土壤源熱泵用于北方城鎮住宅采暖的可行性分析

溫志梅

[摘要]燃煤供暖問題是造成北方霧霾的主要因素之一，目前全球環境的惡化給地球人敲響警鐘，只有進行科學的供熱方式選擇減少溫室氣體排放，才能夠提高環境質量，改善全球氣候。基于此，本文主要分析土壤源熱泵用于北方城鎮住宅采暖的可行性，并探討其應用的價值分析具體應用的方式，以提高北方城市住宅采暖的環保性能。

[關鍵詞]土壤源熱泵;北方城鎮住宅;采暖可行性

[中圖分類號]TU832

[文獻標識碼]A

國家環保部門2018年12月份報告顯示，截至2018年12月底，我國北方城市二氧化碳排放量已經超過16萬噸。相較于五年前提高24%，在全國碳排放總量當中占比超過60%。住宅采暖是造成北方城鎮二氧化碳排放量較大的重要因素之一，尤其是鍋爐采暖，每年排放煙塵超過350萬噸，二氧化硫排放量超過800萬噸，土壤源熱泵屬于一種綠色環保的采暖方式，具有廣闊的市場應用前景。

1 土壤源熱泵用于北方城鎮住宅采暖的價值

相較于傳統的燃煤鍋爐，土壤源熱泵性能大大提升，可以應用雙螺旋桿壓縮機，提升傳熱效率，改善傳熱系數。相對于傳統的采暖方式來說，土壤源熱泵的傳熱系數可以達到4.3，將90%以上的地源熱能轉換為供熱熱能。土壤源熱泵使用可以同時滿足采暖和制冷兩項功能，相對于傳統的采暖方式增加制冷功能，并為用戶提供生活熱水。供熱設備的使用率從原本的40%提升到90%以上，節能效果提升70%，一套設備就可以替代原有的鍋爐加空調，用戶的使用成本降低80%以上。從這個角度來看，土壤源熱泵是替代北方城鎮住宅采暖方式的最佳路徑：

第一，可以大幅度提高城鎮住宅供暖的經濟價值和環保效應，具有廣闊的發展前景。目前供暖成本是北方城鎮住宅年花費的主要成本，土壤源熱泵的使用可以減少居民的采暖費用，還可以縮減政府在供暖方面的財政支出，屬于綠色環保的供熱方式，大范圍推廣可以在不降低居民生活質量的同時，提高城鎮居民的可分配收入。

第二，土壤源熱泵是一種綠色清潔能源，可以大幅度減少化石能源的燃燒，減少城鎮供暖造成的環境破壞。改善城鎮冬季的環境，降低霧霾天氣出現的頻率。為城鎮居民提供更高質量的居住空間，減少霧霾天氣造成的肺部疾病，保護城鎮居民的身體健康。

第三，土壤源熱泵的使用還可以緩解全球的氣候變暖現象，降低供暖燃燒化石能源造成的溫室氣體排放問題。一些城市供暖使用的煤炭硫含量比較高，供暖還會造成不同程度的光化學煙霧問題，通過土壤源熱泵的使用，該種環境問題可以得到有效的緩解。

2 土壤源熱泵應用于北方城鎮住宅采暖的可行性及具體應用策略

2.1 可行性分析

2.1.1 技術可行性

土壤源熱泵這個概念最早起源于瑞士，于1912年提出，瑞士日內瓦某研究所申請專利技術，并逐漸推廣在英美兩地。通過土壤換熱器，對土壤當中的熱能資源進行轉換，土埋管技術是當時主要的市場推廣方式。截至目前，土壤源熱泵技術的總容量和產熱量已經超過10000mw和53000tj，在各地推廣安裝的土壤源熱泵數量已經超過80萬套，主要安裝的國家有美國、奧地利、德國、加拿大、瑞典和瑞士等等。以美國為例，目前土壤源熱泵的安裝容量已經達到3798mw，安裝套數超過50萬套，年產熱量為3790TJ，目前的技術發展已經較為成熟，可以通過第三代土壤換熱器對資源進行有效利用，安裝土壤源熱泵還可以進一步提升熱能轉換效率。

隨著技術的升級，土壤源熱泵的生產、安裝、后期維修技術都已經比較成熟，我國已經可以獨立完成新型號土壤源熱泵的研發與后期維修工作。同時，隨著大數據技術以及信息化技術的發展，我國對于土壤源熱泵運行數據的收集也進入到了成熟階段，可以通過PLC自動化控制技術，調整土壤源熱泵的供熱效能，對機組運行進行自動化監控，減少設備出現故障的概率，促進土壤源熱泵運行效率提升。

2.1.2 政策可行性

我國相對于奧地利、德國、美國等先進國家，在土壤源熱泵研究方面起步較晚，但是進入新時代以來發展速度較快，緊跟世界潮流并應用智能化技術協調城市供暖，達到世界先進水平。在北京、廊坊、大連等技術先進地區，我國目前的土壤源熱泵技術已經超過世界先進水平。為促進土壤源熱泵技術的廣泛推廣，我國完善綠色技術的立法標準，2006年1月1日，建設部正式批準發布《國家標準土壤源熱泵系統工程技術規范》，2017年和2019年分別對該技術規范增補條例約定具體細節進行執行標準的細化管理，截至2018年12月份，我國各城市安裝土壤源熱泵的總面積已經超過9000萬平方米，年增長速度超過25%，并以京津冀地區和渤海灣地區發展速度最快。

天津市和北京市在土壤源熱泵的推廣方面走在了前列，2020年2月開始，北京市和天津市在土壤源熱泵使用的技術管理方面推出了標準化政策，這對于技術的發展具有明顯的促進作用。在未來，隨著技術推廣范圍的擴大，政策將進一步成熟。政府在新技術升級方面發揮著重要的作用，不斷完善市場服務職能，促進管理范圍擴大。

2.1.3 經濟可行性

經濟可行性是技術可行性的支撐，只有滿足經濟要求降低應用成本，才能夠提高土壤源熱泵技術應用的可持續水平。在建筑改造的過程當中，應用土壤源熱泵需要大量的資金投入，前期投入越小，則技術應用的經濟性越好，后期使用的成本也會越低。目前土壤源熱泵應用的性能系數cop可以達到4.2，這是國際通用的評價指標之一，我國目前的生產系統已經可以達到這一指標要求。在單位供熱的情況之下，消耗的能源較少，擁有更好的技術水平，這也就提升了可再生能源在建筑中應用的價值。在未來研究的過程當中，可以充分對土壤源熱泵利用系統進行改造，進一步降低前期投入，建設小體積多功能循環與水系統聯合的土壤源熱泵，從而進一步改善熱泵的性能系數，提高發展潛能。

2.2 土壤源熱泵在北方城鎮住宅采暖中的具體應用