中国地源热泵发展历程分析

杨树彪，周念清

（1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

中国地源热泵发展历程分析

杨树彪1,2，周念清1

（1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

地源热泵技术和相关产业在中国的发展经历了六个主要阶段：20世纪50-60年代以热泵基础理论研究为主，认为以土壤、地下水等为热源的热泵是研究的发展方向；20世纪80年代开始了少量的地源热泵基础理论研究和应用；20世纪90年代开展了一系列的理论研究和工程应用，取得了很大进展；2000-2006年市场容量不断扩大，技术研究和产品研发均取得了跨越性的发展；2007年-2013年技术研究全面深入、市场应用全面推广，地源热泵产业的发展迎来了高潮；2014年后人们对地源热泵技术的认识开始回归理性，发展放缓，但基础性的关键技术研究依然被重视。鉴于此，指出虽然地源热泵产业目前发展步伐放缓，但随着民众对其认识的加深、技术的进步和社会对新能源需求的扩大，前景依然广阔。

地源热泵；发展历程；技术研究；市场需求；应用前景

地源热泵概念始于1912 年由瑞士人Zoelly提出，1946年美国开始进行这项技术的研究工作并在俄勒冈州成功建成第一个地源热泵系统。20 世纪80年代后期，随着相关技术的发展成熟，地源热泵技术在北美及中、北欧国家取得较快发展。

近年来，我国在地源热泵相关技术上进行了一系列探索，特别是各高校和科研机构相继开展了理论与实际应用方面的深入研究，在地源热泵技术的研究与普及获得了较大的成功，地下水源热泵系统、地表水源热泵系统以及地埋管地源热泵系统等各种方式在我国均得到了迅速发展，地源热泵技术作为一种新型的清洁能源得到了政府的高度重视与大力支持，在各类建筑中得到广泛应用，应用面积快速增长，以地源热泵技术利用的浅层地热能在短短十多年的时间内已跃居世界前列。

1 地源热泵在我国的发展阶段

中国的科技工作者早在上世纪60年代就开始了以土壤、地下水等为热源的地源热泵的可行性研究，笔者对地源热泵在中国的发展历程进行了简单总结，认为目前地源热泵在中国的发展经历了六个阶段：

（1）以热泵基本原理为基础的地源热泵应用可行性研究的孕育阶段（20世纪50～60年代）

早在20世纪50年代就开始了热泵机组的研究工作[1]，我国热泵技术研究的先行者吕灿仁1964年对我国利用热泵节约燃料的自然条件和研究方向进行了详细分析，认为我国气候和自然资源有利于发展热泵采暖[2]。但当时受经济条件的限制，没有取得有价值的成果。

（2）开始少量的基础理论研究和实际应用的萌芽阶段（20世纪80年代）

自20世纪80年代开始对地源热泵进行了一系列的探索，1981年吕灿仁再次提出了以空气、水、土壤为热源利用热泵供热降温，并明确我国黄河流域和长江流域的广大地区很适用条件好[3]。1982年吕灿仁首次提出了“地热热泵”的概念，论证了热泵系统是提高低温能源利用率和城市采暖的有效方式，进行了地热热泵模拟试验，并进行了经济性分析，指出我国当前能源价格中电价较贵，使得热泵的运转费用高，直接经济效果不明显[4]。此外，天津大学、天津商学院和青岛建筑工程学院等高校和科研机构相继开展了地热供暖方面的理论与实际应用方面的深入研究。由于我国能源价格的特殊性，以及其他经济技术因素的影响，地源热泵的应用推广非常缓慢。

（3）国际合作与产学研相结合、理论与应用技术逐步提高的探索阶段（20世纪90年代）

至20世纪90年代受国际大环境的影响，地源热泵技术日益受到人们的重视，我国越来越多的技术人员开始投身于此项研究。1994年徐伟在全国暖通空调制冷学术年会上系统阐述了水源热泵的工作原理以及闭式循环水源热泵中央空调系统[5]，证明此类热泵技术在我国大部分区域的适用性与经济合理性，为我国发展与推广此类热泵技术提出了建议。同样在1996年会上李家伟等详细说明了土壤源热泵在国外的历史发展过程以及在这过程中对土壤源热泵的主要研究成果[6]，指出当时我国对土壤源热泵的研究尚未见文献报道。以上两次学术会议可以说是我国地源热泵技术发展的 “助推剂”。

特别是90年代末期，以一系列的国际合作为契机，以高校为代表的科研机构与热泵机组厂商合作，开始在探索中推广应用地源热泵技术。1997年，原国家科委与美国能源部在北京签署了中美两国《关于地热能源生产与应用的合作协议书》，决定在我国开始推广美国土—气(水)型地源热泵技术[7]。1998年中美两国共同制定了《中美两国政府合作推广美国地源热泵技术工作计划书》，中美两国政府地源热泵合作项目正式启动，从而极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。90年代后期重庆建筑大学、同济大学等国内数家大学纷纷建立了地源热泵实验系统[8,9]，开展了一系列实验模拟研究，国内也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品，这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展。

但从他整体来看，这一时期的地源热泵技术还没有完全被市场所接受，专业技术人员普遍对该技术了解不够深入；地源热泵相关设备少，且不成熟，地源热泵系统规模较小，在市场应用中发展不快。

（4）政策法规逐步完善、市场容量不断扩大、技术研究快速深入的跨越阶段（2000～2006年）

进入21世纪，国家和地方政府也出台了多项鼓励措施，从政策及财政上给予大力支持，地源热泵技术在我国已进入快速发展时期。

2002年中美在北京签署了《中美两国地源热泵资助项目协议书》大大加快了中美两国政府地源热泵合作项目的进程。2005年后，随着我国对可再生能源应用与节能减排的不断加强，《可再生能源法》、《节约能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《民用建筑节能管理条例》等法律法规的相继颁布和修订，地源热泵迎来了前所未有的机遇。2005年，建设部正式将地源热泵技术列为建筑业十项新技术，同年，建设部发布国家标准《地源热泵系统工程技术规范》。2006年，国家发展和改革委员会颁布的《中华人民共和国可再生能源产业发展指导目录》，“地源热泵供暖或空调”被列入重点发展项目，“水源热泵机组”被列为地热利用领域重点推荐选用的设备。同年，建设建设部合作，提供财政补贴，在全国范围内挑选地源热泵示范城市和项目；财政部发布实施了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》，财政部建设部共同印发实施《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》。

我国与地源热泵相关设备产品制造的厂商不断增多，相关专利不断涌现，集成商规模不断扩大。中国制冷空调工业协会统计数据显示，我国水地源热泵经过近10 年的快速发展，市场容量年均增长率保持在2位数的水平，个别年份增幅曾超过30%[10]。这一阶段有关地源热泵（浅层地热能）的学术会议、科学研究也相当活跃，相关文献数量急剧增加，有关高校的硕士、博士论文也不断增多，屡创新高。我国地源热泵的研究和应用实现了跨越式发展[11]（见图1）。

图1 1998～2007年我国地源热泵应用增长态势Fig.1 Growth curve of ground source heat pump application in China from 1998 to 2007

（5）基础研究全面开展、技术标准全面建立、市场应用全面推广的高潮阶段（2007～2013年）

2007年，是我国地源热泵技术发展具有里程碑意义的一年，2006年国家一系列在政策及财政上的支持措施效果开始显现，地源热泵技术出现爆发式增长。当年，地源热泵示范城市项目开始启动，在即将举行的北京奥运会的奥运场馆建设就采用了地源热泵这项新技术。到该年度，我国已达约1900MWt装机容量，这个数字已经进入世界五强之列。地源热泵在我国逐步得到了社会各界的认可，实现了从点到面，从示范到城市级展开的全面推广，地源热泵行业在我国的发展高潮到来[12]。

2008年国土资源部全面部署我国浅层地热能资源的勘查评价、规划和地质环境监测工作,印发了《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》（国土资发[2008]249号），2009年颁布了《浅层地热能勘查评价规范》，2011年中国地质调查局安排了29个省会城市的浅层地热能调查评价工作，2013年又安排了部分地级市的浅层地热能调查评价工作。

多省市出台了地源热泵技术优惠政策，如北京、河北、山东、江苏、山西等省市，其中包括节能投资项目实行无偿补助，按投资规模给予资助、按节能效果给予奖励等。天津、广东、南京、长沙等省市还设立了节能专项资金。

2009年国家标准《地源热泵系统工程技术规范》进行了完善修改，一些行业主管部门制定了相应的行业标准，各地方紧随其后编制各地区的规范标准，如山东、江苏、贵州、广西、河南、北京、天津、上海、重庆、武汉、合肥等省市，随着2012年省会城市的浅层地热能调查评价工作的完成，相关省市大都建立起了有关地源热泵的地方标准[13]（见表1）。

表1 我国有关地源热泵的主要标准Table1 The main standard for ground source heat pump in our country

数据显示，目前我国地源热泵技术的建筑应用面积已超过2亿m2，在“十二五”期间，我国预计将完成地源热泵供暖（制冷）面积3.5亿m2左右，按200～300元/m2的投资强度，总投资金额达到700～1050亿元。同时国家和地方政府也在制定地源热泵（浅层地热能）有关的管理办法和规划，如天津市颁布《关于加快推进天津市浅层地热能开发利用工作的意见》中规定，未来 4 年，天津市将有更多学校、医院、酒店、商场以及居民住宅利用浅层地热满足供热或制冷的需求。到2015年，全市开发利用浅层地热能供暖（制冷）面积将达到2000万m2，较“十一五”末增加1650万m2。

与地源热泵相关的产品也随之大幅增长，据统计，我国热泵热水机组在2003 年的销售额不足3000万元，到2011年达到 40 多亿元，基本上保持着年均 100% 以上的增长幅度。2012 年，我国热泵热水机组市场呈现略为萎缩的趋势，该年度销售额不足 40 亿元[14]。这也预示着地源热泵行业发展的一个顶峰即将过去。

图2 2009～2013 年国内水地源热泵机组销售量变化Fig.2 Changes in sales volume of domestic water source heat pump units in 2009～2013

（6）潜在问题开始显现、市场容量逐步下滑、基础关键技术持续深入的回归理性阶段（2014年至今）

2014年开始，地源热泵行业经过7年多的高速发展，随着其本身劣势的显现以及政策补贴的减少，热度逐渐下降，部分地源热泵机组生产商、设计、施工单位初步感受到了“入秋的凉意”，部分单位在夹缝中求生存甚至考虑退出市场，社会对地源热泵行业的认识开始回归理性。

2013～2014年有关地源热泵的研究文献下降数量与2006～2007年的上升数量几乎对应。申请专利数量也呈现下降趋势。近几年全国水地源热泵市场容量持续下滑，有数据显示自2011年开始，水地源热泵产品的销量就开始有不同程度的下降，从2014年开始市场需求急速降温[14,15]（见图3、图4）。

图3 2013～2016年水地源热泵占有率对比Fig.3 Comparison of water source heat pump share in 2013～2016

图4 2013～2016年水地源热泵市场走势Fig.4 2013～2016 water source heat pumps market trend

经过10多年的建设，部分地源热泵项目的最终效果开始显现，用户在期望得到当初预想的收益，民众希望通过已有工程看到当初宣传的效果，潜在用户则在通过观望考虑项目的可行性。然而过去7年的一哄而上造就了很多失败工程。部分工程因前期对资源量评估不充分造成冷热量“供不应求”，而不得不增加其他能源形式进行补充；部分项目因设计不科学而节能不节钱；部分项目因施工不到位造成系统问题频出、运行困难；部分项目因管理运行不善而“步履蹒跚”；甚至出现了施工完成即报废的项目。这些失败案例使用户叹气、民众失望、潜在用户转投其他新能源。

而有关浅层地热能的研究文献（学术关注度）虽有所下降但是并不十分明显，说明有关浅层地热能的基础研究没有随市场的冷淡而降温。一方面是因为浅层地热能的研究基础性、理论性较强对市场的反映较不敏感，另一方面与国家有关部门加强基础研究的投入有关，地源热泵系统设计的关键是地下换热器的设计，而地下换热器的设计与岩土体、地下水密切相关，因此浅层地热能的研究是地源热泵行业健康发展的保证。

2 发展前景

虽然2014年我国地源热泵在我国的增长有放缓的趋势，但并不代表其正在走向衰落。以欧洲为例虽然它是世界上发展地源热泵最成熟的地区，但也曾经走过一段弯路。

而随着民众对地源热泵技术认识的加深、科技的进步，关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格，随着市场资源的重组整合一些技术能力落后的企业将被淘汰，将会出现专注地源热泵系统设计、施工、运行的专业化公司，新型热泵系统不断出现，技术含量不断提高，产业规模不断扩大，地源热泵的发展将实现从数量的稳步增长到质量稳步提升跨越，为节能减排的贡献率不断增加。

近几年大气污染问题越来越受到关注，国务院的政府工作报告中明确提出“加大生态环境保护治理力度 坚决打好蓝天保卫战，提出2017年单位国内生产总值能耗下降3.4%以上，随着我国供给侧结构性改革的持续深入，新能源产业快速发展，浅层地热能作为一种清洁可再生能源发展前景广阔。

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Analysis of the development process of ground source heat pump in China

YANG Shu-Biao1,2, ZHOU Nian-Qing1
(1.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2.Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

The development of ground source heat pump technology and related industries in China has undergone six major stages: In the1950s and 1960s, the basic theory of heat pump was studied, and the heat pump with soil and groundwater as the heat source was the development direction of the research.The 1980s began a small amount of ground source heat pump basic theory research and application; In the 1990s, a series of theoretical research and engineering applications have been developed.With the expansion of market capacity in the 2000-2006, technological research and product development have achieved a leap-forward development; 2007-2013 technical Research in-depth, the market application of comprehensive promotion, the development of the ground source heat pump industry ushered in the climax; 2014 years later, people’s understanding of ground source heat pump technology has begun to regress to rationality, slowing down development, but the key technology research of foundation is still being paid attention to.In view of this, it is pointed out that although the development of ground source heat pump industry is slowing down, the prospect is still broad with the deepening of people’s understanding, technological progress and the expansion of social demand for new energy.

ground source heat pump; development course; technical research; market demand; application prospects

P314

A

2095-1329(2017)03-0057-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.013

2017-04-05

修回日期: 2017-07-27

杨树彪(1979-),男,硕士,高级工程师,主要从事浅层地热能调查与开发应用研究.

电子邮箱: dogxi2005@163.com

联系电话: 13472544010

上海市规划和国土资源管理局科研项目“上海市重点地区浅层地热能资源详查”