欧洲地源热泵发展浅析

1 引言

欧洲从20 世纪50 年代就开始了研究地源热泵的第一次热潮[1]，是地源热泵的起源地，并取得了相当的成就。据欧盟委员会联合研究中心(JRC)2015 年报告[2]，全球地源热泵总装机容量约为50GW，其中欧洲装机容量达到19GW，在全球占比最高，达到38%左右，在世界地源热泵领域中处于领先地位。据欧洲热泵协会预计，在2020 年欧洲热泵总装机容量将达到35.6GW，可以提供191.62TWh 能量，减少温室气体排放34.4Mt。

欧洲十分重视可再生能源的发展，欧盟在2020 年的能源目标中重点强调能源的可持续性。地源热泵技术是通过有效利用可再生能源浅层地热能实现节能减排的途径，与欧盟能源目标要求十分契合，因此，欧洲地源热泵的发展应用一直走在世界前列。近年来，由于政治、经济因素的影响，以及能源环保目标设定的不同，加之各国资源条件及能源需求的不同，欧洲各国地源热泵的应用呈现差异化发展。其中较为典型的国家有德国、瑞典、芬兰和荷兰。德国的地源热泵起源较早，经过长时间的发展，其政策、体系、规范、主管部门等已经成熟健全；瑞典位于北欧，冬季寒冷漫长，是欧盟国家中地源热泵装机数量最多的国家；芬兰在近年来地源热泵发展迅速；荷兰以它的水利、地质方面的技术而著称于世界, 充分利用自己国家在水资源方面的优势，将地下水源热泵结合蓄能技术进行供暖制冷。本文从欧盟整体情况和几个典型国家着手，介绍欧洲地源热泵发展近况。

2 欧盟整体发展情况

根据欧盟EurObserv[3—4] 最新调查数据显示，2015年，欧洲热泵市场表现出色，供暖和制冷热泵销量从2014 年的221 万台增长到2015 年的265 万台，增长率为20%，2016 年热泵市场紧随上升趋势，销售量超过330 万台，同比增长26.1%，热泵系统安装总量超过3000 万台。其中地源热泵在2014—2016 年的年销量超过80000 台，同比增长1.5%，地源热泵市场发展逐渐进入平稳期。表1 是截至2015 ～ 2016 年欧洲各国地源热泵总装机数量，截至2016 年底，欧洲已有超过149万套地源热泵在运行。欧洲地源热泵市场持续向前进步的主要动力来源于以下三个层面。一是技术层面，热泵技术发展的直接推动和太阳能光伏系统发展的间接推动形成合力，光伏与热泵的耦合进一步提高了能源转化效率和可再生能源利用率，是目前研究的热点之一。当前，地源热泵已经具备较为完善的体系，研发的主要目标在于提高地源热泵系统的效率和减少投资成本[5]。

表1 截至2015-2016 年欧洲各国地源热泵装机情况

二是政府组织层面，欧盟重视可再生能源的应用，从1997 年签署《联合国气候变化框架公约（京都议定书）》确定减排义务开始；到2009 年，欧盟通过《可再生能源指令》，保证2020 年可再生能源在总能耗中的比例达到20%，至2030 年达到27%；2015 年2 月，欧盟发布了《供暖空调战略》，提出用新型高效设备替代原有低性能的设备来提高能源利用率和可再生能源份额，其中特别强调热泵产品能效。欧盟热泵协会预计到2030 年欧洲可再生能源份额将达到50%，热泵作为一种有效的可再生能源利用形式，在欧洲得到了充分的重视和发展。

三是用户层面，与电供暖和燃油供暖相比，热泵的经济性更优，且节能环保性好. 表2 为不同种类热泵初投资与运行费用情况，从投资回收期来看，空气源热泵优于地源热泵。但空气源热泵受气候环境影响较大，当室外温度较低时，或室外机结霜时，空气源热泵机组性能迅速下降，相比之下，地源热泵在北欧等气候寒冷地区的系统稳定性、可靠性和系统的高效性优势更加明显。

表2 不同种类热泵初投资与运行情况[6]

3 德国

德国位于欧洲中部，属于西欧海洋性与东欧大陆性气候间的过渡性气候，夏季不太热，冬季大部分时间不冷，平稳温和是德国气候的总体特征，冬季平均温度在1.5℃ ( 低地) 和-6℃ ( 山区) 之间，7 月份平原地区的平均温度为18℃，南方山谷地区为20℃左右。

图1 德国地源热泵销售量和重要事件[8]

在德国的气候条件下，各种形式的热泵都可以在这里使用[1]。80 年代中期，以土壤、水、空气作为低温热源的热泵比例大致相同。自90 年代中期以来，地源热泵的比例开始上升，这是由于与其他形式热泵相比，在公共建筑中使用地源热泵季节性性能系数更高，这类系统的发展受到激励。但在接下来的几年里由于空气—水热泵技术的快速发展及安装简便等优点，其市场占有率开始持续上升，地源热泵市场占有率相应下降，到近几年，占有率又有所回升。图2 是近三年不同种类热泵的市场情况，可以看出，2016 年整个热泵市场同比增长13.7%，其中地源热泵销量同比增长21.7%，超过空气—水热泵的增长率11.1%。

德国热泵市场的回暖与政府的激励密切相关。近几年，德国政府出台了新的激励政策来推动高性能可再生能源供暖系统的发展。市场激励计划“Marktanreizprogramm”(MAP) 在2015 年4 月被提上日程, 该计划主要是为可再生能源供热项目提供资金补助和低息贷款，并希望通过这个计划，实现到2020 年由可再生能源供热的比例达到14%。此外， 从2016 年1 月1 日起，通过了一项新的能效激励措施“Anreizprogramm Energieeffizienz (APEE)”，这项新措施是通过为现有供暖系统更换或改造提供资金补助，来提高其能源效率。最佳优化方法是用可再生能源来替代燃油或燃气给建筑供暖并提供生活热水，可再生能源的形式主要有生物质、热泵和太阳能与热泵耦合系统。额外的APEE 奖励相当于MAP 激励措施的20%，而任何提高现有供暖系统能源效率的投资都可能获得600 欧元的额外奖励[3]。在德国，地源热泵已经成为较成熟的系统技术，目前的重点是提高效率并确保安全的品质[9]。

图2 德国地源热泵与空气源热泵销售量图[3—4]

4 瑞典

瑞典位于北欧，地形狭长，从北到南温度变化很大。南部和中部，夏暖冬冷；北部地区夏天较短而且很凉爽，冬季则寒冷漫长。瑞典夏季供冷需求较小，而冬季供暖需求很大，气候条件很适用于单供暖地源热泵的使用。

瑞典是欧盟国家中地源热泵安装数量最多的国家。图3 是瑞典区域供暖中不同热源类型统计图，由图可以看出，热泵在瑞典区域供暖中应用仅次于生物质和其他燃料供暖形式。

图3 瑞典区域供热中能源方式统计[10]

自20 世纪70 年代末的石油危机以来，瑞典地源热泵研发和应用一致处于领先地位。瑞典热泵市场发展情况如图4 所示，瑞典热泵市场从80 年代开始快速发展，由于部分产品质量不过关、石油价格回落等原因，在90 年代市场处于低迷状态。21 世纪以后，热泵市场重新开始迅速发展，到2016 年地源热泵市场销量为22843 套，但相较于2015 年的26377 套相比有所下降，下降约15.4%。下降的主要原因在于，瑞典政府对业主的ROT 税减免率降低了30%（ROT 税是指住宅进行节能改造时所要缴纳的税款），这一政策的调整对初投资较高的地源热泵市场产生了负面的影响[3]。到2017 年，地源热泵销售量为22641 套，与上一年基本持平。

瑞典安装的地源热泵系统中，80% 为垂直地埋管地源热泵系统，通常采用复合式系统，地源热泵承担主要负荷，剩余部分由常规的集中空调系统或锅炉提供。太阳能与地源热泵耦合系统也是当前的研究热点之一，太阳能可以在供暖季辅助供暖，在非供暖季收集太阳能热量并将其存储到地下，有效解决地源热泵对地下取放热不平衡问题。在地源热泵与其他冷热源的耦合系统中，地源热泵系统只用来提供建筑物最大负荷的70 ～ 80%。这样设计能够保证较小的初期投资和较快的成本回收。

瑞典是欧盟中第一个实施与其他国家合作机制的地区[11]，2012 年形成瑞典—挪威绿色证书“elcert”，2017 年4 月。两国宣布将共同的elcert 计划延长至2030 年。两国间的定期会议将持续到2045 年。2016 年，瑞典联合政府发布了瑞典的长期能源政策，其中包括在2040 年达到100% 可再生能源供能。

瑞典属于欧洲热泵市场最完善的国家，热泵供暖对于用户来说属于传统的供暖形式，有良好的信誉。进一步的增长主要取决于瑞典新建建筑的增加及传统能源价格的增长[12]。

图4 瑞典不同热泵系统年销售量柱状图

5 芬兰

芬兰位于欧洲北部，地处北纬60 度到70 度之间，国土总面积33.8145 万平方公里。芬兰冬季严寒漫长，夏季温和短暂，全国1/3 的土地在北极圈内，其余部分属于温带海洋性气候，从南至北，1 月平均气温为-4~-16℃；7 月气温16~13℃，冬季供暖负荷较大，而夏季冷负荷可以忽略不计。

芬兰热泵市场发展情况如图5 所示，可以看出，芬兰热泵市场从1996 年开始缓慢增长，在2003 开始爆发，于2008 年达到顶峰，之后的几年均有不同程度的下降，2016 年基本与2015 年持平，2017 略有上升，市场进入平稳和缓慢增长期。2000 年以前，只有10% 新建住宅使用热泵供热。2001 年以后，随着能源价格的上涨和环保力度的加强，热泵销售量迅速增长，其中大部分是使用水或防冻液通过垂直管或水平管换热器从土壤或湖泊中吸热的地源热泵。2003 年，政府出台了一项用于改造地源热泵以取代电加热的补贴措施，激励了地源热泵的市场；2008 年，政府扩大了资助的范围，使用燃油供暖建筑改造为地源热泵时也享有补贴，使得地源热泵的销量大幅增加；2011 年，在市场体系逐渐趋于完善的情况下，芬兰政府取消了该项补贴政策，地源热泵销量稍有下降，随后进入平稳期[13]。 根据芬兰热泵协会数据，在2015 年约有6000 户家庭选择用地源热泵系统供暖，几乎占新建建筑的一半。

图5 芬兰不同热源热泵年销售量柱状图[6]

芬兰地源热泵市场具有巨大潜力，这是由三个因素决定的。首先是地理因素：芬兰气候寒冷、地域辽阔、人口稀疏、供暖负荷较高（120TWh/a）、太阳能、风能与负荷特性不匹配等。其次是基础设施：没有完善的燃气管网，区域供暖只在市区且大部分只供给大型建筑，每年约有10000 座新建建筑，现有供暖体系多为燃油或电直接供暖，设备效率较低且环保效益差。最后是价格优势：相比于化石燃料，热泵供暖价格低廉（电供暖、燃油供暖和区域供暖价格分别为0.828~0.897、0.897~1.173 和0.345~0.483 元/kWh，而热泵供暖的价格可以达到0.207~0.414 元/kWh）[14]。

芬兰地源热泵市场的快速发展除了地源热泵本身的节能环保性能以外，与国家的政策支持是分不开的。为了推进地源热泵的发展，芬兰政府出台了一系列补贴政策。在1980 年，安装热泵系统的家庭更容易获得高额的住房贷款；对热泵系统的安装同样有补贴。2002 年芬兰颁布了住宅改造和节能补贴法案（芬兰法规1021/2002 和57/2003），政府补贴高达10% 的投资用于将电加热改造为地源热泵系统，第115/2008 号修正案也使得补贴将燃油供暖改造为地源热泵系统成为可能。在2012 年，国家预算中对补贴的预算大幅减少。目前，芬兰政府只保留了一项鼓励政策，即对已有或改建地源热泵的住宅减少税收[13]。有关补贴政策和影响地源热泵市场的条例见表3。

表3 影响芬兰地源热泵行业的政策条例汇总表[15]

6 荷兰

荷兰位于欧洲西部，地处莱茵河、马斯河和斯凯尔特河三角洲, 其西、北方向濒临北海，水资源丰富。属于温带海洋性气候，冬暖夏凉，沿海地区夏季平均气温为16℃，冬季平均气温为3℃，内陆地区夏季平均气温为17℃，冬季为2℃，制冷供暖需求较小。

荷兰一直以水利、地质方面的技术而著称于世, 其地下含水层储能和地下水源热泵的地下水回路技术领先于西方其他国家。荷兰从地质勘探、井的设计、成井、系统集成到系统的运行和监控具有一套专用的技术, 从根本上解决了井的堵塞问题, 灌抽比达到100%[16]。目前已完成了200 多个大型的地下储能和地下水源热泵项目。水源热泵多于新建住宅，由于受到钻孔安装低温侧换热器要求的限制，小型和大型的家用热泵自然占领了大部分水地源热泵市场。近三年荷兰热泵市场情况如图7 所示，整体上，荷兰热泵市场发展迅速，其中2016年地源热泵年销量为4065 套，相比2015 年的2086 套增长率达到94.9%。

图6 2014—2016 年荷兰不同类型热泵年销量[3—4]

根据《可再生能源指令( 指示2009/28/EC)》，荷兰承诺到2020 年将其最终能源消耗的14% 来自可再生能源。最近荷兰政府对此提出了更高的要求，到2020年能源消费总量的16% 来自可再生能源，2050 年供热系统不再排放CO2。

随后，政府提出了一系列的政策来推动能源转型以实现该目标，包括对可再生能源供热进行补贴、提供低息贷款并提供担保，即利用废热和可再生能源的热泵、含水层储热系统项目和区域供热项目[17]，从而刺激可再生能源项目数量的增长，使可持续能源比传统能源更加具有吸引力。荷兰有意要在2021 年全部取消燃气锅炉的使用，有效的替代办法是利用热泵，但地源热泵相对于集中供暖来说，初投资较高可能会给用户带来经济压力，为了解决这个问题，政府提出“融资计划”，房主只需要每月支付固定的安装费用。这一计划的实施有效的推动了地源热泵的应用推广。

7 小结

通过对地源热泵在欧洲国家应用分析可知，地源热泵可替代化石能源供冷供热，作为高效利用可再生能源实现节能减排的技术手段，已经为各国广泛认同，只是在不同国家和地区、不同气候条件下具体应用的技术类型不同。影响地源热泵技术在欧洲各国的应用发展的主要有两个关键因素：一是其他能源价格，石油危机推动了热泵技术的迅速发展和应用，其后不断攀升的油价促进了地源热泵在本世纪初的快速发展。由此可见，提供同质服务的能源价格对地源热泵应用量具有决定性影响作用；二是国家政策，作为应对气候变化的有效手段，很多国家会为地源热泵技术应用提供相关的政策支持和财政补贴，这对地源热泵的应用推广具有积极的作用。

欧洲地源热泵的应用在世界范围内处于领先地位，在技术日渐完善和政府政策激励的情况下逐渐形成了完备的适合不同国家特色的体系。欧洲的地源热泵应用发展过程可以为我国地源热泵的发展提供参考和借鉴。

致谢：

本文由“十三五”国家科技支撑计划项目“近零能耗建筑技术体系及关键技术开发”（2017YFC0702600）资助。

参考文献

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

[2] Joint Research Center. 2015 JRC Geothermal Energy Status report [R/OL]. (2016 – 02 -05) [2016 -09 -20].

[3] EurObserv’ER. Heat Pumps Barometer[R]. 2016

[4] Edition 2017 17th EurObserv’ER Report. The State of Renewable Energies in Europe[R]. 2017

[5] 郑人瑞, 周平, 唐金荣. 欧洲地热资源开发利用现状及启示[J]. 中国矿业,2017,26(05):13-19.

[6] The Finnish Heat Pump Association SULPU ry,Statistics 2017

[7] Antics, M., Bertani, R., Sanner, B., 2016. “Summary of EGC 2016 Country Update Reports on Geothermal Energy in Europe”. Proc. EGC 2016, Strasbourg, paper K1

[8] Burkhard Sanner. Ground Source Heat Pumps– history, development, current status, and future prospects[A]. 12th IEA Heat Pump Conference 2017.

[9] 刘林忠, 丛旭日. 地源热泵技术在德国的应用[J].工程建设与设计, 2007(3):11-13.

[10] Energy in Sweden – Fact and Figures[DB/OL].2018.

[11] Per Jonasson, Swedish Refrigeration and Heat Pump Association. The Heat Pump – A Swedish Success story! To be continued[EB/OL]. https://heatpumpingtechnologies.org/publications/the-heat-pump-a-swedish-successstory-to-be-continued/. 2018

[12] Håkan Sköldberg, Bo Rydén at Profu. The heating market in Sweden - an overall view[R]. 2014

[13] Jussi Hirvonen. The Heat Pump Market, Its Market Drivers and How to Have an Impact on Them in Finland[A//C]. Rotterdam. 2017

[14] Jussi Hirvonen. Heat Pump Market and scenarios in Finland. SULPU.

[15] Pirjo Majuri, Ground source heat pumps and environmental policy – The Finnish practitioner’s point of view,Journal of Cleaner Production, Volume 139, 2016, Pages 740-749, ISSN 0959-6526,

[16] 周训, 刘东林. 欧洲地下蓄能的发展现状[C]// 地温资源与地源热泵技术应用论文集. 2009.

[17] R.P. van Leeuwen , J.B. de Wit, G.J.M. Smit. Review of urban energy transition in the Netherlands and the role of smart energy management[J]. Energy Conversion and Management 150 (2017): 941–948

作者

中国建筑科学研究院有限公司  边萌萌 杨灵艳 张昕宇

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