地源热泵：机会，挑战与对策
主编：Patrick J.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 国际地源热泵协会中国地区委员会
说明
本报告由DOE（美国能源部）EERE（能源效率与可再生能源办公室）下的GTP（地源热泵技术项目）发起，在此特别感谢GTP项目经理Edward Wall先生的领导和Raymond Fortuna先生的技术监督，以及DOE建筑技术项目的Anthony Bouza和Lew Pratsch的大力支持。任何美国政府及机构、员工均不保证其内容和资料的准确性、完整性和实用性，不承担可能存在的任何法律责任。报告中涉及的任何产品、流程和有关的商标及名称、制造商等，并不说明或暗示其得到美国政府和任何机构的认可、推荐，作者的观点和结论也不代表或反映国家或美国政府及任何机构。作者真挚地感谢分享经验的诸多行业人士。
1、内容提要
我们需要更有效地指导资源利用，以利于国家安全、环境可持续发展和社会福利。建筑物为当前减少能源消耗和限制温室气体排放提供了最好的机会。
如果联邦政府设定一个目标，要求美国的建筑物使用的非可再生能源在2030年不超过2008年的水平，根据此前的分析（本报告已作了更新和总结），可以通过积极部署地源热泵系统来实现这一目标的35%~40%，即每年节约3.4~3.9quads（注：1quad=1015Btu，即2.9×1011kW·h）。
地源热泵可减少91~105GW的发电需求，占2030年全国新增218GW容量需求的42%~48%。此外，积极部署地源热泵每年可节约电费330亿美元~380亿美元（按2006年费率计算）。
然而，地源热泵却很少在政策层面得到重视，更别说是成为国家战略发展的重要组成部分。是决策者错误地忽视了地源热泵，还是地源热泵有众多因素使其根本无法为国家的节能减排目标作出重大贡献呢？
应DOE的要求，我们进行了简短的研究，研究范围包括分析全球地源热泵市场现状和美国地源热泵产业和技术发展现状，评估地源热泵节能潜力，找出阻碍地源热泵应用的主要壁垒并提出针对性的行动措施，以加速地源热泵的发展。
美国曾一度是世界地源热泵技术及市场发展的领导者，但如今欧洲市场每年的机组出货量是美国国内市场的2~3倍，欧洲、部分亚洲国家（如中国、韩国）以及加拿大的市场增长率已经超过美国。虽然美国地源热泵系统的装机总量仍最多，但人均保有量则已落后于许多欧洲国家。
今天的美国国内GSHP产业有着更好的定位，增长速度也比以往任何时候都快得多。这一技术已经得到验证、认可，美国已安装机组数量超过了60万台，最新颁布的政策为家庭和企业业主投资GSHP系统的税收抵免期扩大到2008年10月至2016年。
自2007年以来，部分公用事业行业，如农村电力合作社（RECs），能够获得政府提供的长达35年的长期贷款［来自美国农业部农村公用服务（USDA/RUS）］，为客户提供户外部分的地源热泵系统，以换取公用事业税率，其额度超过地源热泵系统的节能额度。该法案将超过所抵消GSHP系统的能源节约成本。2007年12月，国会指示总务管理局（GSA）建立程序加快成本效益更高的节能技术和措施在GSA设施中的应用，重点为照明和地源热泵系统。越来越多的州开始为地源热泵系统提供税收抵免或其他形式的奖励。
作为地源热泵产业最重要的贸易伙伴，美国电力公司如今能够更好地把重点放在比以往的结构调整更迫在眉睫的削减高峰负荷和改善负载系数上，而这两个正是GSHP系统可以提供的关键效益。成熟、稳健的行业组织———国际地源热泵协会（IGSHPA），地源热泵联合集团（GSHPC），美国采暖/制冷与空调工程师学会（ASHRAE）以及全国地下水协会（NGWA）为之提供了有力的保证。
如果美国国内GSHP市场能迅速发展，大多数相关的行业都会随之发展，不会遇到发展瓶颈。然而，GSHP系统设计和安装的基础设施需要特别关注，而这些设施目前只存在于一些地区，其他地区的客户则对这项技术知之甚少。
GSHP市场失利的主要因素是期望业主来投资GSHP基础设施，或是GSHP系统的室外部分，如地下换热器。GSHP基础设施比建筑物的寿命更长，可供几代人安装使用热泵，与现有的公用事业基础设施（如：电线杆和电线，地下天然气管道）类似。这就引出了一个问题——为什么我们希望业主投资GSHP基础设施，而不用投资其他的公用事业基础设施呢？GSHP系统的室外部分投资可占到整体GSHP系统成本的一半，甚至一半以上，如果这笔费用能被排除，GSHP系统将与传统系统具有大致相同的价格竞争力，并可能以低成本批量生产。
如上所述，国会已经批准并授权USDA/RUS提供长期资金，为农村电力合作社（RECs）的居民和商业客户提供GSHP的基础设施建设。迄今为止已有一个农村电力合作社获得了该类贷款，另一个农村电力合作社正在提出申请。农村电力合作社通过客户电费抵税来收回成本并偿还资金。事实上，多数家庭的地源热泵系统抵税额为每月15~30美元，要少于地源热泵节约的能源费。目前已经实施的住宅和商业GSHP系统可享受联邦税收抵免到2016年，美国国会和GSA正加速GSHP的发展。在这些已实施的联邦政策基础上，建议出台新的补充政策或额外的激励条款，进一步完善GSHP的发展环境。阻碍地源热泵产业快速发展的关键障碍如下（按重要性排序）：
1）地源热泵系统高的初投资；
2）消费者缺乏相关知识，不信任、不了解地源热泵系统的实际效益；
3）决策者/管理者缺乏知识，不信任、不了解地源热泵系统的实际效益；
4）地源热泵设计和商业计划的基础实施局限性；
5）地源热泵安装基础设施的局限性；
6）缺乏降低地源热泵投资和提高性能的新技术、新方法。
针对以上关键障碍，可采取以下行动措施，以促进地源热泵产业的快速发展：
1）装配独立、统计上有效的硬数据的成本和效益GSHP；
2）独立评估积极推动地源热泵发展对国家利益的价值；
3）在全国范围内简化并深化农村电力合作社的地源热泵基础设施投资模式；
4）通过开发和部署新的计划，普及GSHP基础设施建设；
5）通过综合数据、深入分析并开发有用工具，使地源热泵基础设施的生命周期成本最小化；
6）对存在高质量地源热泵设计基础设施的地理区域进行开发；
7）对存在高质量地源热泵安装基础设施的地理区域进行开发。
鉴于控制美国能源消费和碳排放的必要性，同时刺激经济走出经济衰退以来最严重的大萧条，作者建议，美国联邦政府的决策者应认真考虑在全国尽早积极部署地源热泵，并将上述所列措施纳入到执行战略政策中。此外，未来的政策应确保地源热泵系统包含在可再生能源标准和目标中，列入相关的环保措施目录中。
要在建筑节能减排上取得快速进展，就应该对现有建筑物进行一次全面的节能改造，在同一建筑上进行多次改造将造成大量浪费，增加总体成本。地源热泵已被证明是一个出色的技术，有强大的节能潜力，它能在新的国家能源战略中发挥重要作用，但前提是得到联邦政府的重视和大力支持。
2、概述
建筑环境（包括住宅、商业建筑和公共建筑）约占美国能源消费和温室气体排放量的40%，占美国电力消耗的72%，占美国天然气消费量的55%，在东北部及相关地区则消耗了大量的油和丙烷用于取暖。最近的趋势表明，美国建筑物的能源消费量和碳排放量的增长速度超过运输业和工业系统。从图1所示的全燃料能源消费对比中可以看出，自1980年以来，工业用能基本稳定，建筑物用能比运输业用能增长更快。而图2中，15年内的工业用电量基本持平，而建筑物用电则增加了50%。
自1985年以来，基本上所有的美国电力消费需求高峰，以及因此带动的发电、输变电基础设施投资，均源于建筑物的能源需求。更有效地使用资源将有助于美国的安全、环境可持续性以及经济健康发展，建筑物为节能减排提供了目前最好的实现途径。麦肯锡公司（McKinsey&Company）最近的一项研究表明，减少建筑物能耗是实现大幅度减少碳排放最经济的方法。GSHP已被证实能大幅减少建筑物的能耗和用能需求高峰。然而地源热泵却很少在政策层面得到重视，更别说成为实现国家安全、环境可持续性和经济健康发展战略的重要组成部分。
是决策者错误地忽视了地源热泵，还是地源热泵有众多因素使其根本无法为国家的节能减排目标作出重大贡献呢？虽然大家莫衷一是，但毋庸置疑的是：美国联邦政府正每年花费纳税人和公共事业消费者的数百万美元用于其他如太阳能发电、风能、地热能和生物质能等成本更高的可再生能源技术开发，而不是GSHP；我们制定生物燃料、氢能、电气化运输和去碳发电的战略政策以减少对外国石油的依赖，为什么却忽视了我们一直生活在其上的土地也是解决方案的一部分呢？
在过去几十年中，地源热泵系统逐步发展，在美国供热制冷和热水市场所占份额虽小，比重却不断增加。而这并非政策关注的结果，也不是美国政府认识到地源热泵对国家安全、环境和经济的巨大贡献潜力；更勿谈如何查明并解决地源热泵系统发展所存在的障碍，包括阻碍地源热泵在成本优势明显地区更广泛应用的因素。
本报告的目标是：
总结全球地源热泵市场现状（第3章）；
总结美国地源热泵产业和技术现状（第4章）；
估算美国地源热泵的节能潜力（第5章）；
分析美国地源热泵应用的主要障碍（第6章）；
提出加速美国地源热泵发展的政策和应对措施（第7章）。
第2.1节提出了地源热泵技术的明确定义，以澄清政策层面和公众对地源热泵的误解。第2.2节列出了一些对地源热泵潜在重要性的研究和公开文件。报告的所有章节都尽量通过客观的分析提出调查结果。
2.1什么是地源热泵技术
在过去几十年中，地源热泵技术的基础没有什么变化，但其身份危机已影响到对其认知、理解和接受。地源热泵有许多标签，如：可再生能源、地热能、太阳能、地球、替代能源，可回收等，是一种能源效率和节能技术，已成为更广阔的应用技术目录（如：公用服务类甲方管理）中的主要选项之一。地源热泵往往被混淆为地热发电，通过提取地表高热来生产蒸汽并用于发电；它有时也被误认为是直接利用地热的温室、养殖池塘，或其他使用低温热源的农业设施，如温泉。虽然地源热泵几乎可用于任何地方，但在现有的技术条件下，美国的高温和低温地热资源只在有限的地区有应用经济价值。
绝大多数国家建设规划并未考虑采用地热作为经济源。而且为实现在建筑系统的节能，地热需要为商业建筑等集中负荷提供服务。国内绝大多数商用建筑中，制冷、冷藏等系统每年向室外排放的废热比室内需求负荷要大得多。地源热泵系统通过储存、回收部分废热并从建筑四周土壤获得补充，具有这些传统系统所没有的优势。地源热泵与土壤的热交换和废流热回收与地热能一样，属于非常经济的可再生能源，只有极少数情况除外（如拥有天然温泉的度假酒店和SPA场所）。
在美国的建筑中，总是可以看到以下设施：
安装在建筑周边地面或屋顶上，带百叶窗的换气用金属盒；
建筑围护结构区域内带换气百叶窗的独立小建筑；
各种边墙、屋顶换气口、排气管和烟囱等；
这些设备和模块都是用于建筑物室内温度/湿度控制、热水供应和空气流通功能，他们是室内外能源（或热）交换的介质。充分利用冬夏季地下温度与室内空气的温差优势，地源热泵设备所消耗的非可再生能源（电力和化石燃料）非常少。地源热泵使用热泵原理，根据需要在土壤和室内之间高效地交换热量，它消耗一定的电能，却可以获得3~5倍的等效热能。如果有更大的市场推动，则可以在地源热泵产业中引进最先进的商业组件，将这一效率提高到6~8倍，甚至达到理论上的14倍之多。
美国的所有现有建筑中，土壤温度夏季比室内温度低，冬季比室内温度高。地源热泵就是利用了这种每个建筑物都有的唯一可再生能源。在设计正确的基础上，这一能源可按需供应，永不枯竭，在全美50个州均可成功应用。
图3列出了多种地源热泵系统的类型，其中最常见的是垂直闭环地下热交换器，尤其在商业建筑中。然而，要充分发挥这项技术的潜力，支付能力尤为重要，同时要让其他成本效益高的系统发挥更多的作用。
地表资源包括土壤、地表水、可回收洗盥污水、污水处理厂污水、保留流域雨水、雨水收集和地下含水层，无论是单独使用或与室外空气进行混合配置，都具有巨大潜力。地源热泵可针对大型社区或单一的建筑物进行设计、施工，适用于新建或改造的社区、建筑。可服务于适度的供热、制冷、通风、热水和冷冻需求，净负荷接近零的新住宅和商业建筑，通过高效的热泵耦合到地下环路，不需要进行任何多余的挖掘和钻探。
2.2地源热泵重要性研究
1）皮尤全球气候变化中心（The Pew Center on Climate Change）2005年发布的报告建议，针对气候变化采取六项市场改革措施，增强研发，将可以使建筑能源消耗和二氧化碳排放量在2025年降低到2004年的水平，其中建议增强研发的5大技术中就包括了降低地源热泵系统的成本。
2）美国太阳能学会（American Solar Energy Society）2007年发布的报告建议，通过最大限度地使用能源效率技术和可再生能源，将有望在2030年前实现碳排放量的减少，并在2050年实现碳排放总量比2005年降低60%~80%。气候专家称这是避免灾难性气候变化发生所需要达到的排放标准。其建议考虑使用能源效率（建筑、交通和工业分别针对性实施）、风能、生物燃料、生物质能、太阳能光伏、集中太阳能发电和地热发电实现这一目标，而其中最大的贡献者将是建筑能源效率技术。与皮尤中心不谋而合的是，地源热泵系统是重要的发展对象。
3）2007年，诺贝尔奖政府间气候变化专门委员会（the Nobel-Prize-winning Intergovernmental Panel on Climate Change）指出，建筑物的温室气体排放最多，具有最好的大幅度减排潜力。地源热泵被确定为解决方案之一，在一些大陆和寒冷地区具有很好的经济可行性（见表6.1），案例显示：总用电量减少了1/3（第404页），取暖能源减少了40%~50%（第397页）。
4）联合国2007年环境计划报告强调，应用地源热泵可减少的非可再生能源使用量（第17/27页），并指出在芬兰和其他一些国家已开始对地源热泵系统发放相关补贴（第53页）。
5）美国总统行政办公室全国科学和技术委员会（the Executive Office of the President’s National Science and Technology Council）发表的2008年报告称，将着手建立联邦建筑研发计划。报告指出，利用能源效率和直接使用可再生能源技术进行低成本的节能，比非可再生能源及可再生发电能源具有更巨大的潜力。报告更强调：加强地下能源的利用和建筑物、社区级的热源开发将是其计划的重要内容之一（第29页）。
6）一份美国物理学协会（APS）2008年的报告建议，联邦政府应该为美国建筑部门设定一个目标，要求2030年的建筑能耗不超过2008年的水平，而不是目前所计划的不超过30%。PNNL2008年9月发布了一份报告，其结论是：积极、合理地在建筑中应用相关技术，有望使2025年建筑部门的一次能源消费量稳定下来，但当前的联邦投资政策将失去成功的机会。PNNL报告意味着，APS确定的2030年目标是现实的。
7）国家可再生能源实验室2008年11月发布了一份报告，目的是囊括关键的住宅技术机会和需解决的障碍，以成功开发成本中立的净零能源家庭（ZEH），地源热泵作为一种低风险的技术实现被列入了其推荐目录中，尽管报告对地源热泵的分析不全面（如没有正确匹配地下环路的投资周期和使用寿命，也没有考虑除供热制冷外地源热泵综合利用的热水功能等），并没有体现其实际效益。（未完待续）
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