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地热供暖世界现状及中国清洁供暖的地热选择

更新时间:2009-03-28

0 引言

在我国计划经济时代,划定了黄河以北实施冬季供暖,办公室有集中供暖设施,职工可以从单位领取家庭住所的供暖补助费;黄河以南则不享受此福利待遇.世界卫生组织推荐的最低室内温度是16~18℃(EECA,2013).我国南方许多省市区1月份的多年平均气温在5℃以下,随着社会发展和人民生活水平的提高,南方的冬季供暖已不再是富人的专利,如武汉市政府实施的“冬暖夏凉工程”就满足了普通民众的愿望[1].

建筑物供暖涉及能源消耗和空气污染两个问题.我国北方冬季供暖占建筑能耗的36%,而暖通兼热水供应则占能耗的60%.我国的建筑能耗在20世纪70年代时仅为10%,至2012年达27.6%[2],现在上升至约30%,虽然远不及世界发达国家40%的建筑能耗,但也是一项巨大的能耗.再者,我国能源结构以燃煤为主,燃煤锅炉取暖会带来污染,尤其是广大农村散户的家用燃煤炉的污染排放是工业锅炉的10倍,燃煤污染成为急需解决的紧迫问题.

1 地热供暖的世界现状

冰岛是世界地热供暖的先锋.冰岛在20世纪20年代以前用锅炉供暖,造成的空气污染使得天空灰茫茫的.自1930年开始利用地热供暖,并逐步扩大规模[3],至90年代首都雷克雅未克实现100%地热供暖[4],成为世界第一个无烟城.冰岛是世界地热供暖的领军者,现在已有90%的城乡实现地热供暖.对比一下雷克雅未克天空1930年和1992年的照片(图1),显示了地热供暖的绝对优越性.

  

图1 冰岛雷克雅未克的天空:1930年(左);1992年(右)Fig.1 Sky in Reykjavik,Iceland:in 1930 (left);in 1992 (right)

美国是世界利用地热能源的领先国家,其地热发电是世界第一,但地热供暖不算先进,近10年来几乎没有进展,主要原因是使用地源热泵造成的.美国地源热泵应用一直居世界第一的位置.美国的地热利用情况见表1[5].

 

表1 美国地热利用的情况Tab.1 Growth of geothermal utilization in USA

  

注:MWe-电功率兆瓦;MWt-热功率兆瓦;括号中数字表示以2005年为基数的增长幅度

 

年份 地热发电 独户地热供暖 地热区域供暖 地源热泵2005 2 534 MWe(100%) 146 MWt 84 MWt 07 200 MWt(100%)2010 3 047 MWe(120%) 140 MWt 75 MWt 12 000 MWt(167%)2015 3 477 MWe(137%) 139.89 MWt 81.55 MWt 16 800 MWt(233%)

目前世界的地热供暖由两部分构成,一部分是常规的中低温水热型地热资源用于供暖;另一部分是地源热泵应用。后者因兼可冬季供暖和夏季制冷,近数十年来得到快速发展.据5年一次世界地热大会的统计,世界地热直接利用的数据如表2[6]所示.

(2)工程前后水位变化。裁弯工程实施以后,南夹江比降增大,分流量也增大,裁弯出口段受到长江干流来水的顶托,在82 400 m3/s流量下水位壅高幅度达0.06 m,其余河段水位均有所下降,下降幅度在0.01~0.05 m之间。

在小学阶段,考察的题型较为固定,主要包括听力题、单项填空、翻译题、阅读理解等,但初中阶段不仅增加了完形填空,而且相同题型的考察也变得更加复杂。例如,小学阶段的翻译题一般为填空式,对应中文翻译成相应的单词或短语,而初中阶段则需要在翻译时注意词性以及语法,同时翻译的长度可能为一个句子,可能为一段话。

 

表2 世界直接利用地热的情况Tab.2 Growth of geothermal direct use in the world

  

注:括号内数字是占当年地热直接利用相应数字的百分比

现在中国也有了全部实施地热供暖的无烟城,中石化新星公司经营河北省雄县地热供暖,全县城385万m2建筑全部实施了地热供暖,实现了无烟县城.另外,内蒙古自治区宁城县的热水镇30万m2建筑全部实施地热供暖,实现了无烟镇;北京市丰台区南宫村建了数十万平方米商品房,连同本村农民的别墅住房,全部利用地热供暖实现了无烟村.现在河北、山东、陕西、河南等省都有地热供暖,全国地热供暖总面积已达1亿m2.以上说明地热供暖是一种经济、有效、可行的供暖方式.

1)1995年至2015年世界常规地热供暖的设备容量和年利用热能两项指标平均年累积增长率均近6%,分别低于地热直接利用的近12%和超9%.

2016年我国地源热泵应用已超过5亿m2,如此高速发展,带动了热泵设备制造的国产化,辅料生产遍地开花的大发展,作为系统集成的设备安装队伍也急剧膨胀,全国地源热泵行业包括主机生产、系统集成和辅料生产的厂家超过4 000家,并且有了上市公司,产业队伍迅速壮大[8],中国地源热泵产业联盟已成立一年多,有发行量4万份的《地源热泵》月刊,地源热泵网站也已经历11年有余.这些说明地源热泵已经毅然崛起成为中国战略性新兴产业之一.

3)在此20年间地热供暖在地热直接利用中的比率逐渐下降,已从第2位(仅次于洗浴游泳)降至第3位;但地源热泵在地热直接利用中的比率迅猛增长,已从第3位跃升到第1位.

4)地源热泵的优点得到了不甚寒冷地区的推广应用,因此其总的年利用小时数低于常规地热供暖,所以2015年地源热泵设备容量已占地热直接利用的70.95%,而其年利用热能只占地热直接利用的55.30%.

5)地源热泵与常规地热供暖两项的总和代表了地热能用于供暖已成为地热直接利用中的绝对优势,即设备容量达81.69%(图2),年利用热能量达70.31%.

重庆市民政机关在制度建设、组织保障、人才培养和资金支持等方面大力推动婚姻家庭社会工作标准化的实施和发展。为了更好地解决居民需求,提高服务质量和水平,形成标准服务流程和体系,重庆市婚姻收养登记管理中心(以下简称“重庆市婚管中心”)对居民婚姻家庭进行了多次需求摸底调查,发现居民对婚姻家庭方面的需求主要集中在子女教育、婚姻家庭法律法规知识、结婚及生育法定程序、优生优育、夫妻相处技巧和家庭理财知识等方面(具体情况见图4)。

  

图2 地热供暖是世界地热直接利用的主体Fig.2 Geothermal space heating is main part of geothermal direct use in the world

2 中国地热供暖与地源热泵现状

地热资源是最适用于建筑物供暖的热源.温度在50~90℃的地下热水属常规水热型低温地热资源,这种品位的热源正是供暖所需的热源;若采用地板供暖方式,则40℃的地下热水也能用于供暖.高温地热资源适用于发电利用,然后发电的尾水80~90℃也可用于供暖.化石燃料的煤、石油、天然气都是高品位的热能,将能烧出500~1 000℃的高品位能源用来烧出90℃的热水来供暖,是能源品位的大材小用,而且烧出了严重的空气污染.对比各种能源百万度电力的生命期二氧化碳排放量,天然气、燃油和煤炭的排放分别是地热发电排放的31、59和65倍[7],风电、地热电和核电的二氧化碳排放都属较低类.

  

图3 各种能源百万度电力的生命期二氧化碳排放对比(据Horne修正)Fig.3 Comparison of life cycle emissions in metric tonnes of CO2per GW-hour for various modes of electricity production (modified from Horne)

2016年12月21日习近平主席主持召开中央财经领导小组第十四次会议,研究“十三五”规划纲要确定的165项重大工程项目进展和解决好人民群众普遍关心的突出问题等工作.习主席强调了推进北方地区冬季清洁供暖,这关系到北方地区广大群众温暖过冬,关系雾霾天能不能减少,是能源生产与消费革命、农村生活方式革命的重要内容.要求按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针,宜气则气,宜电则电,尽可能利用清洁能源,加快提高清洁供暖比重.

天津是中国地热供暖的典范城市,其地热供暖面积一直居全国之首,2016年达2 503万m2,占全国的四分之一.天津市的城市集中供暖实施较晚,后来想建锅炉房已无地可用.幸好天津市区有丰富的地热资源,温度普遍在80~90℃,非常适合地热供暖应用,因此天津推广了地热供暖,全市建有数十个地热供热站,负责小区的地热供暖兼生活热水供应.

从表2中可以看出明显的规律性:

地源热泵是一种新兴的地热供暖方式,过去对温度10℃上下的地下水和土壤中的热量是无法利用的,但是借助热泵技术,将这种很低的温度提升到40~48℃,就可以用空调送风或地板采暖给建筑物供暖了.地源热泵每消耗1 kW电能,可以在用户侧获得3.5 kW以上的热能,即能效系数(也称COP)等于3.5,同等于设备节能71%,整套系统节能在30%~50%以上,被称为能效系数最高的单项节能技术.而且,地源热泵可以一套设备同时满足冬季供暖和夏季制冷两种需求.正是这样的优点,地源热泵在世界上以20%的年增长率连续增长了数十年.

北方地区冬季清洁供暖的号召确实代表了政府、民众和科技界的共识.京津冀政府闻声而动,都很快进入了实施状态,首当其冲的是减煤,尤其注意到了农村散煤户的改造.

地源热泵在20世纪末被引进中国,正遇到国内节能、减排的迫切需求,又有国家建筑节能示范项目、可再生能源示范县和可再生能源智慧城市等一系列政策支持,各地政府也出台许多地方政策支持,从而使我国地源热泵获得了突飞猛进的发展(如图4所示),其发展速度远高于世界速度.2005年我国地源热泵应用在世界的排名在前10名之后,至2010年已急升至世界第2位,2015年我国地源热泵年利用能量已跃升为世界第1,只是设备容量仅次于美国,仍名列第2.

我国北方冬季供暖的现状分3种情况:城镇以集中供暖为主,占88%,其余方式占12%;但城乡接合部情况相反,集中供暖仅占20%,而80%是其余方式,包括燃煤;重大的问题在农村,其75%是燃煤供暖,秸杆柴火的生物质占其余的25%(如图5所示).

2)1995年至2015年世界地源热泵的设备容量和年利用热能两项指标平均年累进增长率分别为超过20%和约18%,远高于地热直接利用的相应指标.

  

图4 地源热泵居中国地热20年发展之首Fig.4 GSHP is the top one for 20 year's geothermal growth in China

3 中国清洁供暖战略和现状

我国地热供暖始于20世纪70年代初.1971年北京火车站钻成温度53℃的地热井,当时车站维修班的一大间平房办公室距地热井约30 m远,维修工人自己动手,用直径2寸的自来水管,将井口自流的地热水引到办公室转个圈再去浴室利用,就成了北京最早的土法地热供暖,省却了工人每天上班生煤炉的麻烦,办公室也不再煤灰飞扬而变清洁了.1974年北京人民美术出版社钻成59℃地热井,每昼夜出水量1 342 m3,供暖建筑面积为15 500 m2.

1)从内部结构判断。花芽的鳞片多,抱合紧密,剥掉外面的鳞片,里面露出1个毛茸嫩绿的小圆球状物,这是翌年花序的雏形。叶芽鳞片少,抱合松弛,剥去鳞片里面露出3~10个小针尖似的绿色嫩尖。

第一,“生活作文”是能够解决写作材料的来源问题。“巧妇难为无米之炊”,这句话不是凭空而论,不要以寄宿制学校生活单一,作为导致写作素材匮乏的原因,更多的因素是学生还没有学会如何记录生活,寄宿制生活也是丰富多彩的,也是有优美的校园环境,有可爱的教职工的陪伴,有充裕的时间学习知识,只要学生把每天生活的点滴记录下来,“生活写作”的素材自然就解决了。

  

图5 清洁供暖前我国北方冬季供暖现状Fig.5 Status of winter space heating in northern China before cleaning heating

其实如北京对农户的散煤改造并非现时才提出,它在早几年就实施了,只能说迄今效果不大.前几年北京推行让散煤户改烧清洁煤,以为不必大动干戈可以解决问题,政府还提供了价格补贴.但雾霾未见有效减轻,只能改变策略.2017年北京的煤改气、煤改电改成了什么格局呢?如图6所示,煤改气占12%,其余绝大部分都是各类煤改电,包括最大部分是空气源热泵,占全部清洁供暖的67%,另有19%的蓄热电暖气,地源热泵和太阳能各占1%.

  

图6 2017年北京农村煤改电煤改气的组成Fig.6 Beijing rural winter heating new structure in 2017

4 地热能供暖是最佳选择

如何评价北京当前的煤改气、煤改电呢?从技术角度我们还是可以有些评议的.

煤改气可以斟酌,一是天然气价格高,前几年北京大学煤改气后都觉着烧不起,虽然政府现在给农民煤改气的补助;二是天然气并不像可再生能源那样清洁,如图3所示;三是推广到广大农村使用,气源是否充足.

为提升广大妇女姐妹的综合素质和就业技能,促进她们在家庭服务领域创业就业,吉林省通化市妇联日前在通化市巾帼职业培训中心举办了“通化大姐”家庭服务技能培训班,50名妇女姐妹参加了此次培训。

对于电采暖,可喜没有直接烧电,而是蓄热电暖气,这套装置比电炉采暖省电节能,而且政府还提供了电价优惠,即夜间享受按低谷电价计量,让用户减少电费负担.更多的实惠是:以前低谷电价是晚10点到早6点,现在已经优惠到晚8点到早6点了,当然仍有用户提意见,说要动员更多人天天打市长热线电话,要求进一步变为晚6点到早8点.

空气源热泵是中国企业对家用空调取暖的一点改造.家用空调机就是一台气-气热泵.在2008年我国南方冻雨灾害时,在环境气温零度上下时泵机就停止工作了,这给中国的空调工程师来了点启发,将空调产出的热能不全供给用户,分一半给空调机自身使用,让热泵机组就不会在寒冻环境下停机.于是,机器不会不转了,但是供给用户的热量减少了.诚然根据热力学第一定律,热泵机组的COP(能效系数)是永远不会低于1的,厂家说COP等于2,比直接烧电还是有效益的,只是其系统能效较热泵机组能效要降低也是肯定,所以系统能效COP<2.虽然厂家说得很动听:空气源热泵在零下25℃还能供暖,但它比直接烧电究竟可以强多少,没有确切的研究结果.

探究组(n=50),手术创口愈合时间(7.03±2.04)d、住院时间(11.09±2.23)d;参照组(n=45),手术创口愈合时间(9.87±3.41)d、住院时间(15.64±3.45)d;(t=4.983,P=0.000;t=7.709,P=0.000)经组间比较显示探究组手术创口愈合时间及住院时间均显著短于参照组,差异有统计学意义(P<0.05)。

空气源热泵可以直接安装使用,这比地源热泵需要打钻安装地埋管省时、省事,空气源热泵价格也低于地源热泵系统,因此空气源热泵得到政策支持.以北京为例,对空气源热泵农户的补助为购机及安装费每户2.4万元,电费补贴费每年2 000元,享受补贴年限为3年.

其实,地源热泵的优势比空气源热泵大,但是未得青睐,在北京的清洁供暖中只落得1%的采用,实为遗憾.中国地源热泵产业联盟核心成员企业表示,在保证质量的前提下,按空气源热泵的补助费,虽然企业利润减小,但地源热泵也能做下来,而且将来的效益更明显.地源热泵从10℃地温中取热轻而易举,与空气源热泵从-25℃取热的艰难相比谁都明白;地源热泵用电省,24 h时供暖的效果绝对优于空气源热泵的间断供暖;地源热泵噪音低,机组在室内,维护保养成本低,而空气源热泵体积大,噪音大,因安装在室外环境,其维护保养成本高.

空气源热泵也不是不可用,但应该用在南方地区,那里少有气温为零下的不利条件,机组COP不致低到2,偶遇极端冷冻天仍能工作,这是充分发挥了空气源热泵的优势.但越是在北方,越不利于推广空气源热泵,相比之下地源热泵供暖更具有优势.

另外,在具备中深层水热型地热资源的地区,利用常规的地热供暖是很好的选择.通常情况下北京地热单井可供暖5万m2,加上热泵地板采暖总可供暖10万m2;天津地热井温度高、水量大,其单井地热供暖面积是北京的双倍.

中国工程院曹耀峰院士调研了雄安新区和北京等地各类锅炉和地热等供暖的情况,编制了一张不同供暖方式经济性、技术性及节能减排效果初步对比如表3所示[9],不难看出,地热供暖和广义的地源热泵(水源热泵+地源热泵)在北方地区清洁供暖中具有明显的综合优势,是值得推广应用的.

综上所述,维生素D缺乏患儿更易发生急性上呼吸道感染诱发热性惊厥,因此临床应该引起重视。对于发生热性惊厥的患儿应该注意监测静脉血维生素D水平,积极补充维生素D,预防感染减少热性惊厥的发生。

 

表3 不同供暖方式经济性、技术性及节能减排效果初步对比Tab.3 Preliminary comparison of economy,technology and effect of energy saving and emission reduction

  

对比指标 燃煤热电联产 燃煤锅炉 燃气锅炉 水源热泵 地源热泵 空气源热泵 中深层地热供暖1.系统能效比/% 80~90 80~90 93 320 280 240 很高节能减排2.污染物排放标准/(mg/m3)颗粒物为30 3.温室气体排放 排放 排放 排放 排放(对应用电排放)SO2为100 SO2为400 SO2为100 无排放 无排放 无排放 无排放NO2为100 NO2为400NO2为400颗粒物为30 颗粒物为80排放(对应用电排放)排放(对应用电排放) 无排放1.建设费用(含管网与末端) 230 130 140 250 310 180 230经济性(元/m2)2.运行费用(元/平方米·季) 22 12 28 11~13 13~15 15 5 3.维护及寿命 经常维护 经常维护 简单维护 定期清理水井 简单维护 开关频繁、维护量较大 简单维护1.技术成熟度 成熟可靠 成熟可靠 成熟可靠 成熟可靠 成熟可靠 成熟 成熟可靠2.主要设施技术特性建设热水井、回灌井、换热机房、二次管网3.施工安装要求 复杂 简单 简单 较复杂 复杂 较简单 复杂4.应用主要限制条件建设热源厂、一次管网、二次管网、换热站建设燃煤锅炉、二次管网建设燃气锅炉、二次管网建设水源井、回水井、热泵机房、二次管网建设地埋管换热器、热泵机房、二次管网室外机外墙挂置,室内放置换热器和循环泵受集中换热站、供热量和热力管网辐射限制环境污染受天然气供给和价格限制受水资源和水资源管理政策限制受施工场地、地质条件和土壤冷热不平衡限制受气温影响(要求-20℃以上)受地热资源限制;必须做到清洁回灌

5 结束语

中低温地热资源适用于地热供暖,尤其在世界近30年、中国近20年得到高速发展的地源热泵更适于供暖利用.2017年冬我国北方地区的煤改气导致一些地方天然气供不应求,出现了气荒,是匆忙中的失误.对清洁供暖的各种能源作技术和经济的可行性做对比发现,需要充分利用地热和地源热泵供暖,清洁供暖的总体效果会更好.

我非常纳闷,经理解释公司高层先前商量一致决定推选沙莉升职,因为她懂得体贴客户,人性化地扩展业务,后来出现绯闻意外,通过人事部调查证实沙莉是无辜的。

参考文献:

[1] 郑克棪,陈梓慧.浅层地能是解决我国南方冬季供暖的最佳选择[J].中国地能,2014(4):22-25.

[2] 徐伟.中国地源热泵发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3] Valdimarsson P.Replacing fossil fuels by geothermal district heating-example from Iceland[C]//Proceedings of Workshop for Decision Makers on Direct Heating Use of Geothermal Resources in Asia,Tianjin,China,2008:69-74.

[4] Fridleifsson I B.Geothermal development in Iceland and China[C]//Proceedings of 2002 Beijing International Geothermal Symposium,Beijing,China,2002:39-47.

[5] Boyd TL,Sifford A,LundJ W.The United Statesof America country update 2015[C]//Proceedings of World Geothermal Congress,Melbourne,Australia,2015:01009:1-12.

[6] Lund J W,Boyd T L.Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide review[C]//Proceedings of World Geothermal Congress,Melbourne,Australia,2015:01000:1-31.

[7]Horne R N.World Outlook for Geothermal Electricity 2013[C]//第二届中深层地热资源高效开发与利用会议.北京:中国地质大学,2013.

[8]Zheng K,MoY,Chen L.Twenty years of geothermal heat pump in China[C]//Proceedings of World Geothermal Congress,Melbourne,Australia,2015:29025,1-4.

[9]曹耀峰.我国北方农村地区地热供暖有关问题思考[C]//第六届中深层地热资源高效开发与利用国际会议.北京:中国地质大学,2017.

 
郑克棪,陈梓慧
《河北工业大学学报》2018年第02期文献

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