日本地源热泵利用的可行性研究

28 水文地质工程地质技术措施动态 第2期日本地源热泵运用的可行性研究*Shinji Takasugi, Tsukashi Akazawa, Takashi Okumura ,Mineyuki Hanano（JMC Geothermal Engineering Co., Ltd., 8-4, Koami-cho, Nihonbashi Chuo-ku, Tokyo. 103-0016, Japan ; Japan Metals and Chemicals Co., Ltd., 8-4, Koami-cho, Nihonbashi Chuo-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区广阔（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（引起全球变暖的重要因素，全球变暖是美国能源和环保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运用引起人们极大爱好。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、技术和措施等不同方面的问题，进行了调查研究。该调查研究是通过收集地源热泵有关文献、随机抽查成果、讨论会和专家组的有关信息而开展的。地源热泵系统现状（GHP）* Feasibility Study On The Utilization Of Geothermal Heat Pump (GHP) Systems In Japan. GHP Bulletin, March .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; 地热互换, 1998)：（1）运用地热换热器（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）直接运用地下水的热泵系统；（3）直接运用地表水（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、沼泽地或者河流的合适位置安装某些（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）。根据地热换热器的埋设方式，热泵系统可分为水平管式（水平换热器）和垂直管式（垂直换热器）两种类型 。世界上有许多国家运用地源热泵系统进行空间供热和制冷，特别是美国、瑞士和北欧。在美国安装的热泵装置约为（最小值）300000套，瑞士约为0套和北欧约为30000套。在瑞士和北欧，大多数地源热泵系统重要用于住宅供热和制冷。在美国，许多大型建筑物也安装了地源热泵系统。虽然一种热泵系统可以足以满足一座住宅楼或者大型建筑物的供热和制冷需求，但热泵系统的安装数量并不一定与使用对象相相应，特别是在美国(Rybach等学者, 1992; Rybach和 Eugster, 1997)。地源热泵系统性能价格比评价与运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）简介了日本地源热泵系统的研究、开发和运用状况。NEDO对瑞士地源热泵系统的成本与其他空间供热和制冷系统成本做了比较，同步也对日本热泵系统成本与老式的供热和制冷系统成本做了比较。对比成果表白，如果地源热泵系统的运用变得越来越普遍，可以减少垂直换热器钻孔的成本（安装垂直换热器是初始成本高的重要因素）。如果同样从政府获得50的补贴金（用于增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的补贴金，地源热泵增长的成本（例如，与老式供热和制冷系统的成本差别）能在内收回。如果考虑到地源热泵系统的生命周期成本（例如，24年），可以收回20500003490000日元（约190003美元）的资金（假定从政府获得30的补贴金）。如果通过使用本地政府下拨的住宅补贴金（例如，占住宅建导致本的2/3），在多人居住的旧住第2期 日本地源热泵运用的可行性研究 29宅安装地源热泵系统，增长的初始成本能在9年半内收回。如果假设把7的补贴金用于推广地源热泵系统，增长的初始成本能在5年内收回（见表1）。如果没有任何补贴金可运用，可以收回超过住宅建筑使用年限的（50年）450000日元（4000美元）的资金（见表2）。地源热泵系统的优势地源热泵系统的优势如下：1）可以减少二氧化碳的释放量；2）可以减少都市地区的热辐射；3）可以减小耗电量。鉴于地源热泵系统的第一种优势（可以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。由于运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，因此，运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）地源热泵系统将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，特别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减少钻探成本；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，减少地源热泵系统成本的最重要的项目，是开发小尺寸、高机动性的重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增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。该辅助系统的重要工作方向如下：1） 基本研究将来，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）已基本完毕了该课题的基本研究，安装垂直地换热器必需的数据的缺少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。30 水文地质工程地质技术措施动态 第2期表 1 目前供热、制冷和热水供应系统的初始和运营成本，与在一处旧住宅安装的地源热泵系统的有关成本的对照表；为减少二氧化碳释放量而安装的地源热泵装置的投资成本；在10000处旧住宅建筑物安装的地源热泵系统二氧化碳的缩减量（1美元约为110日元）。既有系统地源热泵系统成本差额收回成本所需的时间（年）在假定的时间内收回成本所需的补贴金比率（）二氧化碳的缩减量（10000吨/年），设备投资成本设备投资成本旧住宅的建造成本供热、制冷和热水供应系统直接烧油/吸附型水加热器/冷却器（两种设备）（容量：181440kcal/h）热泵（化冰吨能力为60：2套装置）（地热换热器（200米：17套装置）（涉及钻孔成本）10000日元/吨）（）10000日元/吨）初始成本0000日元没有最新补贴金3700日元17150000日元2830800.0730没有最新补贴金18600000日元1450000日元0系统运营成本2900000日元/年2300000日元/年600000日元/年？可利用2/3的补助金初始成本6680000日元没有最新补贴金12400000日元570日元9.50没有最新补贴金600日元480000日元0运营成本2900000日元/年2300000日元/年600000日元/年?2） 应用研究在欧洲和美国（重要工作方向是在不同地区推广地源热泵系统），地源热泵系统的应用研究也已经基本完毕。另一方面，在日本最迫切需要开展的工作，是地源热泵系统的原则化、地源热泵技术指南的编制以及通过示范对地源热泵系统的可靠性进行测试。3） 推广活动应建立地源热泵推广中心。该中心的工作领域应涉及解决地源热泵系统运用和安装有关的多种问题，以及建立辅助系统。基本研究开展地下温度、地下水位和地质图研究，设计最佳钻孔地热换热器（垂直换热器）地源热泵系统的一种特点是其地热换热器被安装于钻孔内。地源热泵系统地面装置的安装类似于老式的供热和制冷系统。因此，获得垂直换热器设计和成本评估所需的信息是非常重要的。值得注意的是，所有有关研究都应当考虑日本的重要条件（气候条件、地形条件和地质条件），以及（a）地下温度、（b）地热梯度、（c）土壤热传导性和（d）地下水流的分布状况。除了需要获得地下100米的地热梯度（见图2）之外，有关地下水水位、地下水流方向和流速的数据（如果有也许获得）也是非常重要的。如果具有所需数据的地质图是有效的（可运用的），将可以很容易地设计垂直换热器。有时，合适数据的缺少可以导致不必要的保守设计。正在安装垂直换热器地区（安装深度不不小于100米）有关的地质数据（合适的），有助于开展钻进成本评估。有关的地质数据应涉及砾岩层、断层或基岩层的信息(Marui, 1997; Uchida, 1998)。第2期 日本地源热泵运用的可行性研究 31应用研究地源热泵系统的原则化和技术指南的编制为了增进地源热泵系统的推广，所有有关人员（涉及地源热泵系统的设计者和施工人员）应当普遍承认和理解地源热泵系统。这就需要对地源热泵系统进行原则化和编制地源热泵技术指南。按照技术指南设计和安装地源热泵系统，可以合适地控制地源热泵的质量和获得较高的可靠性。在日本也应当尽量快地开展地源热泵系统原则化和技术指南编制。在美国，地源热泵的原则化和技术指南的编制重要由IGSHPA（国际地源热泵协会）与大学、科学协会和国家实验室联合完毕。欧洲和美国已完毕的技术指南的推广，在很大限度上增进了日本地源热泵系统的普及。因此应当引进国外技术，并拟定哪种技术适合于在日本应用，以及哪种技术还需要改善和完善。推广（宣传）活动验证（示范）、推广中心和补贴金筹划地源热泵系统的验证对拟定地源热泵系统的优势或长处而言，对地源热泵系统进行验证是极其有效的。总结实例研究报告和推广活动中的验证成果至关重要。在本项研究中，多种旧住宅建筑物被选作验证目的。所选择的住宅建筑物类型如下：1） 将来需要建造多种单元的住宅区；2） 重要选择维护成本低而不是投资成本低的住宅；3） 全天24小时进行供热和制冷，地热能消耗量较大（涉及热水供应）的住宅；4） 需要安静和舒服的公共设施；5） 工程预算有限、不能聘任工程师对供热和制冷设备进行维护的住宅；6） 满足上述条件的旧住宅被觉得是地源热泵系统较合适的验证目的。为垂直换热器的安装提供资金扶持，能为地源热泵系统在旧住宅的推广提供动力和鼓励，因此，补贴金筹划被觉得是一种有效的增进活动。应把这种旧住宅用于监测和论证地源热泵系统。在实例研究报告中应对监测和验证成果进行总结和发布。表 2 既有供热和制冷系统的生命周期成本（LCC）与表1描述的地源热泵系统成本的对照表1）设备成本（10000日元）系统使用年限（年）系统数量进行评估的时间（年）系统更换次数LCC 注释3（10000日元/50年）总成本（1000000日元/50年）LCC差别（10000日元/50年）3）既有系统2）燃油供应设备26510150513252.45锅炉7751025057750管道系统190101505950运营成本29050145004)地源热泵系统热泵49010250549001.990.45地热换热器25505015012550管道系统190101505950运营成本230501150032 水文地质工程地质技术措施动态 第2期建立推广中心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，美国环保机构、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筹划的一部分内容）。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，将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，地源热泵的年运用增长率约为20。虽然地源热泵的使用增长率尚未达到地源热泵协会的目的，但已经是相称高了。然而，在日本地源热泵系统并不被某些团队（可以从中获得利益）所熟知，涉及顾客、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在初级阶段，新能源工业综合开发组织应建立推广中心增进地源热泵系统的推广和验证，来协助开发适合日本本地条件的地源热泵系统，这是非常重要的。为了拟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的，具体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 温度测井图实例补贴金筹划当增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减少和全球环保。地源热泵系统最突出的经济效益应当是可以减少安装成本。就此而论（有关这一点），对增长地源热泵系统的经济效益而言，补贴金的应用被觉得是非常重要的。鉴于日本目前地源热泵装系统运用率较低的现状，补贴金筹划的开展可以直接增进地源热泵系统的推广，并使其达到初始规定。为了协助补贴金筹划的设计和开展，增进地源热泵系统的推广，需要获取某些有关太阳能和风能运用的信息。由于可以运用补贴金，这些能量（太阳能和风能）的运用似乎部分变得越来越经济了。一项合理的用于推广和增进地源热泵系统运用的补贴金筹划，应为如下人员（或机构）提供资金：但愿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。资金的应用领域应涉及操作成本、基本设施成本、技术指南编制成本，以及进行初步勘查的成本，涉及设计成本。第2期 日本地源热泵运用的可行性研究 33补贴金筹划将为个人安装地源热泵系统提供一定的资金。此类似于资助太阳能发电设备推广的筹划。提供的资金涉及老式空间供热和制冷系统的成本差别。此外，用于增进风力发电项目的财政或税金扶持筹划也是非常重要的。厂商、施工人员和/或销售商补贴金筹划的经费，将由电力公司提供。这就好比一方每KW峰移位向厂商支付20,00050,000日元（180450美元）（通过称为“生态冰”的冰能制冷型空气调节系统完毕）。补贴金筹划能为厂商和施工人员提供资金，因此，这种新技术（地源热泵）在商业上是切实可行的，能为顾客提供免费维修服务（当设备陈旧时）。如果通过运用太阳能、风能和生态冰（EcoIce）可以产生地源热泵系统压缩机所需的电量，可实现更进一步的能量蓄存。通过这种方式，补贴金筹划的影响将会进一步增强。如果日本地源热泵系统的运营性能和经济性可以得到验证，那么，作为按照京都草案开展的环境日元贷款筹划（在联合国气候变化会议第三次团队会议上采纳）的一部分，地源热泵系统在日本邻近的其他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成果总结如下：1） 目前形势 目前，在美国已安装了400,000套地源热泵系统，每年增长约50,000套地源热泵装置（例如，地源热泵的年运用增长率约为12）。在瑞士已安装了50,000套地源热泵系统，年运用增长率为20。由于日本重要的地下温度条件越来越合适安装地源热泵系统，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（涉及水平和垂直换热器等）被觉得是适合日本需求的。2）地源热泵系统的成本和普遍推广研究成果表白，如果通过增长地源热泵装置的安装数量，可以减少埋地换热器的钻孔成本，平均每个住宅建筑增长的地源热泵系统的安装成本能在两年内收回（假设获得的补贴金为50、内的补贴金为30，以及在地源热泵初始安装阶段补贴金是可运用的）。本地源热泵系统的安装成本超过其使用年限时（一般为24年），运用30的补贴金可以收回2,050,0003,490,000日元（约19,00032,000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成果显示：通过使用目前可运用的补贴金（占住宅楼建导致本的2/3），地源热泵系统增长的初始成本能在9年半内收回；如果补贴金增长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）的资金储藏是有也许的，甚至不使用任何补贴金（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年代老式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，运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，以及可以减缓热岛影响和减少最大电量需求。3） 技术目的地源热泵系统虽然不存在具体的技术问题，但该系统的多种方面尚有待于进一步完善，涉及：专门用于安装地源热泵系统以及钻进松软和坚硬岩层的小型钻机的开发。同样，也需要编制钻进手册，涉及表白地质构造和断层分布状况（可以影响钻进效率）的部分。4） 地源热泵系统引进、推广和广泛应用的辅助工作这些辅助工作涉及：地质数据收集；钻进技术指南编制；地源热泵系统的验证和监测；地源热泵系统分布网络的建立和辅助金筹划的制定。日本地源热泵系统有关的提案重要以欧洲和美国的实例为基本。