美国地源热泵节能潜力

主编：PatrickJ.Hughes能源运输科学部

主管部门：美国能源部EERE地源热泵技术组

翻译：夏崇清 

文章来源：《中国建设信息供热制冷》2010年第02期

5美国地源热泵节能潜力

此次研究没有足够的时间和资源进行新的建模，因此仅在本节对现有建筑地源热泵的节能潜力进行综合分析，并提供一些足够的细节，尽量使用最新数据。粗略估算表明，2030年新建筑的节能潜力将再次增加。

EIA在其国家能源战略发展支持报告中称，1990年地源热泵节能潜力不到0.01quad（注：1quad＝1015Btu），预计2030年将增加到2.7×1015Btu。

另外，我们还对地源热泵的最新数据进行分析，估算商业建筑和住宅应用中的节能潜力，将其纳入到节能潜力总额中。这些估算是技术性的，没有考虑地源热泵在新建筑市场等广泛应用所需的时间，实际的节能效果将比估算值低。

概括地说，商业应用算法假定，建筑物单位占地面积的高负荷和建筑密度将限制市区的地源热泵应用，由于市区人口占28%，预计28%的可用建筑不能安装地源热泵。其他一些不合理的应用包括：替代螺杆式/离心式冷水机组、空调机、锅炉和市政热力等。余下的合理应用，研究数据确定为每年消耗1.6quads能量（目前已增加到2.6quads）。TIAX估计，典型地源热泵系统可节能30%，这与橡树岭国家实验室根据最新的ASHRAE数据获得的结果相一致。

住宅应用算法假定，GSHP应用包括供热、制冷和生活热水，这些功能以前由锅炉、中央空调、空气源热泵或混合系统完成，每年消耗3.7quads能量，研究估计45%的节能与典型新设备相关，节能级别与橡树岭国家实验室的超大型研究案例相同。这些案例针对多个军方家庭住宅，充分考虑了地源热泵的能效级别、设备性能，可满足全部负荷要求。

若所有既有建筑使用地源热泵系统，预计可每年节能约2.5quad，其中商业应用为0.8quad，住宅应用为1.7quad。这一评估与EIA1990年估计的2.7quads非常接近。

2006年5月16日，国家可再生能源实验室（NREL）组织了一个地热行业专家研讨会，以了解各种地热资源在发电和热能利用的潜力。研讨会没有进行正式评估，而是综合了专家小组成员们的丰富经验和知识，进行详细讨论和预测。研讨会形成的报告估计，当时全国地源热泵容量为7385兆瓦，这与Rybach在上一年估计的7200兆瓦（或60万台机组，典型机组功率为12千瓦）一致。报告称，将“预计可开发资源”作为可用资源子集，与会专家认为这将是随后几年的开发重心。对地源热泵，专家预计2015年的可发展资源为18400兆瓦，2025年达到66400兆瓦，2050年将超过100万兆瓦。

100万兆瓦相当于8330万个典型地源热泵机组的功率。该报告假定8330万台地源热泵机组每年在加热模式下运行50%的时间（4380小时），得出到2050年度地源热泵换热量达到15quads，这是不现实的。

我们需要估算的是每年地源热泵应用所能节约的非可再生能源量，而不是所有可用可再生地热能源供应值（不管需要与否）。这将很难确定上述TIAX商业分析中的单个机组节能效果，因为分析方法确定了，但如果将住宅应用的每个机组节能（3600万Btu/年，见前述民用分析示例：Fischer）应用于8330万机组，结果将是每年约3quads，与其他估计相当。

这三个节能估计相差不大，每年2.5~3quads不等，但都没有明确说明新建筑的额外节能潜力。为了完整起见，作者在此对新建筑进行概略估算。

新建住宅节能估算方法是：通过简单电子表格来计算EIA关于基本家庭年度增加的节能量（quads/年），将各年度的节能增量进行合计，就得到今年至2030年之间的节能总增量。EIA的家庭节能增量并非全部来自地源热泵合理应用的供热制冷和热水项目。继Fischer后，锅炉和中央空调混合、空气源热泵在家庭供热制冷和热水中所占的比例及算法都被认为是合理的，前提是假定2006~2030年的数据保持不变，且45%的节能来自典型新设备的合理应用。

商业新建筑的节能估算方法是：使用另一个简单的电子表格，计算EIA基本案例中增加建筑面积的年度节能量，然后相加得到今年至2030年之间增加建筑面积获得的节能总增量。同样，EIA关于新建筑节能增量并非全部来自地源热泵应用的供热制冷和热水项目。根据TIAX算法，得到合理比例的前提是假定2006~2030年的数据保持不变。对于2030年的预测，也假定地源热泵系统在新建筑中实现除供热制冷和热水外的制冷通风功能，且节能比例相同。预测假定30%的节能来自于典型新设备的地源热泵应用。

EIA和DOE的数据用于新建筑的地源热泵节能预测，到2030年时，住宅和商业建筑节能分别为0.42quad和0.48quad，合计为0.9quads。假定到2030年，改造建筑的地源热泵能实现每年增加节能2.5~3quads，则总的节能潜力在3.4~3.9quads之间。预计到2030年时，建筑消耗的非可再生初级能源为49.5quads，地源热泵节能潜力将占总额的7%~8%。从另一个角度看，非可再生能源将从2008年的40quads增加到2030年的49.5quads，发挥地源热泵的节能潜力将减少35%~40%的非可再生能源消耗增量。应当指出的是，地源热泵在农业和工业中的节能潜力尚未统计在内。

按照2006年的能源费率，对住宅和商业建筑使用的燃料进行平均，并用地源热泵替代，3.4~3.9quads的节能相当于每年减少3.3万亿~3.8万亿美元的费用。

假设洛杉矶FortPolk应用于军队住宅改造的4000台机组所减少的用电负荷与节能相同的话，3.4~3.9quads的节能也相当于在夏季减少91~105GW的用电高峰负荷。也就是国家电网2030年218GW的增容计划可减少42%~48%。

应当指出，上述地源热泵节能潜力预测是以典型设备为基准的。这种做法符合新设备比现有设备能效更高的传统观点（最低效率标准逐渐提高）。在没有联邦政府进一步推动时，正常的更换周期也会产生一些节能效果，如果用现有设备作为基准进行估算，则该部分的节能效果将加倍；此外，上述估计只考虑地源热泵替代合理应用的现有系统。

如果考虑经济刺激计划、气候变化或其他政策驱动（例如，假设作为公共政策，美国每栋建筑都具有地源热泵基础设施），上述技术的节能潜力将是保守的。原因有二：首先，不可能等到正常的周期才更换设备，行动的紧迫性迫使节能计算将更优的效率基准（而不是典型新设备）作为安装基础；第二，地源热泵基础设施投资优惠利率期超过35年，这将大大刺激地源热泵的合理应用。

住宅地源热泵节能潜力估算是以安装基础作为效率基准，并假定所有的应用都适合地源热泵，较之前估计的住宅节能潜力2.12~2.46quads，约增加一倍。假设商业建筑节能也增加一倍，则2030年度节能将从3.4~3.9quads增加到6.8~7.8quads。作者不认为这个巨大的地源热泵节能潜力能轻易实现，但作为公共政策的国家建筑节能策略大大增强其潜力的发挥，特别是地源热泵基础设施的加速建设。

6美国地源热泵发展的关键障碍

地源热泵在建筑应用中面临着许多障碍，且比其他可再生能源和能源效率技术直接应用面临的障碍要大得多。本报告不赘述常规建筑障碍及其解决措施，本节集中讲述地源热泵推广的障碍。

1994年，NECP提出初投资、技术信任度和设计安装基础是地源热泵的主要障碍，GSHPC设置三个工作委员会分别应对：初投资竞争力委员会、技术信心建立委员会和技术基础增强委员会。

1998年的联邦市场上，初投资问题尚不及生命周期问题受关注，但FEMP发现公众对地源热泵技术的信心和信任不足是主要的障碍，缺乏技术基础和数据支持，不足以进行可靠的生命周期分析并设计和实施所需的地源热泵系统，政府拨款额度也不足以直接支撑项目。

为增强技术信心和信任，FEMP在ORNL组织了一个小型的地源热泵核心小组，以评估大型地源热泵项目的有效硬数据；为了解决技术问题，FEMP发起了ORNL与IGSHPA、ASHRAE和联邦机构等用户的合作；为解决直接投资不足的问题，FEMP在大型ESPC合同中规定必须采用地源热泵系统，并让ORNL协助联邦机构实施ESPC和UESC合同下的地源热泵项目。国防部在研究总结国防系统地源热泵建设经验时发现，他们碰到的很多障碍与FEMP的研究相同。

2003年，NGWA调查地下水产业对地源热泵障碍的看法，设置的问题诸如：地下水工业参与地源热泵系统建设的最重要/最大的市场准入障碍是什么？NGWA将市场准入障碍定义为：阻止/抑制公司进入市场的所有环境条件。调查结果如下（按优先顺序排列，1为最重要的障碍）：

1.潜在的最终用户对地源热泵技术的认识度（通过市场营销、促销、税收抵免和能源退税等方法提高认识）；

2.购买地源热泵技术时，成本转移到最终用户；

3.能否为业内人士提供合理的盈利价格（如地下地质勘测、钻井等）；

4.相关人员能获得的专业培训、教育；

5.可供选择的替代能源（如天然气、电力、燃油、丙烷等）；

6.最终用户的口碑和经验；

7.专业人士服务区域内现有和潜在的地源热泵建设容量；

8.地源热泵技术承诺；

9.不动产问题（如：美观性、尺寸等）；

10.地源热泵技术与安装规范。作为研究的一部分，作者非正式地调研了一些地源热泵行业专家，包括：地源热泵公司和协会，专注于地源热泵市场的主要设备/材料/服务供应商，NECP计划和FEMP地源热泵计划的积极参与者以及赞助商或客户，商业地源热泵设计者及其特别支持者，现有/潜在地源热泵系统安装代表。本项调研虽不是特别针对地源热泵产业及其客户，但调查的范围很广，受访人员对地源热泵行业相当熟悉。调研的问题是：地源热泵行业快速增长的主要障碍是什么？然后将上述NGWA的调查结果提供给他们进行讨论排序。

最新调查在2008年10月、11月进行，统计得到的最后障碍排列顺序为（1为最重要）：

一级：

1.消费者初投资高。

二级：

2.消费者对地源热泵了解不够，或不相信系统的高效益。

3.决策者和政府管理部门对地源热泵了解不够，或不相信系统的高效益。

4.地源热泵设计和商业规划的基础设施限制。

5.地源热泵安装基础设施的限制。

三级：

6.新技术和工艺缺乏，难以提高地源热泵系统的性价比。

这三个障碍分级表明：障碍2~5得到了参与者同等程度的支持，障碍1被认为更重要，而障碍6则相对次要一些。