日本地源熱泵利用的可行性研究

1、28 水文地質工程地質技術方法動態(tài) 日本地源熱泵利用的可行性研究*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） 【摘

2、 要】 在過去，低位地熱資源的潛力并沒有得到開發(fā)。然而，由于低位地熱資源地域廣闊（能量以不同溫度形式存在），經(jīng)評估，低位地熱資源的儲量是巨大的。因此，為了減少二氧化碳的釋放量（引起全球變暖的主要原因，全球變暖是美國能源和環(huán)境保護局提出的人類面臨的最嚴重問題之一），這種未被開發(fā)的能源的利用引起人們極大興趣。本項可行性研究的目的是，對影響地源熱泵系統(tǒng)推廣和普遍應用的有關成本、技術和方法等不同方面的問題，進行了調查研究。該調查研究是通過搜集地源熱泵相關文獻、隨機抽查結果、討論會和專家組的相關信息而開展的。地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)狀（ghp）* feasibility study on the utilizat

3、ion of geothermal heat pump (ghp) systems in japan. ghp bulletin, march 2001.基于能量提取的目的或者方式，地源熱泵系統(tǒng)可分為3種類型（(kavanaugh, 1991; 俄克拉荷馬州大學, 1997; 地熱交換, 1998)：（1）利用地熱換熱器（或者地耦換熱器）的熱泵系統(tǒng)。這種地熱換熱器可以垂直埋設于鉆孔或者約2米深的溝壕；（2）直接利用地下水的熱泵系統(tǒng)；（3）直接利用地表水（湖、沼澤地或者河流）或者把地表水用作熱源的熱泵系統(tǒng)。這種熱泵系統(tǒng)需要在湖、沼澤地或者河流的適當位置安裝一些（一系列）螺旋管。本次調查所檢測的系

4、統(tǒng)是一種使用垂直換熱器的地源熱泵系統(tǒng)（見圖1）。根據(jù)地熱換熱器的埋設方式，熱泵系統(tǒng)可分為水平管式（水平換熱器）和垂直管式（垂直換熱器）兩種類型 。世界上有許多國家利用地源熱泵系統(tǒng)進行空間供熱和制冷，尤其是美國、瑞士和北歐。在美國安裝的熱泵裝置約為（最小值）300000套，瑞士約為20000套和北歐約為30000套。在瑞士和北歐，大多數(shù)地源熱泵系統(tǒng)主要用于住宅供熱和制冷。在美國，許多大型建筑物也安裝了地源熱泵系統(tǒng)。雖然一種熱泵系統(tǒng)能夠足以滿足一座住宅樓或者大型建筑物的供熱和制冷需求，但熱泵系統(tǒng)的安裝數(shù)量并不一定與使用對象相對應，尤其是在美國(rybach等學者, 1992; rybach和 eu

5、gster, 1997)。地源熱泵系統(tǒng)性能價格比評價與利用率提高的影響性能價格比評價新能源工業(yè)綜合開發(fā)組織（nedo，1999）介紹了日本地源熱泵系統(tǒng)的研究、開發(fā)和利用情況。nedo對瑞士地源熱泵系統(tǒng)的成本與其它空間供熱和制冷系統(tǒng)成本做了比較，同時也對日本熱泵系統(tǒng)成本與傳統(tǒng)的供熱和制冷系統(tǒng)成本做了比較。對比結果表明，如果地源熱泵系統(tǒng)的利用變得越來越普遍，能夠降低垂直換熱器鉆孔的成本（安裝垂直換熱器是初始成本高的主要原因）。如果同樣從政府獲得50的補助金（用于促進地源熱泵系統(tǒng)的推廣），地源熱泵裝置的安裝成本能在兩年內(nèi)收回。此外，如果假設從政府獲得30的補助金，地源熱泵增加的成本（例如，與傳統(tǒng)供熱

6、和制冷系統(tǒng)的成本差異）能在10年內(nèi)收回。如果考慮到地源熱泵系統(tǒng)的生命周期成本（例如，24年），能夠收回20500003490000日元（約1900032000美元）的資金（假定從政府獲得30的補助金）。如果通過使用當?shù)卣聯(lián)艿淖≌a助金（例如，占住宅建造成本的2/3），在多人居住的舊住 日本地源熱泵利用的可行性研究 29宅安裝地源熱泵系統(tǒng)，增加的初始成本能在9年半內(nèi)收回。如果假設把7的補助金用于推廣地源熱泵系統(tǒng)，增加的初始成本能在5年內(nèi)收回（見表1）。如果沒有任何補助金可利用，能夠收回超過住宅建筑使用年限的（50年）450000日元（4000美元）的資金（見表2）。地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢地源熱泵

7、系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：1）能夠減少二氧化碳的釋放量；2）能夠減少城市地區(qū)的熱輻射；3）能夠減小耗電量。鑒于地源熱泵系統(tǒng)的第一個優(yōu)勢（能夠減少二氧化碳的釋放量），如果日本所有的住宅建筑都使用地源熱泵系統(tǒng)，每年二氧化碳的釋放量將減少52，000，000噸。由于利用地源熱泵系統(tǒng)進行供熱和制冷幾乎不會向大氣中釋放廢熱，所以，利用這些地源熱泵系統(tǒng)有助于減緩熱島現(xiàn)象。圖 1 使用鉆孔換熱器的地源熱泵系統(tǒng)的總平面圖（總設計圖）地源熱泵系統(tǒng)未來所需的技術開發(fā)為了使地源熱泵系統(tǒng)在將來更有效和得到更廣泛應用，所需的技術開發(fā)如下：1）提高地源熱泵的性能，尤其是用于住宅供熱和制冷；2）選擇地源熱泵系統(tǒng)最佳的供熱和制冷系統(tǒng)；

8、3）開發(fā)效率更高的垂直換熱器；4）采用新技術和新工藝降低鉆探成本；5）編制鉆探手冊。雖然地源熱泵系統(tǒng)不存在嚴重的技術問題，降低地源熱泵系統(tǒng)成本的最重要的項目，是開發(fā)小尺寸、高機動性的主要用于鉆進地熱換熱器鉆孔的鉆機，以及編制鉆探指南（上述條款（4）和（5）。地源熱泵系統(tǒng)引進、推廣和廣泛應用的輔助工作為了促進地源熱泵系統(tǒng)的廣泛推廣， 建立一種輔助系統(tǒng)是非常重要的。該輔助系統(tǒng)的主要工作方向如下：1） 基礎研究將來，提高垂直換熱器熱能提取速率的新技術的開發(fā)是可實現(xiàn)的。在美國、歐洲和日本（目前）已基本完成了該課題的基礎研究，安裝垂直地換熱器必需的數(shù)據(jù)的缺乏將延緩地源熱泵系統(tǒng)的推廣。這些信息的收集是至關

9、重要的。30 水文地質工程地質技術方法動態(tài) 表 1 目前供熱、制冷和熱水供應系統(tǒng)的初始和運行成本，與在一處舊住宅安裝的地源熱泵系統(tǒng)的相關成本的對照表；為降低二氧化碳釋放量而安裝的地源熱泵裝置的投資成本；在10000處舊住宅建筑物安裝的地源熱泵系統(tǒng)二氧化碳的縮減量（1美元約為110日元）?，F(xiàn)有系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)成本差額收回成本所需的時間（年）在假定的時間內(nèi)收回成本所需的補助金比率（）二氧化碳的縮減量（10000噸/年），設備投資成本設備投資成本舊住宅的建造成本供熱、制冷和熱水供應系統(tǒng)直接燒油/吸附型水加熱器/冷卻器（兩種設備）（容量：181440kcal/h）熱泵（化冰噸能力為60：2套裝置）（地

10、熱換熱器（200米：17套裝置）（包括鉆孔成本）10年10000日元/噸）（）10000日元/噸）初始成本20050000日元沒有最新補助金37200000日元17150000日元2830800.0730沒有最新補助金18600000日元1450000日元0系統(tǒng)運行成本2900000日元/年2300000日元/年600000日元/年？可利用2/3的補助金初始成本6680000日元沒有最新補助金12400000日元5720000日元9.50沒有最新補助金6200000日元480000日元0運行成本2900000日元/年2300000日元/年600000日元/年?2） 應用研究在歐洲和美國（主要工

11、作方向是在不同地區(qū)推廣地源熱泵系統(tǒng)），地源熱泵系統(tǒng)的應用研究也已經(jīng)基本完成。另一方面，在日本最迫切需要開展的工作，是地源熱泵系統(tǒng)的標準化、地源熱泵技術指南的編制以及通過示范對地源熱泵系統(tǒng)的可靠性進行測試。3） 推廣活動應建立地源熱泵推廣中心。該中心的工作領域應包括解決地源熱泵系統(tǒng)利用和安裝相關的各種問題，以及建立輔助系統(tǒng)?；A研究開展地下溫度、地下水位和地質圖研究，設計最佳鉆孔地熱換熱器（垂直換熱器）地源熱泵系統(tǒng)的一個特點是其地熱換熱器被安裝于鉆孔內(nèi)。地源熱泵系統(tǒng)地面裝置的安裝類似于傳統(tǒng)的供熱和制冷系統(tǒng)。所以，獲得垂直換熱器設計和成本評估所需的信息是非常重要的。值得注意的是，所有相關研究都應該

12、考慮日本的主要條件（氣候條件、地形條件和地質條件），以及（a）地下溫度、（b）地熱梯度、（c）土壤熱傳導性和（d）地下水流的分布情況。除了需要獲得地下100米的地熱梯度（見圖2）之外，有關地下水水位、地下水流方向和流速的數(shù)據(jù)（如果有可能獲得）也是非常重要的。如果含有所需數(shù)據(jù)的地質圖是有效的（可利用的），將能夠很容易地設計垂直換熱器。有時，適當數(shù)據(jù)的缺乏能夠導致不必要的保守設計。正在安裝垂直換熱器地區(qū)（安裝深度小于100米）相關的地質數(shù)據(jù)（適當?shù)模兄陂_展鉆進成本評估。相關的地質數(shù)據(jù)應包括礫巖層、斷層或基巖層的信息(marui, 1997; uchida, 1998)。 日本地源熱泵利用的可

13、行性研究 31應用研究地源熱泵系統(tǒng)的標準化和技術指南的編制為了促進地源熱泵系統(tǒng)的推廣，所有相關人員（包括地源熱泵系統(tǒng)的設計者和施工人員）應該普遍認可和了解地源熱泵系統(tǒng)。這就需要對地源熱泵系統(tǒng)進行標準化和編制地源熱泵技術指南。按照技術指南設計和安裝地源熱泵系統(tǒng)，能夠適當?shù)乜刂频卦礋岜玫馁|量和獲得較高的可靠性。在日本也應該盡可能快地開展地源熱泵系統(tǒng)標準化和技術指南編制。在美國，地源熱泵的標準化和技術指南的編制主要由igshpa（國際地源熱泵協(xié)會）與大學、科學協(xié)會和國家實驗室聯(lián)合完成。歐洲和美國已完成的技術指南的推廣，在很大程度上促進了日本地源熱泵系統(tǒng)的普及。所以應該引進國外技術，并確定哪種技術適合

14、于在日本應用，以及哪種技術還需要改進和完善。推廣（宣傳）活動驗證（示范）、推廣中心和補助金計劃地源熱泵系統(tǒng)的驗證對確定地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢或優(yōu)點而言，對地源熱泵系統(tǒng)進行驗證是極其有效的?？偨Y實例研究報告和推廣活動中的驗證結果至關重要。在本項研究中，多個舊住宅建筑物被選作驗證目標。所選擇的住宅建筑物類型如下：1） 將來需要建造多個單元的住宅區(qū)；2） 主要選擇維護成本低而不是投資成本低的住宅；3） 全天24小時進行供熱和制冷，地熱能消耗量較大（包括熱水供應）的住宅；4） 需要安靜和舒適的公共設施；5） 工程預算有限、不能聘用工程師對供熱和制冷設備進行維護的住宅；6） 滿足上述條件的舊住宅被認為是地源

15、熱泵系統(tǒng)較適宜的驗證目標。為垂直換熱器的安裝提供資金扶持，能為地源熱泵系統(tǒng)在舊住宅的推廣提供動力和激勵，因此，補助金計劃被認為是一種有效的促進活動。應把這種舊住宅用于監(jiān)測和論證地源熱泵系統(tǒng)。在實例研究報告中應對監(jiān)測和驗證結果進行總結和公布。表 2 現(xiàn)有供熱和制冷系統(tǒng)的生命周期成本（lcc）與表1描述的地源熱泵系統(tǒng)成本的對照表1）設備成本（10000日元）系統(tǒng)使用年限（年）系統(tǒng)數(shù)量進行評估的時間（年）系統(tǒng)更換次數(shù)lcc 注釋3（10000日元/50年）總成本（1000000日元/50年）lcc差異（10000日元/50年）3）現(xiàn)有系統(tǒng)2）燃油供應設備26510150513252.45鍋爐7751

16、025057750管道系統(tǒng)190101505950運行成本29050145004)地源熱泵系統(tǒng)熱泵49010250549001.990.45地熱換熱器25505015012550管道系統(tǒng)190101505950運行成本230501150032 水文地質工程地質技術方法動態(tài) 建立推廣中心地源熱泵系統(tǒng)的廣泛應用對環(huán)境有一定影響，有助于調節(jié)能量消耗率和減緩熱島現(xiàn)象。由此，美國環(huán)境保護機構、能源部和電力公司正在推廣地源熱泵系統(tǒng)的應用，以及建立了地源熱泵協(xié)會（ghpc）（聯(lián)邦政府或者私營部門研究計劃的一部分內(nèi)容）。在日本的所有地區(qū)幾乎都可以使用地源熱泵系統(tǒng)。在歐洲和美國地源熱泵系統(tǒng)的普遍推廣，大大刺激了

17、日本地源熱泵系統(tǒng)的應用。在日本建立地源熱泵推廣中心，未來地源熱泵的應用領域將不斷擴大，其推廣速度甚至有望超過美國和歐洲。到1996年為止，在美國已安裝了50，000套地源熱泵裝置。此后，地源熱泵的年利用增長率約為20。雖然地源熱泵的使用增長率還未達到地源熱泵協(xié)會的目標，但已經(jīng)是相當高了。然而，在日本地源熱泵系統(tǒng)并不被一些團體（能夠從中獲得利益）所熟知，包括用戶、建筑師、工程師、施工人員和廠商。鑒于目前日本地源熱泵系統(tǒng)的應用仍處于初級階段，新能源工業(yè)綜合開發(fā)組織應建立推廣中心促進地源熱泵系統(tǒng)的推廣和驗證，來協(xié)助開發(fā)適合日本當?shù)貤l件的地源熱泵系統(tǒng)，這是非常重要的。為了確定適合于日本的最佳的地源熱泵

18、系統(tǒng)，以及在開展推廣活動前選擇地源熱泵系統(tǒng)的示范目標，詳細研究在美國和歐洲使用的地源熱泵系統(tǒng)也是至關重要的。圖 2 溫度測井圖實例補助金計劃當促進地源熱泵系統(tǒng)的應用時，應著重于其經(jīng)濟效益及其有利影響，例如能量最大需求量降低和全球環(huán)境保護。地源熱泵系統(tǒng)最突出的經(jīng)濟效益應該是能夠降低安裝成本。就此而論（關于這一點），對增加地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟效益而言，補助金的應用被認為是非常重要的。鑒于日本目前地源熱泵裝系統(tǒng)利用率較低的現(xiàn)狀，補助金計劃的開展能夠直接促進地源熱泵系統(tǒng)的推廣，并使其達到初始要求。為了協(xié)助補助金計劃的設計和開展，促進地源熱泵系統(tǒng)的推廣，需要獲取一些有關太陽能和風能利用的信息。由于可以利用

19、補助金，這些能量（太陽能和風能）的利用似乎部分變得越來越經(jīng)濟了。一項合理的用于推廣和促進地源熱泵系統(tǒng)利用的補助金計劃，應為以下人員（或機構）提供資金：希望在住宅安裝地源熱泵系統(tǒng)的個人；生產(chǎn)、安裝和銷售地源熱泵系統(tǒng)的廠商、施工人員和/或經(jīng)銷商；地源熱泵系統(tǒng)的推廣機構。資金的應用領域應包括操作成本、基礎設施成本、技術指南編制成本，以及進行初步勘查的成本，包括設計成本。 日本地源熱泵利用的可行性研究 33補助金計劃將為個人安裝地源熱泵系統(tǒng)提供一定的資金。這類似于資助太陽能發(fā)電設備推廣的計劃。提供的資金包括傳統(tǒng)空間供熱和制冷系統(tǒng)的成本差異。此外，用于促進風力發(fā)電項目的財政或稅金扶持計劃也是非常重要的。

20、廠商、施工人員和/或銷售商補助金計劃的經(jīng)費，將由電力公司提供。這就好比一方每kw峰移位向廠商支付20,00050,000日元（180450美元）（通過稱為“生態(tài)冰”的冰能制冷型空氣調節(jié)系統(tǒng)完成）。補助金計劃能為廠商和施工人員提供資金，因此，這種新技術（地源熱泵）在商業(yè)上是切實可行的，能為用戶提供免費維修服務（當設備陳舊時）。如果通過利用太陽能、風能和生態(tài)冰（ecoice）能夠產(chǎn)生地源熱泵系統(tǒng)壓縮機所需的電量，可實現(xiàn)更進一步的能量蓄存。通過這種方式，補助金計劃的影響將會進一步增強。如果日本地源熱泵系統(tǒng)的運行性能和經(jīng)濟性能夠得到驗證，那么，作為按照京都草案開展的環(huán)境日元貸款計劃（在聯(lián)合國氣候變化會

21、議第三次團體會議上采納）的一部分，地源熱泵系統(tǒng)在日本鄰近的其它亞洲國家也將得到普遍推廣。結論日本地源熱泵可行性研究結果總結如下：1） 目前形勢 目前，在美國已安裝了400,000套地源熱泵系統(tǒng)，每年增加約50,000套地源熱泵裝置（例如，地源熱泵的年利用增長率約為12）。在瑞士已安裝了50,000套地源熱泵系統(tǒng)，年利用增長率為20。由于日本主要的地下溫度條件越來越適宜安裝地源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)的推廣是切實可行的。從地形和環(huán)境角度來看，地源熱泵系統(tǒng)（包括水平和垂直換熱器等）被認為是適合日本需求的。2）地源熱泵系統(tǒng)的成本和普遍推廣研究結果表明，如果通過增加地源熱泵裝置的安裝數(shù)量，能夠降低埋地換熱器的鉆孔成本，平均每個