中國地源熱泵發展歷程分析

楊樹彪，周念清

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

中國地源熱泵發展歷程分析

楊樹彪1,2，周念清1

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

地源熱泵技術和相關產業在中國的發展經歷了六個主要階段：20世紀50-60年代以熱泵基礎理論研究為主，認為以土壤、地下水等為熱源的熱泵是研究的發展方向；20世紀80年代開始了少量的地源熱泵基礎理論研究和應用；20世紀90年代開展了一系列的理論研究和工程應用，取得了很大進展；2000-2006年市場容量不斷擴大，技術研究和產品研發均取得了跨越性的發展；2007年-2013年技術研究全面深入、市場應用全面推廣，地源熱泵產業的發展迎來了高潮；2014年后人們對地源熱泵技術的認識開始回歸理性，發展放緩，但基礎性的關鍵技術研究依然被重視。鑒于此，指出雖然地源熱泵產業目前發展步伐放緩，但隨著民眾對其認識的加深、技術的進步和社會對新能源需求的擴大，前景依然廣闊。

地源熱泵；發展歷程；技術研究；市場需求；應用前景

地源熱泵概念始于1912 年由瑞士人Zoelly提出，1946年美國開始進行這項技術的研究工作并在俄勒岡州成功建成第一個地源熱泵系統。20 世紀80年代后期，隨著相關技術的發展成熟，地源熱泵技術在北美及中、北歐國家取得較快發展。

近年來，我國在地源熱泵相關技術上進行了一系列探索，特別是各高校和科研機構相繼開展了理論與實際應用方面的深入研究，在地源熱泵技術的研究與普及獲得了較大的成功，地下水源熱泵系統、地表水源熱泵系統以及地埋管地源熱泵系統等各種方式在我國均得到了迅速發展，地源熱泵技術作為一種新型的清潔能源得到了政府的高度重視與大力支持，在各類建筑中得到廣泛應用，應用面積快速增長，以地源熱泵技術利用的淺層地熱能在短短十多年的時間內已躍居世界前列。

1 地源熱泵在我國的發展階段

中國的科技工作者早在上世紀60年代就開始了以土壤、地下水等為熱源的地源熱泵的可行性研究，筆者對地源熱泵在中國的發展歷程進行了簡單總結，認為目前地源熱泵在中國的發展經歷了六個階段：

（1）以熱泵基本原理為基礎的地源熱泵應用可行性研究的孕育階段（20世紀50～60年代）

早在20世紀50年代就開始了熱泵機組的研究工作[1]，我國熱泵技術研究的先行者呂燦仁1964年對我國利用熱泵節約燃料的自然條件和研究方向進行了詳細分析，認為我國氣候和自然資源有利于發展熱泵采暖[2]。但當時受經濟條件的限制，沒有取得有價值的成果。

（2）開始少量的基礎理論研究和實際應用的萌芽階段（20世紀80年代）

自20世紀80年代開始對地源熱泵進行了一系列的探索，1981年呂燦仁再次提出了以空氣、水、土壤為熱源利用熱泵供熱降溫，并明確我國黃河流域和長江流域的廣大地區很適用條件好[3]。1982年呂燦仁首次提出了“地熱熱泵”的概念，論證了熱泵系統是提高低溫能源利用率和城市采暖的有效方式，進行了地熱熱泵模擬試驗，并進行了經濟性分析，指出我國當前能源價格中電價較貴，使得熱泵的運轉費用高，直接經濟效果不明顯[4]。此外，天津大學、天津商學院和青島建筑工程學院等高校和科研機構相繼開展了地熱供暖方面的理論與實際應用方面的深入研究。由于我國能源價格的特殊性，以及其他經濟技術因素的影響，地源熱泵的應用推廣非常緩慢。

（3）國際合作與產學研相結合、理論與應用技術逐步提高的探索階段（20世紀90年代）

至20世紀90年代受國際大環境的影響，地源熱泵技術日益受到人們的重視，我國越來越多的技術人員開始投身于此項研究。1994年徐偉在全國暖通空調制冷學術年會上系統闡述了水源熱泵的工作原理以及閉式循環水源熱泵中央空調系統[5]，證明此類熱泵技術在我國大部分區域的適用性與經濟合理性，為我國發展與推廣此類熱泵技術提出了建議。同樣在1996年會上李家偉等詳細說明了土壤源熱泵在國外的歷史發展過程以及在這過程中對土壤源熱泵的主要研究成果[6]，指出當時我國對土壤源熱泵的研究尚未見文獻報道。以上兩次學術會議可以說是我國地源熱泵技術發展的 “助推劑”。

特別是90年代末期，以一系列的國際合作為契機，以高校為代表的科研機構與熱泵機組廠商合作，開始在探索中推廣應用地源熱泵技術。1997年，原國家科委與美國能源部在北京簽署了中美兩國《關于地熱能源生產與應用的合作協議書》，決定在我國開始推廣美國土—氣(水)型地源熱泵技術[7]。1998年中美兩國共同制定了《中美兩國政府合作推廣美國地源熱泵技術工作計劃書》，中美兩國政府地源熱泵合作項目正式啟動，從而極大地促進了該技術的國際合作和推廣應用。90年代后期重慶建筑大學、同濟大學等國內數家大學紛紛建立了地源熱泵實驗系統[8,9]，開展了一系列實驗模擬研究，國內也成立了一些專門的生產廠家，開始批量生產相關產品，這些科研單位和企業互相合作，在開發利用地源熱泵技術方面取得了很大的進展。

但從他整體來看，這一時期的地源熱泵技術還沒有完全被市場所接受，專業技術人員普遍對該技術了解不夠深入；地源熱泵相關設備少，且不成熟，地源熱泵系統規模較小，在市場應用中發展不快。

（4）政策法規逐步完善、市場容量不斷擴大、技術研究快速深入的跨越階段（2000～2006年）

進入21世紀，國家和地方政府也出臺了多項鼓勵措施，從政策及財政上給予大力支持，地源熱泵技術在我國已進入快速發展時期。

2002年中美在北京簽署了《中美兩國地源熱泵資助項目協議書》大大加快了中美兩國政府地源熱泵合作項目的進程。2005年后，隨著我國對可再生能源應用與節能減排的不斷加強，《可再生能源法》、《節約能源法》、《可再生能源中長期發展規劃》、《民用建筑節能管理條例》等法律法規的相繼頒布和修訂，地源熱泵迎來了前所未有的機遇。2005年，建設部正式將地源熱泵技術列為建筑業十項新技術，同年，建設部發布國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》。2006年，國家發展和改革委員會頒布的《中華人民共和國可再生能源產業發展指導目錄》，“地源熱泵供暖或空調”被列入重點發展項目，“水源熱泵機組”被列為地熱利用領域重點推薦選用的設備。同年，建設建設部合作，提供財政補貼，在全國范圍內挑選地源熱泵示范城市和項目；財政部發布實施了《可再生能源發展專項資金管理暫行辦法》，財政部建設部共同印發實施《可再生能源建筑應用專項資金管理暫行辦法》。

我國與地源熱泵相關設備產品制造的廠商不斷增多，相關專利不斷涌現，集成商規模不斷擴大。中國制冷空調工業協會統計數據顯示，我國水地源熱泵經過近10 年的快速發展，市場容量年均增長率保持在2位數的水平，個別年份增幅曾超過30%[10]。這一階段有關地源熱泵（淺層地熱能）的學術會議、科學研究也相當活躍，相關文獻數量急劇增加，有關高校的碩士、博士論文也不斷增多，屢創新高。我國地源熱泵的研究和應用實現了跨越式發展[11]（見圖1）。

圖1 1998～2007年我國地源熱泵應用增長態勢Fig.1 Growth curve of ground source heat pump application in China from 1998 to 2007

（5）基礎研究全面開展、技術標準全面建立、市場應用全面推廣的高潮階段（2007～2013年）

2007年，是我國地源熱泵技術發展具有里程碑意義的一年，2006年國家一系列在政策及財政上的支持措施效果開始顯現，地源熱泵技術出現爆發式增長。當年，地源熱泵示范城市項目開始啟動，在即將舉行的北京奧運會的奧運場館建設就采用了地源熱泵這項新技術。到該年度，我國已達約1900MWt裝機容量，這個數字已經進入世界五強之列。地源熱泵在我國逐步得到了社會各界的認可，實現了從點到面，從示范到城市級展開的全面推廣，地源熱泵行業在我國的發展高潮到來[12]。

2008年國土資源部全面部署我國淺層地熱能資源的勘查評價、規劃和地質環境監測工作,印發了《關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知》（國土資發[2008]249號），2009年頒布了《淺層地熱能勘查評價規范》，2011年中國地質調查局安排了29個省會城市的淺層地熱能調查評價工作，2013年又安排了部分地級市的淺層地熱能調查評價工作。

多省市出臺了地源熱泵技術優惠政策，如北京、河北、山東、江蘇、山西等省市，其中包括節能投資項目實行無償補助，按投資規模給予資助、按節能效果給予獎勵等。天津、廣東、南京、長沙等省市還設立了節能專項資金。

2009年國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》進行了完善修改，一些行業主管部門制定了相應的行業標準，各地方緊隨其后編制各地區的規范標準，如山東、江蘇、貴州、廣西、河南、北京、天津、上海、重慶、武漢、合肥等省市，隨著2012年省會城市的淺層地熱能調查評價工作的完成，相關省市大都建立起了有關地源熱泵的地方標準[13]（見表1）。

表1 我國有關地源熱泵的主要標準Table1 The main standard for ground source heat pump in our country

數據顯示，目前我國地源熱泵技術的建筑應用面積已超過2億m2，在“十二五”期間，我國預計將完成地源熱泵供暖（制冷）面積3.5億m2左右，按200～300元/m2的投資強度，總投資金額達到700～1050億元。同時國家和地方政府也在制定地源熱泵（淺層地熱能）有關的管理辦法和規劃，如天津市頒布《關于加快推進天津市淺層地熱能開發利用工作的意見》中規定，未來 4 年，天津市將有更多學校、醫院、酒店、商場以及居民住宅利用淺層地熱滿足供熱或制冷的需求。到2015年，全市開發利用淺層地熱能供暖（制冷）面積將達到2000萬m2，較“十一五”末增加1650萬m2。

與地源熱泵相關的產品也隨之大幅增長，據統計，我國熱泵熱水機組在2003 年的銷售額不足3000萬元，到2011年達到 40 多億元，基本上保持著年均 100% 以上的增長幅度。2012 年，我國熱泵熱水機組市場呈現略為萎縮的趨勢，該年度銷售額不足 40 億元[14]。這也預示著地源熱泵行業發展的一個頂峰即將過去。

圖2 2009～2013 年國內水地源熱泵機組銷售量變化Fig.2 Changes in sales volume of domestic water source heat pump units in 2009～2013

（6）潛在問題開始顯現、市場容量逐步下滑、基礎關鍵技術持續深入的回歸理性階段（2014年至今）

2014年開始，地源熱泵行業經過7年多的高速發展，隨著其本身劣勢的顯現以及政策補貼的減少，熱度逐漸下降，部分地源熱泵機組生產商、設計、施工單位初步感受到了“入秋的涼意”，部分單位在夾縫中求生存甚至考慮退出市場，社會對地源熱泵行業的認識開始回歸理性。

2013～2014年有關地源熱泵的研究文獻下降數量與2006～2007年的上升數量幾乎對應。申請專利數量也呈現下降趨勢。近幾年全國水地源熱泵市場容量持續下滑，有數據顯示自2011年開始，水地源熱泵產品的銷量就開始有不同程度的下降，從2014年開始市場需求急速降溫[14,15]（見圖3、圖4）。

圖3 2013～2016年水地源熱泵占有率對比Fig.3 Comparison of water source heat pump share in 2013～2016

圖4 2013～2016年水地源熱泵市場走勢Fig.4 2013～2016 water source heat pumps market trend

經過10多年的建設，部分地源熱泵項目的最終效果開始顯現，用戶在期望得到當初預想的收益，民眾希望通過已有工程看到當初宣傳的效果，潛在用戶則在通過觀望考慮項目的可行性。然而過去7年的一哄而上造就了很多失敗工程。部分工程因前期對資源量評估不充分造成冷熱量“供不應求”，而不得不增加其他能源形式進行補充；部分項目因設計不科學而節能不節錢；部分項目因施工不到位造成系統問題頻出、運行困難；部分項目因管理運行不善而“步履蹣跚”；甚至出現了施工完成即報廢的項目。這些失敗案例使用戶嘆氣、民眾失望、潛在用戶轉投其他新能源。

而有關淺層地熱能的研究文獻（學術關注度）雖有所下降但是并不十分明顯，說明有關淺層地熱能的基礎研究沒有隨市場的冷淡而降溫。一方面是因為淺層地熱能的研究基礎性、理論性較強對市場的反映較不敏感，另一方面與國家有關部門加強基礎研究的投入有關，地源熱泵系統設計的關鍵是地下換熱器的設計，而地下換熱器的設計與巖土體、地下水密切相關，因此淺層地熱能的研究是地源熱泵行業健康發展的保證。

2 發展前景

雖然2014年我國地源熱泵在我國的增長有放緩的趨勢，但并不代表其正在走向衰落。以歐洲為例雖然它是世界上發展地源熱泵最成熟的地區，但也曾經走過一段彎路。

而隨著民眾對地源熱泵技術認識的加深、科技的進步，關于能源消耗和環境污染的法律制訂越來越嚴格，隨著市場資源的重組整合一些技術能力落后的企業將被淘汰，將會出現專注地源熱泵系統設計、施工、運行的專業化公司，新型熱泵系統不斷出現，技術含量不斷提高，產業規模不斷擴大，地源熱泵的發展將實現從數量的穩步增長到質量穩步提升跨越，為節能減排的貢獻率不斷增加。

近幾年大氣污染問題越來越受到關注，國務院的政府工作報告中明確提出“加大生態環境保護治理力度 堅決打好藍天保衛戰，提出2017年單位國內生產總值能耗下降3.4%以上，隨著我國供給側結構性改革的持續深入，新能源產業快速發展，淺層地熱能作為一種清潔可再生能源發展前景廣闊。

References)

[1] 呂燦仁.熱泵及其在我國應用的前途[J].動力機械,1957,(2):13-19.

Lü C R.The future of heat pump and its application in China[J].Power and Machinery, 1957,(2):13-19.

[2] 呂燦仁.論我國運用熱泵節約燃料的自然條件和研究方向[R].天津大學,1964.

Lü C R.On the natural condition and research direction of using heat pump to save fuel in China[R].Tianjin University,1964.

[3] 呂燦仁.論運用熱泵提高能源利用率[J].天津大學學報,1981,(1): 84-95.

Lü C R.Treatise on using heat pump to raise the efficiency of energy utilization[J].Journal of Tianjin University, 1981,(1):84-95.

[4] 呂燦仁,馬一太.運用熱泵提高低溫地熱采暖系統能源利用率的分析[J].天津大學學報,1982,(4):1-8.

Lü C R, Ma Y T.Analysis on raising utilization of energy sources for low temperature geothermal district heating by heat pumps[J].Journal of Tianjin University, 1982,(4):1-8.

[5] 徐偉.水源熱泵中央空調系統及其技術經濟分析//中國建筑學會暖通空調學術委員會,中國制冷學會第五專業委員會.全國暖通空調制冷1994年學術年會資料集[C].1994:4.

Xu W.Water source heat pump central air conditioning system and its technical and economic analysis //HVAC academic committee of China Architecture Society, The ffth professional committee of China Refrigeration Society //National HVAC Refrigeration 1994 Academic Annual Conference[C].1994: 4.

[6] 李家偉.土壤源熱泵的國內外發展歷史與現狀//中國建筑學會暖通空調委員會,中國制冷學會第五專業委員會.全國暖通空調制冷1996年學術年會資料集[C].1996:3.

Li J W.The development history and current situation of soil source heat pump //HVAC academic committee of China Architecture Society, The ffth professional committee of China Refrigeration Society //National HVAC Refrigeration 1996 Academic Annual Conference[C].1996: 3.

[7] 李元普,Lee G,李秀果.美國土—氣型地源熱泵技術在中國的推廣[J].節能與環保,2002,(12):20-23.

Li Y P, Lee G, Li X G.The popularization of soil-air type groundsource heat pump technology in China[J].Beijing Energy Conservation, 2002,(12):20-23.

[8] 于立強.青島東部開發區建設海水冷熱源大型熱泵站可行性分析[J].暖通空調,1996,26(5):10-13,27.

Yu L Q.Feasibility analysis of a large heat Pump Plant with sea water heat source in Qingdao[J].Heating Ventilating & Air Conditioning, 1996,26(5):10-13,27.

[9] 王勇,付祥釗.地源熱泵的套管式地下換熱器研究[J].重慶建筑大學學報,1997,(5):17-21.

Wang Y, Fu X Z.Research on thermal well type of heat exchangers for ground source heat pump[J].Journal of Chongqing Jianzhu University, 1997,(5):17-21.

[10] 劉曉紅,張楓.我國空調熱泵相關產品市場發展狀況簡析[J].制冷與空調,2014,14(5):33-37.

Liu X H, Zhang F.Analysis on the development situation of airconditioning heat pump products in China[J].Refrigeration and Air-Conditioning, 2014,14(5):33-37.

[11] 徐偉.中國地源熱泵發展研究報告(2008)[R].北京:中國建筑工業出版社,2008.

Xu W.Research report on the development of ground-source heat pump in China(2008)[R].Beijing: China Architecture & Building Press, 2008.

[12] 徐偉.中國地源熱泵發展研究報告(2013)[R].北京:中國建筑工業出版社,2013.

Xu W.Research report on the development of ground-source heat pump in China(2013)[R].Beijing: China Architecture & Building Press, 2013.

[13] 張志英,吳賢哲,趙軍.地源熱泵及其系統的相關標準與規范的綜述與建議[J].太陽能,2015,(3):8-11,19.

Zhang Z Y, Wu X Z, Zhao J.Review and suggestions on the relevant standards and specifcations of ground-source heat pump and its system[J].Solar Energy, 2015,(3):8-11,19.

[14] 2015年度中國中央空調市場總結報告[J].機電信息,2016,(4):30-32.

2015 China central air-conditioning market summary report[J].Mechanical and Electrical Information, 2016,(4):30-32.

[15] 2016年度中國中央空調市場總結報告[J].機電信息,2017,(4):19-33.

2016 China central air-conditioning market summary report[J].Mechanical and Electrical Information, 2017,(4):19-33.

[16] 陸衍.論上海市地熱資源物探勘查[J].上海國土資源,2015,36(1): 67-72.

Lu Y.Geothermal geophysics exploration in Shanghai[J].Shanghai Land & Resources, 2015,36(1):67-72.

[17] 閔望,喻永祥,陸燕,等.蘇北盆地地熱資源評價與區劃[J].上海國土資源,2015,36(3):90-94,100.

Min W, Yu Y X, Lu Y, et al.Assessment and zoning of geothermal resources in the northern Jiangsu Basin[J].Shanghai Land & Resources, 2015,36(3):90-94,100.

[18] 李霞,萬利勤,陳文芳,等.河南省鶴壁新城淺層地熱能資源評價及應用前景研究[J].上海國土資源,2016,37(4):72-76.

Li X, Wan L Q, Chen W F, et al.Evaluation of shallow geothermal energy resources and application prospects in New Hebi City, Henan Province, China[J].Shanghai Land & Resources, 2016, 37(4):72-76.

Analysis of the development process of ground source heat pump in China

YANG Shu-Biao1,2, ZHOU Nian-Qing1
(1.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2.Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

The development of ground source heat pump technology and related industries in China has undergone six major stages: In the1950s and 1960s, the basic theory of heat pump was studied, and the heat pump with soil and groundwater as the heat source was the development direction of the research.The 1980s began a small amount of ground source heat pump basic theory research and application; In the 1990s, a series of theoretical research and engineering applications have been developed.With the expansion of market capacity in the 2000-2006, technological research and product development have achieved a leap-forward development; 2007-2013 technical Research in-depth, the market application of comprehensive promotion, the development of the ground source heat pump industry ushered in the climax; 2014 years later, people’s understanding of ground source heat pump technology has begun to regress to rationality, slowing down development, but the key technology research of foundation is still being paid attention to.In view of this, it is pointed out that although the development of ground source heat pump industry is slowing down, the prospect is still broad with the deepening of people’s understanding, technological progress and the expansion of social demand for new energy.

ground source heat pump; development course; technical research; market demand; application prospects

P314

A

2095-1329(2017)03-0057-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.013

2017-04-05

修回日期: 2017-07-27

楊樹彪(1979-),男,碩士,高級工程師,主要從事淺層地熱能調查與開發應用研究.

電子郵箱: dogxi2005@163.com

聯系電話: 13472544010

上海市規劃和國土資源管理局科研項目“上海市重點地區淺層地熱能資源詳查”