change）2005年發(fā)布的報告建議，針對氣候變化采取六項市場改革措施，增強研發(fā)，將可以使建筑能源消耗和二氧化碳排放量在2025年降低到2004年的水平，其中建議增強研發(fā)的5大技術(shù)中就包括了降低地源熱泵系統(tǒng)的成本。
2）美國太陽能學會（American Solar Energy Society）2007年發(fā)布的報告建議，通過最大限度地使用能源效率技術(shù)和可再生能源，將有望在2030年前實現(xiàn)碳排放量的減少，并在2050年實現(xiàn)碳排放總量比2005年降低60%~80%。氣候?qū)＜曳Q這是避免災難性氣候變化發(fā)生所需要達到的排放標準。其建議考慮使用能源效率（建筑、交通和工業(yè)分別針對性實施）、風能、生物燃料、生物質(zhì)能、太陽能光伏、集中太陽能發(fā)電和地熱發(fā)電實現(xiàn)這一目標，而其中最大的貢獻者將是建筑能源效率技術(shù)。與皮尤中心不謀而合的是，地源熱泵系統(tǒng)是重要的發(fā)展對象。
3）2007年，諾貝爾獎政府間氣候變化專門委員會（the Nobel-Prize-winning Intergovernmental Panel on Climate Change）指出，建筑物的溫室氣體排放最多，具有最好的大幅度減排潛力。地源熱泵被確定為解決方案之一，在一些大陸和寒冷地區(qū)具有很好的經(jīng)濟可行性（見表6.1），案例顯示：總用電量減少了1/3（第404頁），取暖能源減少了40%~50%（第397頁）。
4）聯(lián)合國2007年環(huán)境計劃報告強調(diào)，應用地源熱泵可減少的非可再生能源使用量（第17/27頁），并指出在芬蘭和其他一些國家已開始對地源熱泵系統(tǒng)發(fā)放相關(guān)補貼（第53頁）。
5）美國總統(tǒng)行政辦公室全國科學和技術(shù)委員會（the Executive Office of the President’s National Science and Technology Council）發(fā)表的2008年報告稱，將著手建立聯(lián)邦建筑研發(fā)計劃。報告指出，利用能源效率和直接使用可再生能源技術(shù)進行低成本的節(jié)能，比非可再生能源及可再生發(fā)電能源具有更巨大的潛力。報告更強調(diào)：加強地下能源的利用和建筑物、社區(qū)級的熱源開發(fā)將是其計劃的重要內(nèi)容之一（第29頁）。
6）一份美國物理學協(xié)會（APS）2008年的報告建議，聯(lián)邦政府應該為美國建筑部門設定一個目標，要求2030年的建筑能耗不超過2008年的水平，而不是目前所計劃的不超過30%。PNNL2008年9月發(fā)布了一份報告，其結(jié)論是：積極、合理地在建筑中應用相關(guān)技術(shù)，有望使2025年建筑部門的一次能源消費量穩(wěn)定下來，但當前的聯(lián)邦投資政策將失去成功的機會。PNNL報告意味著，APS確定的2030年目標是現(xiàn)實的。
7）國家可再生能源實驗室2008年11月發(fā)布了一份報告，目的是囊括關(guān)鍵的住宅技術(shù)機會和需解決的障礙，以成功開發(fā)成本中立的凈零能源家庭（ZEH），地源熱泵作為一種低風險的技術(shù)實現(xiàn)被列入了其推薦目錄中，盡管報告對地源熱泵的分析不全面（如沒有正確匹配地下環(huán)路的投資周期和使用壽命，也沒有考慮除供熱制冷外地源熱泵綜合利用的熱水功能等），并沒有體現(xiàn)其實際效益。（未完待續(xù)）
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