虚拟货币GHP

中国地源热泵产业联盟专家委员会主任郑克棪教授在《地源热泵》杂志刊载了一篇翻译文章《美国地源热泵应用的综述及其技术潜力的评估》，他认为，该文章是对美国地源热泵领先世界数十年的总结，有成绩，也找出需要改进的问题。郑克棪教授表示，中国地源热泵同仁应总结中国地源热泵产业的形成、发展和壮大的经验，也包括存在问题查找和前景预测，以此可以更好的推进中国地源热泵产业蓬勃发展。

《美国地源热泵应用的综述及其技术潜力的评估》第一作者简介：刘小兵博士现任美国橡树岭国家实验室研究员、《地源热泵》杂志编委委员。他从2009年起一直担任许多与地源热泵相关的研发项目的首席研究员，包括地源热泵系统设计与能耗分析软件的开发，新地耦合换热器的实证研究，地源热泵系统大规模应用的技术经济分析，新型商用地源热泵系统示范项目的深入案例研究，以及地源热泵系统智能控制的开发。作为主要贡献者之一，他参与编制了美国第一个地源热泵系统设计和安装专业人员的国家认证标准。刘小兵博士在2017年8月17日至18日出席“海利丰·2017第九届中国国际地源热泵行业高层论坛”，并作了题为《地源热泵在美国应用的潜力现状与趋势》的专题报告。

美国地源热泵应用的综述及其技术潜力的初步评估

Xiaobing Liu1， Patrick Hughes1，Arlene Anderson2

1、美国橡树岭国家实验室

2、美国能源部

摘要：地源热泵利用浅层地下岩土体作为用于热泵运行的热源和用于供冷或冷藏过程的热汇。已经证明地源热泵能够大量减少一次能源的使用和相关的碳排放来满足建筑物的热需求，如空调和热水。然而，目前美国地源热泵的使用率较低，地源热泵很少受到公众或政策制定者的关注。美国能源部地热技术办公室（GTO）正在推进地热前景研究，以阐明其投资战略，讨论2020年、2030年、2040年和2050年的地热增长情景，以及重视地热工业的所有市场部分。前景研究热能任务组正在开发包括非发电地热应用的地源热泵的工具和数据。本文所描述的工作正在进行提供对潜在地源热泵增长情景的可靠分析，综述了目前地源热泵应用的状态，包括系统配置、成本和性能，市场开发和阻止地源热泵更广泛应用的障碍。本文还介绍了评估美国商用和住宅应用地源热泵系统的技术潜力的方法、支持数据和初步结果。所评估的技术潜力包括节能、碳排放的减少、夏季峰电需求的降低以及消费者能源成本的节省。该评估的初步结果表明，地源热泵每年有潜力可节省6.4千万亿Btu（英热单位）的一次能源，避免4.127亿吨二氧化碳排放，并减少773亿美元的能源成本。此外，地源热泵还可以显著降低电网的峰值需求。

关键词：地源热泵，前景研究，居住，商业，建筑，空调供暖，空调供冷，热水，技术潜力，可再生热能

1、介绍

地热热泵已经被证明能够在建筑应用中大量减少一次能源使用、二氧化碳排放和峰值电力需求，同时满足室内供暖/供冷和生活热水的需求。美国能源部地热技术办公室（GTO）正在开发地热前景研究，以阐明地热技术办公室的投资策略，讨论2020年、2030年、2040年和2050年的地热增长情景，以及解决地热工业的所有市场部分。地源热泵是前景研究中低温地热资源的应用之一。

本文所描述的工作正在进行中，以提供针对潜在地源热泵增长情景的可靠分析。本次研究的目标包括：（1）回顾地源热泵应用的现状；（2）地源热泵应用技术潜力的评估；（3）对不同情景下地源热泵应用的经济潜力及其影响分析；（4）实现地源热泵潜力的推荐方案。

本文介绍的目前地源热泵应用的状态综述包括系统配置、成本和性能、市场占有率和阻碍其更广泛应用的障碍。本文还介绍了评估美国商用和住宅地源热泵系统技术潜力的方法、支持数据和初步结果。

2、目前地源热泵应用的状态

GHP、GSHP和GeoExchange是地源热泵系统家族的全部术语。根据（1）土地、地下水或地表水是否用作热源和冷源，（2）室外换热系统的流体是否在闭环中循环或一次通过 （开环），地源热泵系统可以分为：

• 配置闭式环路地埋管换热器（GHXs）的地耦合热泵

• 配置开式环路水井的地下水热泵

• 配置闭式或开式环路连接到湖泊、河流水库或其他地表水体的地表水热泵

地源热泵系统可进一步根据所使用的地埋管换热器的设计（如单管、多管、盘管、同轴管或其它类型换热器）进行分类，对于地耦合闭环系统，还可根据地埋管换热器是否是水平或竖直安装进行分类。

美国绝大多数地源热泵系统使用闭环地埋管换热器。据估计，既有46％的地源热泵系统使用垂直闭环地埋管换热器，38％使用水平闭环地埋管换热器。其余16％采用开式或闭环地下水或地表水系统（Lund， 2001）。

车载旋转或声波钻井设备，通常用于水井或石油钻井，最常用于垂直闭环地埋管换热器的钻孔（Sachs，2002）。主要用于石油和天然气工业的定向钻井技术近来已经适用于倾斜或水平钻孔，以减少土地需求和地面扰动（Remund，2009）。用于安装水平环路的最常用设备包括：推土机、挖沟机、振动犁、链式挖掘机或定向钻孔机。

在美国家庭中使用的最常见的地源热泵系统构成为：具有中央管道强制空气分配系统的成套或分体水-空气热泵（WAHP），可调节多层住宅的一层或整个房屋。对于商业建筑物——如办公室、学校、酒店或具有多个住宅单元的大型住宅建筑——在美国主要使用分布式地源热泵系统（Liu，2012）。使用分布式地源热泵系统，建筑物的每个区域的空调都用单独的水-空气热泵，并且多个水-空气热泵连接到公共水环路。传统上，双管水环路与可调速中心泵站一起使用（Liu et al.，2015a）。

地源热泵装置的供冷能力为0.5~20冷吨（1.74~70 kW）。对于地源热泵机组，达到能源之星（Energy Star）的最低效率要求是获得联邦税收抵免的先决条件（DOE 2013），列于表1。目前，超过3600个地源热泵样机已通过能源之星认证。目前许多可选用的两级地源热泵机组在部分负荷下（即当热泵压缩机在低级运行时）具有比能源之星更高的能效。

注：在ISO/AHRI/ASHRAE标准13256中“闭环”和“开环”分别定义为“地下环路”和“地下水”应用。EER =能效比，用于表示热泵设备的供冷效率。表中所示的数字单位为Btu/W。COP =性能系数，用于表示热泵设备的供暖效率。表中所示的数字单位为W/W。

使用大型热泵或模块化水-水热泵产生热和/或冷水输送到需要调节空间的中央地源热泵系统已经在美国使用，特别是用于改造既有的中央供冷装置和锅炉系统（如印第安纳州鲍尔州立大学的中央区域地源热泵系统）。为了同时满足建筑物不同区域的供暖和供冷需求，美国的中央地源热泵系统通常采用四管制：用于供应和返回冷水的一对管道和用于供应和返回热水的一对管道。

地源热泵装置的效率和适用性近年来得到显著改善，这是由于许多技术进步了，包括具有通信控制的变频压缩机技术，以及供冷剂盘管和变速电机各方面的改进和完善（Horwitz-Bennet，2014）。一些制造商推出的最新型地源热泵供冷能效比（EER）和制热性能系数（COP）分别高达11.7和5.3。这些新型地源热泵中至少有一种不仅可以提供室内供暖和供冷，而且可以提供100％的生活热水（Rice et al.，2013）。这些地源热泵装置的供暖或供冷输出能够在20％~130％范围内变化——提供良好的湿度控制，甚至在寒冷气候下无需辅热。越来越多的地源热泵制造商提供在线控制和监测功能，以向房主提供关于其能源使用的关键数据和控制工具。这些功能还帮助承包商更有效地诊断和解决问题（Horwitz-Bennet，2014）。

许多以前的研究证实，正确设计、安装和运行的地源热泵系统比传统的暖通空调（HVAC）系统使用的能源要少得多（Hughes and Shonder，1998；Shonder et al.，2000；Southard et al.，2014a；Southard et al.，2014b）。最近地源热泵示范项目的案例研究（其部分资金来源于2009年美国恢复和再投资法案（ARRA）资助）发现，与传统的暖通空调系统相比，这些地源热泵系统可以节省30%~65％的一次能源。相应地，它们将二氧化碳排放量降低20％~65％，运营成本降低18％~63％（Liu et al.，2015b）。在这些案例研究中，根据安装完毕的地源热泵系统所测得的性能与满足相同负荷的可比较的基准暖通空调系统的计算性能来确定节能量。

然而，地源热泵系统的安装成本高于传统暖通空调系统。成本根据地质条件、建筑物负荷、系统设计和热泵设备变化很大。在美国进行了一些调查，以收集地源热泵系统的成本资料。根据这些调查，商用地源热泵系统的平均成本增加129％，从1995年的9.07美元/平方英尺增加到2012年的20.75美元/平方英尺，17年间每年约1.5％（Kavanaugh，2012）。这项研究确定17年间地源热泵系统的室内部分（包括热泵和其他主要设备、控制装置、水电管道）的成本增加（177％），超过闭环地埋管换热器部分的成本增加（52％）。换句话说，技术相对成熟的室内组件的成本比通货膨胀率略高（每年3.4％）；而较新的地下组件的成本增长较慢，可能是由于成本降低的创新和市场竞争的加剧。2006年新建住宅地源热泵系统的一般价格为每冷吨3,000~5,000美元（Ellis，2008）；大型住宅改造的平均价格为每冷吨4,600美元（DOD 2007）。

表2列出了使用垂直闭环地埋管换热器的地耦合热泵（GCHP）系统的典型成本。这些成本数据来自Kavanaugh（2012）进行的一项调查，而水源热泵的成本是根据最近的能源信息管理局报告的数据估计的（EIA 2010）。

美国地源热泵改造项目的简单投资回收期通常为8~14年；而对于新建筑，简单回收期较短，但仍然普遍超过5年（Hughes，2008）。

根据2015年10月14日国防备忘录助理秘书办公室，地源热泵具有可用于“国防部节能投资计划项目[ http://www.acq.osd.mil/ie/energy/ecip/FY%202017%20ECIP%20Guidance%20Signed.p （第15页）]”的所有“能效、可再生能源和节水技术”中的最长估计使用寿命。

地源热泵已经在美国所有50个州和哥伦比亚特区使用。图1给出地源热泵在美国的分布，其基于2009年美国地源热泵机组发货目的地的数据（EIA 2010）和总额定负荷（单位为冷吨[1冷吨等于3.5kW供冷量]）用颜色标记。美国的各种气候带在该图中用实线表示。大约52％的国内地源热泵运往10个州：佛罗里达州、伊利诺斯州、印第安纳州、密歇根州、明尼苏达州、密苏里州、纽约州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州和德克萨斯州。地源热泵应用更集中于气候寒冷和人口密度高的地区。

图1 2009年美国地源热泵机组货运分布（来源：EIA 2010）（注：每个州名称下面的数字表示2009年GHP在特定州的总装运能力；白线表示气候带：自左至右为海洋、热干、混合干、冷、非常冷、热湿和混合湿）

截止2012年，住宅和商用地源热泵总量之比为3.5:1（Navigant Research，2013）。据估计，住宅的75％为新建筑，25％为既有房屋改造（Ellis，2008）。

2009年地源热泵总出货量为118,818套。最近的经济衰退和化石燃料的低成本与地源热泵的增长率的降低相吻合。美国统计局报告称，美国2010~2011年的地源热泵年装机容量下降11％，2011~2012年下降5％（Navigant Research，2013）。

最近的Navigant研究报告（2013）指出，截至2012年，美国总装机容量为13,564MWt（390万吨，或110万地源热泵机组，以典型的地源热泵机组约12 kWt计），占全球地源热泵装机容量的29％。这些地源热泵系统为约1.99亿m2（21.4亿平方英尺）的住宅和商业建筑提供空调[ 2012年累计住宅和商用地源热泵应用之间的分配为3.5:1 [34]。由地源热泵系统调节的总建筑面积估计基于美国典型的每吨建筑面积比例——商业建筑物每吨400ft2和住宅建筑物每吨600ft2。]。目前美国暖通空调市场的地源热泵市场份额约为1％（EIA 2016c）。Priority Metrics Group（2009）发布的报告估计，2009年美国的地源热泵市场约为37亿美元，包括设计、设备和安装。据估计，2009年住宅地源热泵机组的总销售收入约为3.195亿美元[ 收入包括合作广告和保修的费用，但不包括消费税和货运或运输费用。]（EIA 2010）。

2008年，针对几十名美国地源热泵行业专家调研了阻碍地源热泵行业快速增长的主要障碍（Hughes，2008）。专家将已确认的阻碍分为三个等级（第一级是最重要的），如表3所示。调查表明，初始成本高、缺乏公众意识和强有力的政府支持阻碍了地源热泵技术在美国的快速发展。最近石油和天然气的低价降低了节能量的货币价值，这使得消费者不愿意投资地源热泵系统。最后，地源热泵安装的税收抵免在2016年年底到期，除非行业鼓励国会延长期限的努力获得成功。

3、地源热泵应用技术潜力的评估

考虑到地源热泵系统的性能和满足建筑负荷的既有传统系统的能耗和土地使用限制，地源热泵应用的技术潜力代表了可实现的最大节能量。由于地源热泵可以在美国的任何地方使用（Hughes，2008），可假设所有建筑物都可以使用地源热泵系统用于室内供暖、供冷和热水（SH-SC-WH）。评估技术潜力的主要目的是确定发展潜力的估计上限。技术潜力分析还为进一步评估地源热泵应用的经济潜力奠定基础，其中将评估提高地源热泵的市场占有率和环境影响的许多潜在情景。

3.1 方法

地源热泵技术潜力的评估基于：（1）从美国能源部能源信息管理局进行的最新住宅和商业建筑能耗调查中获得的能源消耗数据；（2）与既有的传统室内供暖、供冷和热水系统相比，地源热泵系统的节能数据。地源热泵系统可以实现的节能量受许多因素的影响，包括负荷（由建筑物的位置、结构和活动确定）、既有暖通空调系统的性能和当地地质条件，以及地源热泵系统的设计、安装和运行。在评估中已经考虑了所有这些因素。评估技术潜力的分步程序如下：

步骤1：选择参考建筑物来代表住宅和商业建筑。参考建筑物——一个1,644平方英尺的一层楼板木结构房屋——用于代表典型的室内供暖的美国家庭（EIA 2009）。美国能源部的商业建筑基准模型（DOE 2014）用于代表美国各种类型的商业建筑。

步骤2：计算用于各参考建筑的最先进的地源热泵系统和传统室内供暖、供冷和热水系统的年能耗，各参考建筑位于四个美国统计区域中的主要代表性气候区域。

本研究中使用的住宅地源热泵系统包括一个带有两级涡旋压缩机和变速电子整流风扇马达的成套水-空气热泵装置、一个尺寸适当和高效循环流体环路以及一个准确设计和安装的垂直钻孔地埋管换热器。两级地源热泵装置的标称供冷效率是满负荷时能效比（EER）[ EER是在标准条件下机组供冷量（以Btu（英热单位）[Btu] /小时）除以其电输入（以W为单位）。]为18.2，满负荷的76％时，EER为27。两级地源热泵装置的标称供暖效率在满负荷时的COP为4，满负荷的76％时，COP为4.5[ COP和EER在AHRI / ISO / ASHRAE / ANSI 13256-1等级条件下测量：对于满负荷供冷，EFT为77℉；满负荷供暖，EFT为32℉。]。对于给定的建筑物负荷、土壤热性能和未受干扰的地温，设计地埋管换热器的尺寸来维持地下环路的流体温度（进入地源热泵机组的流体温度[EFT]）在30~95℉（1~35℃）的范围内。该地源热泵系统可以通过使用过热降温器，在地源热泵机组供冷或供暖时提供作为副产物的热水，但不能满足所有的生活热水需求。通常，地源热泵机组上的过热降温器仅向电阻热水器提供补充热水，如果既有热水器使用化石燃料，则不安装该选项。新开发的集成地源热泵（GS-IHP）可以提供100％的生活热水，因此可以代替电和化石燃料热水器。集成地源热泵可以比具有过热降温器的两级地源热泵机组节省更多的能量，但是伴随成本费用的增加。集成地源热泵的潜在贡献将在后面的经济潜力分析中评估。

在本研究中使用的商用地源热泵系统是上一节介绍的美国常用的分布式地源热泵系统。假设在商用地源热泵系统中使用多个两级地源热泵机组。有能够为商业建筑提供生活热水的地源水-水热泵热水器（HPWHs）。然而，由于商业建筑物的生活热水需求相对较小，因此在评估技术潜力时没有考虑。地源热泵热水器的影响也将在后面的经济潜力分析中评估。

对于商业建筑，能源消耗使用eQUEST计算，eQUEST是一种广泛使用的建筑能量建模程序，使用最新版本的DOE-2程序作为其模拟引擎（Hirsch et al.，2016）；对于住宅建筑，能耗是使用ClimateMaster开发的节能计算器GeoDesigner®计算（ClimateMaster，2016）。GeoDesigner®使用ASHRAE（美国供暖、供冷协会和空调工程师）的bin分析方法来计算地源热泵和其他住宅室内供暖、供冷和热水系统的能耗。假设在计算机模拟中，地源热泵系统和传统室内供暖、供冷和热水系统的设计与建筑负荷相匹配，并且根据设计正确地安装和运行。

步骤3：用式（1）计算服务于参考建筑的地源热泵和传统室内供暖、供冷和热水系统的年能耗的区域平均值。统计区域内每个气候区的人口用作加权因子，以说明气候对地源热泵和传统室内供暖、供冷和热水系统的能耗的影响。

式中：Avg_Sys_SE（j，k）为系统j在普查区k中的年能耗的区域平均值；Sys_SE（i，j，k）为普查区k气候区i系统j的年能耗；CZ（i，k）为普查区k的气候区i的人口；n为普查区k中主要气候区的数量。

在本研究中使用美国2004年国际节能准则气候区。表4列出了美国四个统计区中每个气候区的人口比例。在气候区的人口比例非常低（即不到统计区总人口的5％）的情况下，该研究忽略了该气候区。共选择了14个地点（城市）来代表四个统计区的所有主要气候区。

步骤4：用式（2）计算通过地源热泵系统实现的年节能的区域平均值。

式中：ESPct_SE（j，k）为普查区k中比传统室内供暖、供冷和热水系统j相比，地源热泵系统的年节能比例的区域平均值；Avg_Sys_SE（1，k）为普查区k中地源热泵系统的年能耗的区域平均值。

步骤5：用式（3）计算采用最先进的地源热泵系统，改造全部既有传统供暖、供冷和热水系统的全国年节能量。

式中：National _ SES为地源热泵改造的全国年节能量；Reg_Tol_SE（j，k）为普查区k中所有既有系统j消耗的总年能耗，它是从最新的住宅和商业建筑能耗调查中获得的；m为普查区k中使用的既有系统的数量。

按照同样的程序计算一次能源的节省、二氧化碳排放和能源成本的减少。在这些计算中，每个既有传统室内供暖、供冷和热水系统的年能耗由相关的一次能源消耗、二氧化碳排放或能源成本替代，其使用由国家可再生能源实验室（NREL 2007）发布的相应的转换因子和EIA（2010）的能源成本数据根据现场能耗数据转换而来。

3.2 支持数据

（1）目前既有建筑物中室内供暖、供冷和热水系统的能耗

根据2009年住宅能耗调查（RECS，EIA 2016a），美国有1.136亿套住房，其中1868亿平方英尺的建筑面积用各种室内供暖系统进行供暖，1398亿平方英尺采用了各种供冷系统。美国住宅建筑的主要类型是单户住宅，占住宅面积的85％。美国住宅每年消耗一次能源20.8千万亿Btu（英热单位）（这是美国每年一次能源消耗总量的20％），其中室内供暖、供冷和热水分别每年消耗5.5千万亿Btu（英热单位）、2.7千万亿Btu（英热单位）和2.6千万亿Btu（英热单位）。

2012年商业建筑能耗调查（CBECS，EIA 2016b）显示，在美国有560万座商业建筑，占地面积874亿平方英尺。商业建筑占美国每年一次能源消耗的19％（每年17.9千万亿Btu（英热单位））。2009年建筑能源数据手册（DOE 2009）指出，室内供暖、供冷和热水分别利用2.3千万亿Btu（英热单位）、2.2千万亿Btu（英热单位）和1.1 千万亿Btu（英热单位）一次能源[本报告编写时，CBECS 2012尚未公布更新的能耗。]。2012年CBECS数据显示，在美国商业建筑中，室内供暖、供冷、热水及通风以电力形式消耗了年4.2千万亿Btu（英热单位）能量的2％、14.9％、0.5％和15.8％；室内供暖和热水以天然气形式消耗所有年2.2千万亿Btu（英热单位）能耗的59.6％和18.9％。

图2显示了用于室内供暖、供冷和热水及通风的电力和天然气的能源使用。从该图可以看出，办公室、学校、住宅、出租屋和/或购物中心共同占商用能耗的55％。假定通常具有大量可用土地（如停车场）和用于空调的高能耗，这些建筑物也很适合地源热泵的应用。这些类型的建筑物将是这个前景研究的重点。

（2）既有室内供暖、供冷和热水系统的市场份额和性能

2009年RECS（EIA 2016a）报告表明，在所有统计地区，美国家庭的天然气是室内供暖和热水的主要燃料，但美国东北部的室内供暖和热水使用大量的燃油。供冷主要为电驱动的空调和空气源热泵。除了在南方，供冷的能耗较低，供冷总能消耗仅为室内供暖的1/5（但是，在比较相关能耗时，该比值为1/2）。表5总结了2000年和2012年在住宅建筑中使用的既有室内供暖、供冷和热水系统及其能效（EIA 2000和EIA 2016c）。这些数据表明，虽然2012年既有传统住宅的室内供暖和热水设备的能效与2000年大致相同，但2012年既有住宅供冷设备的平均能效比10年前约提高30％。

注：AFUE，年燃料利用效率，是实际输送的年热量与供给锅炉的燃料量的比例。COP，性能系数，是提供给空间的热能与消耗的电能的比例。上表中所列的空气源热泵ASHP的COP是在标准的温和的天气（47℉）等级条件下测量的。EF，能量因子，表示热水器的总能效，基于在典型的一天消耗的每单位燃料产生的热水量。SEER，季节能效比，是用标准方法和假设典型天气确定的空调或热泵系统的平均年供冷效率。CAC代表中央空调，RAC代表室内空调。

2012年CBECS初步报告表明，“成套空调机组”（如典型的屋顶机组）用于50％以上的各型商业建筑，除了出租屋。然而，CBECS报告没有提供有关商业建筑既有的室内供暖、供冷和热水设备效率的数据。商业建筑的能源规范，如ASHRAE标准90.1（ASHRAE 2014），以及当地管辖区采用的那些规范的年份，根据年份和地点提供关于商业建筑新空调设备的最低允许效率的信息。该信息用于建立与商业地源热泵系统的性能相比较的基准系统，以确定节能量。

3.3 初步结果

用上述方法和支持数据计算地源热泵的技术潜力。假设地源热泵取代所有住宅和商业建筑中的所有既有室内供暖和供冷系统。然而，如“方法”章节所述，假设住宅地源热泵仅为既有电阻热水器提供补充热水，商用地源热泵不提供任何热水服务。

表6总结了在每个普查区和整个国家，住宅地源热泵的计算技术潜力，包括一次能源节能量、碳排放减少量、电力高峰需求减降低量和消费能源成本节省量。住宅地源热泵的一次能源节能量的比例是显著的，从西部的35.3％到南部的46.5％。对于二氧化碳排放、峰值电力需求和能源成本存在类似的比例降低。南方统计区具有最大的技术潜力，因为人口、供冷需求和电阻热水供应的使用在所有统计区域中是最高的。

使用地源热泵改造既有住宅建筑对住宅用电强度有不同的影响，这是四个统计区每户每年用电量的比例。分别在东北和中西部，增加电力强度70％和25％，其中地源热泵在冬季消耗电力代替燃烧天然气或石油来满足大型室内供暖需求。然而，地源热泵改造将使南方的电力强度减少42％，因为它更有效的供冷而节省了大量的电力，此外，它取代了既有的用于19％的南部家庭的电加热器。在西部，由于供热需求相对较小，地源热泵改造将使电力强度增加7％。总体上，全国住宅电力强度将下降13％。

表7总结了在每个普查区和整个国家商业地源热泵的计算技术潜力，包括一次能源节能量、碳排放减少量和消费能源成本节省量。商业地源热泵的一次能源节能量的比例从西部的18％到中西部的43％。这与最近的案例研究结果一致（Liu et al.，2015b）。计算机模拟结果表明地源热泵可以降低峰值电力需求，其百分比类似于一次能源节能量。然而，由于缺乏商业建筑的既有峰值电力需求数据，未计算峰值电力需求减少的绝对值。

商用地源热泵的节能量相对较小，是由于：（1）在大型地下地埋管换热器和整个建筑物中的多个水-空气热泵之间循环传热介质（即水或抗冻溶液）需要泵送能耗；（2）由于来自使用者、设备与商业建筑中照明的得热量，使得供暖需求较小；（3）基准可变风量（VAV）系统中使用了空气侧节能器。

住宅和商用地源热泵的年技术潜力总结如下：

• 每年节约6.4千万亿Btu（英热单位）一次能源（住宅4.6，商业1.8）；

• 每年减少4.127亿吨二氧化碳（住宅296.6，商业116.1）；

• 每年节省能源成本773亿美元（住宅57.8，商业19.5）；

• 峰值电力需求减少144GW（仅对于住宅）。

4、结论和进一步研究的计划

使用地源热泵系统是利用低温地热资源服务于建筑空调负荷的有效方式。地源热泵系统已经在美国所有50个州使用，证明比传统暖通空调系统的能效更高。然而，地源热泵应用受到初始成本高以及决策者和潜在消费者缺乏知识和/或信任的限制。

本文介绍了在美国住宅和商业建筑中地源热泵应用的技术潜力的初步评估。这一技术潜力代表了应用地源热泵可实现的最大利益，并提供地源热泵潜力成为国家能源和气候变化缓解战略的关键组成部分的愿景。地源热泵技术潜力是根据既有住宅和商业建筑的能耗数据以及正确设计、安装和运行的地源热泵系统的预期节能情况进行评估的。此外，地源热泵可以显著降低对电网的峰值需求。

有几种情况可以增加地源热泵市场应用，包括技术开发以降低成本和改善性能、财政激励和第三方融资、更高的能源价格和可能的碳排放收费。为了进一步分析包含在地热前景研究中的地源热泵经济潜力，这些情景将使用分布式地热（dGeo）模型进行评估，该模型尚处于国家可再生能源实验室开发过程中。

译自《An Overview of Geothermal Heat Pump Applications and a Preliminary Assessment of Its Technical Potential in the United States》，GRC Transactions, Vol. 40, 707-716，2016。孙燕冬译，郑克棪校。

来源：地热与热泵公众号

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