日本地源热泵利用的可行性研究

PAGE28水文地质工程地质技术方法动态2007年第2期28水文地质工程地质技术方法动态2007年第2期ShinjiTakasugi,TsukashiAkazawa,TakashiOkumura,MineyukiHanano（JMCGeothermalEngineeringCo.,Ltd.,8-4,Koami-cho,NihonbashiChuo-ku,Tokyo.103-0016,Japan;JapanMetalsandChemicalsCo.,Ltd.,8-4,Koami-cho,NihonbashiChuo-ku,Tokyo.103-0016,Japan）翻译：赵玉军；校对：苑惠明【摘要】在过去，低位地热资源的潜力并没有得到开发。然而，由于低位地热资源地域广阔（能量以不同温度形式存在），经评估，低位地热资源的储量是巨大的。因此，为了减少二氧化碳的释放量（引起全球变暖的主要原因，全球变暖是美国能源和环境保护局提出的人类面临的最严重问题之一），这种未被开发的能源的利用引起人们极大兴趣。本项可行性研究的目的是，对影响地源热泵系统推广和普遍应用的有关成本、技术和方法等不同方面的问题，进行了调查研究。该调查研究是通过搜集地源热泵相关文献、随机抽查结果、讨论会和专家组的相关信息而开展的。地源热泵系统现状（GHP）FeasibilityStudyOnTheUtilizationOfGeothermalHeatPump(GHP)SystemsInJapan.GHPBulletin,March2001.基于能量提取的目的或者方式，地源热泵系统可分为3种类型（(Kavanaugh,1991;俄克拉荷马州大学,1997;地热交换,1998)：（1）利用地热换热器（或者地耦换热器）的热泵系统。这种地热换热器可以垂直埋设于钻孔或者约2米深的沟壕；（2）直接利用地下水的热泵系统；（3）直接利用地表水（湖、沼泽地或者河流）或者把地表水用作热源的热泵系统。这种热泵系统需要在湖、沼泽地或者河流的适当位置安装一些（一系列）螺旋管。本次调查所检测的系统是一种使用垂直换热器的地源热泵系统（见图1）。根据地热FeasibilityStudyOnTheUtilizationOfGeothermalHeatPump(GHP)SystemsInJapan.GHPBulletin,March2001.地源热泵系统性能价格比评价与利用率提高的影响性能价格比评价新能源工业综合开发组织（NEDO，1999）介绍了日本地源热泵系统的研究、开发和利用情况。NEDO对瑞士地源热泵系统的成本与其它空间供热和制冷系统成本做了比较，同时也对日本热泵系统成本与传统的供热和制冷系统成本做了比较。对比结果表明，如果地源热泵系统的利用变得越来越普遍，能够降低垂直换热器钻孔的成本（安装垂直换热器是初始成本高的主要原因）。如果同样从政府获得50％的补助金（用于促进地源热泵系统的推广），地源热泵装置的安装成本能在两年内收回。此外，如果假设从政府获得30％的补助金，地源热泵增加的成本（例如，与传统供热和制冷系统的成本差异）能在10年内收回。如果考虑到地源热泵系统的生命周期成本（例如，24年），能够收回2050000－3490000日元（约19000－32000美元）的资金（假定从政府获得30％的补助金）。如果通过使用当地政府下拨的住宅补助金（例如，占住宅建造成本的2/3），在多人居住的旧住2007年第2期2007年第2期日本地源热泵利用的可行性研究29地源热泵系统的优势地源热泵系统的优势如下：1）能够减少二氧化碳的释放量；2）能够减少城市地区的热辐射；3）能够减小耗电量。鉴于地源热泵系统的第一个优势（能够减少二氧化碳的释放量），如果日本所有的住宅建筑都使用地源热泵系统，每年二氧化碳的释放量将减少52，000，000吨。由于利用地源热泵系统进行供热和制冷几乎不会向大气中释放废热，所以，利用这些地源热泵系统有助于减缓热岛现象。图1使用钻孔换热器的地源热泵系统的总平面图（总设计图）地源热泵系统未来所需的技术开发为了使地源热泵系统在将来更有效和得到更广泛应用，所需的技术开发如下：1）提高地源热泵的性能，尤其是用于住宅供热和制冷；2）选择地源热泵系统最佳的供热和制冷系统；3）开发效率更高的垂直换热器；4）采用新技术和新工艺降低钻探成本；5）编制钻探手册。虽然地源热泵系统不存在严重的技术问题，降低地源热泵系统成本的最重要的项目，是开发小尺寸、高机动性的主要用于钻进地热换热器钻孔的钻机，以及编制钻探指南（上述条款（4）和（5））。地源热泵系统引进、推广和广泛应用的辅助工作为了促进地源热泵系统的广泛推广，建立一种辅助系统是非常重要的。该辅助系统的主要工作方向如下：1）基础研究将来，提高垂直换热器热能提取速率的新技术的开发是可实现的。在美国、欧洲和日本（目前）已基本完成了该课题的基础研究，安装垂直地换热器必需的数据的缺乏将延缓地源热泵系统的推广。这些信息的收集是至关重要的。4)地源热泵系统热泵49010250549001.990.45地热换热器25505015012550管道系统190101505950运行成本230－－50－1150032水文地质工程地质技术方法动态2007年第2期32水文地质工程地质技术方法动态2007年第2期地源热泵系统的广泛应用对环境有一定影响，有助于调节能量消耗率和减缓热岛现象。由此，美国环境保护机构、能源部和电力公司正在推广地源热泵系统的应用，以及建立了地源热泵协会（GHPC）（联邦政府或者私营部门研究计划的一部分内容）。在日本的所有地区几乎都可以使用地源热泵系统。在欧洲和美国地源热泵系统的普遍推广，大大刺激了日本地源热泵系统的应用。在日本建立地源热泵推广中心，未来地源热泵的应用领域将不断扩大，其推广速度甚至有望超过美国和欧洲。到1996年为止，在美国已安装了50，000套地源热泵装置。此后，地源热泵的年利用增长率约为20％。虽然地源热泵的使用增长率还未达到地源热泵协会的目标，但已经是相当高了。然而，在日本地源热泵系统并不被一些团体（能够从中获得利益）所熟知，包括用户、建筑师、工程师、施工人员和厂商。鉴于目前日本地源热泵系统的应用仍处于初级阶段，新能源工业综合开发组织应建立推广中心促进地源热泵系统的推广和验证，来协助开发适合日本当地条件的地源热泵系统，这是非常重要的。为了确定适合于日本的最佳的地源热泵系统，以及在开展推广活动前选择地源热泵系统的示范目标，详细研究在美国和欧洲使用的地源热泵系统也是至关重要的。图2温度测井图实例补助金计划当促进地源热泵系统的应用时，应着重于其经济效益及其有利影响，例如能量最大需求量降低和全球环境保护。地源热泵系统最突出的经济效益应该是能够降低安装成本。就此而论（关于这一点），对增加地源热泵系统的经济效益而言，补助金的应用被认为是非常重要的。鉴于日本目前地源热泵装系统利用率较低的现状，补助金计划的开展能够直接促进地源热泵系统的推广，并使其达到初始要求。为了协助补助金计划的设计和开展，促进地源热泵系统的推广，需要获取一些有关太阳能和风能利用的信息。由于可以利用补助金，这些能量（太阳能和风能）的利用似乎部分变得越来越经济了。一项合理的用于推广和促进地源热泵系统利用的补助金计划，应为以下人员（或机构）提供资金：希望在住宅安装地源热泵系统的个人；生产、安装和销售地源热泵系统的厂商、施工人员和/或经销商；地源热泵系统的推广机构。资金的应用领域应包括操作成本、基础设施成本、技术指南编制成本，以及进行初步勘查的成本，包括设计成本。2007年第2期日本地源热泵利用的可行性研究33补助金计划将为个人安装地源热泵系统提供一定的资金。这类似于资助太阳能发电设备推广的计划。提供的资金包括传统空间供热和制冷系统的成本差异。此外，用于促进风力发电项目的财政或税金扶持计划也是非常重要的。厂商、施工人员和/或销售商补助金计划的经费，将由电力公司提供。这就好比一方每KW峰移位向厂商支付202007年第2期日本地源热泵利用的可行性研究33如果日本地源热泵系统的运行性能和经济性能够得到验证，那么，作为按照京都草案开展的环境日元贷款计划（在联合国气候变化会议第三次团体会议上采纳）的一部分，地源热泵系统在日本邻近的其它亚洲国家也将得到普遍推广。结论日本地源热泵可行性研究结果总结如下：1）目前形势目前，在美国已安装了400,000套地源热泵系统，每年增加约50,000套地源热泵装置（例如，地源热泵的年利用增长率约为12％）。在瑞士已安装了50,000套地源热泵系统，年利用增长率为20％。由于日本主要的地下温度条件越来越适宜安装地源热泵系统，地源热泵系统的推广是切实可行的。从地形和环境角度来看，地源热泵系统（包括水平和垂直换热器等）被认为是适合日本需求的。2）地源热泵系统的成本和普遍推广研究结果表明，如果通过增加地源热泵装置的安装数量，能够降低埋地换热器的钻孔成本，平均每个住宅建筑增加的地源热泵系统的安装成本能在两年内收回（假设获得的补助金为50％、10年内的补助金为30％，以及在地源热泵初始安装阶段补助金是可利用的）。当地源热泵系统的安装成本超过其使用年限时（通常为24年），利用30％的补助金能够收回2,050,000－3,490,000日元（约19,000－32,000美元）的成本。在一座旧住宅建筑安装的地源热泵系统的评估结果显示：通过使用目前可利用的补助金（占住宅楼建造成本的2/3），地源热泵系统增加的初始成本能在9年半内收回；如果补助金增加7％，初始成本能在5年内收回（见表1）。如果地源热泵系统的使用年限被延长至50年，获得450,000日元（40,000美金）的资金储备是有可能的，甚至不使用任何补助金（见表2）。如果日本所有的住宅建筑物都安装地源热泵系统，二氧化碳的释放量能被减少52,000,000吨（与20世纪90年代传统供热和制冷系统二氧化碳的释放量相比，减少了4.3％，见表1）。此外，利用地源热泵系统进行供热和制冷，几乎不会向空气中释放任何废热，以及能够减缓热岛影响和降低最