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提高大城市電力使用效率的政策分析:日本的實踐經驗

時間:2023-02-20 22:53:19 石油能源論文 我要投稿
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提高大城市電力使用效率的政策分析:日本的實踐經驗

作者:HiroshiAsano(日本中央電力工業(yè)研究所)
  【摘要】這篇論文結合北京市的未來,介紹了日本改進電能利用效率的經驗。考察地區(qū)集中在與北京氣候相近的東京地區(qū)及日本北部的札幌,同時還論述了制約可持續(xù)能源系統(tǒng)的經濟和技術問題,包括:用于單個住宅和建筑的熱泵系統(tǒng)、以及未來北京將采用的利用城市廢棄能源的區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)(DHC)。
  
  摘1、介紹
  表1列舉了北京和日本主要大城市的氣候狀況。關于城市能源基礎設施例如區(qū)域供暖和制冷系統(tǒng),應當與東京的情形進行比較。由于住宅的能源應用和服務選擇同樣有賴于寒冷的氣候,所以札幌和仙臺的情況為北京提供了很好的例子。從表1中供熱時平均溫度的差別可以推斷出札幌(日本北方最大的城市,與北京氣候相近)用于住房供暖的能量消耗是東京的3倍。
  
  城市
  
  人口(百萬)
  
  年平均溫度(°C)
  
  冬/夏月平均溫度(°C)
  
  供暖小時數(shù)(10°C以下)
  
  供冷小時數(shù)(20°C以上)
  
  北京
  
  12.5(市區(qū):6.8)
  
  11.8
  
  -4.3/25.9
  
  NA
  
  NA
  
  札晃
  仙臺
  東京
  
  1.8
  0.98
  7.9
  
  8.2
  11.9
  15.6
  
  -4.6/21.7
  1.0/24.1
  5.2/27.1
  
  2574
  1580
  855
  
  0
  10
  148
  
  1998財政年度東京總的電消耗量是76.4TWh,比前一年增長了2.0%。電能用于住宅的消耗量是25.6TWh,用于商業(yè)的消耗量是31.6TWh,非工業(yè)的消耗占了總量的75%。通常,在大城市中用于住宅和商業(yè)的能源及電的消耗占相當大的比重,但在北京卻并不是這樣,用于住宅的需求估計還不到10%。不過,城市化和人均收入的提高必將會導致住宅電能需求的巨大增長。
  2、能源需求與電氣化的能源有效應用
  2、1日本和中國的能源應用
  1979年,由于石油危機引起的節(jié)能效應,使日本的能源需求量相當于4430億升石油,幾乎達到了滿負荷,需求的增長率也相對較低。到1999年主要能源總需求相當于5930億億千升石油。石油需求從1993年以來就十分平穩(wěn)。而電力的需求,則由于電腦等使用的增長而持續(xù)穩(wěn)步提高。
  就在1964年東京奧運會之后的1965年,日本的電能消耗只占能源總消耗量的13%,而到了1998年,電力的市場份額已增長到了24%。中國目前電力的市場比例為14.3%,相當于日本1971年時的情況。
  2、2住宅方面
  能源在住宅中的轉變比在其他地方的轉變重要的多。每戶人家的年度能源消耗中,電能已從1965的23%增長到了1998年的43%。在日本,電能用于一小部分的取暖(11.9%,1999),做飯(22.8%),燒水(6.6%)。但是隨著熱泵的普及,近來電能在空間取暖中的使用已呈現(xiàn)增長態(tài)勢。至于中國的情形,每戶人家的能源消耗中,煤炭的比例在1965年時為35%,但在此后的十年中就已降到了3%,到了1998年則僅為0.2%。
  圖1展示了英國、美國、日本和札幌家庭能源使用的對比。其中最大的不同是空間取暖。通過在國家(或城市)間進行的適當對比,我們發(fā)現(xiàn)根據(jù)氣候差異、家庭所在地區(qū)和住宅大小來調整能源的使用是十分必要的。札幌(寒冷的氣候)的能源需求結構與歐洲國家十分相近。
  
  
  
  
  
  
  
  
  國際間家庭能源使用的比較
  來源:EDMC
  
  圖2說明的是在北侮道(首府即為札幌)住宅中用于取暖的各種能源類型。札幌取暖的時間在1975年是2629小時,在1998年時是2548小時。絕熱材料的改進和燃料的轉換,使供暖的能源效率得到了提高。
  
  圖21995年和1998年北海道家庭中用于取暖的能源消耗
  來源:1999年對住宅方面的年度能源統(tǒng)計,JukankyoKeikakuKenkyusho,2001(日語)
  2、3商業(yè)(服務業(yè))部分
  商業(yè)方面的能源用量,在總需求中已從1965年的6.5%增長到了1998年的12.5%。能量強度定義為每平方米一年的能源使用量。能量強度在1973年時最高,為362兆卡/平方米,此后直到1988年每年下降1.9%。這種下降是由煤炭和石油使用的減少引起的。然而,從1988年以后,因為辦公自動化(即用電強度的增長),能量強度又以每年0.5%的速度遞增。
  由于電能和其他替代燃料應用于取暖及燒水,使煤炭所占的比例從1965年的15%降至1998年的2%(圖4)。電能的比例則從1965年的16%增至1998年的46%。電能的效率已經大大提高,尤其在用于取暖方面,這主要是由于一些有效設備的技術突破、例如大城市中的熱泵、高效建筑物的外包層以及大城市中的熱島等。提高油價和根據(jù)能量強度修改的建筑條例其作用是十分重大的。
  圖3商業(yè)方面的能量強度
  
  來源EDMC
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  圖4商業(yè)方面能源的轉變,1965-98
  來源:EDMC
  3、藉于能源保護法的設備效率標準頂級信使方式
  3、1新效率標準
  1998年5月,眾所周知的關于合理利用能源的能源保護法(ECL)被重新修訂。它提出(1)關于工廠的措施(2)關于建筑的措施(3)關于器械設備的措施。在(3)中,關于器械設備的措施,對每個制造商每年產品的效率制定了一個比較低的界限。當標準被修訂時,采用了“頂級信使”的方式。這種方式就是將最高效產品的效率水平作為下一個效率標準,包括未來科技水平的發(fā)展。到目標年,各種設備節(jié)能的效果估計見表。2.能源的節(jié)約率是政府在假定那時的平均單元大小和性能與現(xiàn)在相同之后計算出來的。
  制定效率標準的基本方法有兩種:統(tǒng)計方法和工程/經濟方法(經濟合作暨發(fā)展組織/IEA,2000)。前一種方法使用于市場上所有產品型號的效率,標準是在去除部分最低效型號的水平上建立起來的。由于后一種方法需要成本來改進每種器械的效率,所以前一種方法更容易實行。歐盟(只有電冰箱)和加拿大使用的是統(tǒng)計的方法,美國使用的是工程/經濟方法,而日本的頂級信使方法被認為是統(tǒng)計方法的特殊情形。然而同時,工程/經濟分析的方法在制定標準的過程中也同樣發(fā)揮作用。我是空調和冰箱標準制定委員會的成員,我概述了到2010年,標準對電能總消費量產生的作用。
  表2目標年已校定標準的能源節(jié)約率產品標準水平單位能源效率改進比率目標期限(財政年)電冰箱各有不同kwh/年30.4(vs.FY1998)2004空調COP*熱泵2.85-5.2762.8(vs.FY1997)2004(冷卻年)**冷卻裝置2.47-3.6414.6(vs.FY1997)2007(冷卻年)日光燈49.0-86.51m/W16.6(vs.FY1997)2005電視機根據(jù)大小而不同kwh/year16.4(vs.FY1997)2003錄象機(使用備用電源)1.7-4.0W58.1(vs.FY1997)2003
  
  來源:Nagata(2001),經濟合作暨發(fā)展組織/IEA,能源標號與標準(2000),P160
  *性能系數(shù)(COP)=冷卻或加熱量除以輸入能量
  *除直吹型之外的熱泵的目標年,壁掛型(<4KW)的冷卻年是2007
  在日本,效率標準是按照下述步驟制定的:
  第一步:選擇出要建立效率標準的電器設備。
  第二步:為每種設備確定合適的型號/種類的范圍。
  第三步:確定測試程序。
  第四步:對每種常用設備的效率和產品價格區(qū)別進行分析。
  第五步:將設備分列入各個獨立設立標準的類別中。
  第六步:用頂級信使方法為每個類別的實施和標準確定目標年。
  第七步:制定其他細節(jié),例如商標的要求、違規(guī)的懲罰等等。
  在第一步中,主要考慮到能源的消耗,我們選擇了八項:汽車,電冰箱,空調,日光燈,電視和錄像機,影印機,計算機和磁性硬盤驅動器。在第二步中,去除了用途特殊或模型數(shù)量有限的裝置。比如電冰箱和空調的標準僅適用于住宅模型,而不適用于商業(yè)模型。
  3、2一項簡單的經濟分析
  制造商品能夠達到這種新標準。因此,預計消費者將會選擇有效率的電器型號。那么消費者對高效率產品的接受程度又如何呢?舉個例子,2000年,日本一家最重要的電器設備公司,松下公司生產出了兩種不同牌子的空調。效率高的那種用于高負荷場合。通過價格和能源效率的比較,可以計算出制造商的資金收回時間。Matsushita公司估計2.8千瓦的那種模型,每年將消耗980度的電量(216度用于制冷764度用于取暖),而效率差的模型每年將消耗
  1,489度的電量(328度用于制冷1,161度用于取暖)。區(qū)別相當于11,700日元的電量消耗(l美金=130日元,1人民幣=15日元),大致的資金收回時間是4.6年(見表3)。然而真實的市價比較低,價格缺口也不大(在東京的一家著名的大規(guī)模零售商店中,2.8千瓦規(guī)格的價格是44,600日元)。換句話說,市場上高效率電器的價格反映了客戶的主觀預期比率。用于住宅的高效率電器的資金收回時間估計是三到五年。上述信息說明用市場價格去估計高效技術的經濟性是適當?shù),資金收回時間也會減少。其他的手段比如商標和產品說明書等,也會促進消費者的選擇。
  
  表3空調的性能系數(shù)和價格缺口使用功率(供冷)高效型的性能系數(shù)(E系列)低效型的性能系數(shù)(SG系列)價格缺口(推薦零售價格的缺口)制冷加熱制冷加熱2.5KW5.495.673.914.1152,000日元2.8KW5.235.423.443.5753,000日元4.0KW3.814.292.803.2139,000日元
  
  來源:制造商目錄與市場研究
  
  3、3按照效率標準對實際進步的估計
  最近,METI公布了對由能源與自然資源顧問委員會能源保護分會依據(jù)新效率標準對實
  際改善情況的估計。圖5所示是空調的結果。表4概述了從1990年到2010年儲存能源效率的
  變化。,而到2010年由頂級信使方式產生的額外的效率將增加10.7%。
  
  表419902010年空調儲存能源效率的變化電器1990年每件家電能源消耗(KWh/單位)2010年每件電器平均能源消耗(KWh/單位)從1990到2010的改善比率2010年新標準產生的額外改進比率舊標準舊標準舊標準新標準空調1754.21252.61065.4-28.6%-39.3%-10.7%
  
  來源:METI(2000)
  
  
  
  表5概述了從1990年到2010年的能源消耗及主要因素的改變。對于一定范圍內的設備而言其它因素的改變預示著對效率改進的努力將會在某些程度上被抵消。至于空調,數(shù)量的巨大增長將會超過能源節(jié)約的效果(改進效率和減少單位平均工作時間)?照{的家庭平均擁有數(shù)量預計將會從1990年的1.27個增長到2010年的3.22個(1997年為2.3個)。因此,盡管采取了房屋使用絕熱材料等措施,使裝置的平均能源消耗量下降50.2%,但估計到2010年空調的能源總消耗量還是將會比1990年增長33.7%。
  
  表5從1990到2010年主要因素的變化裝置1990年平均家庭能源消耗(kwh)/家庭單件電器平均消耗儲存能量的變化房屋熱放射系數(shù)的變化其他因素的變化能源總消耗的變化2010年家庭平均能源消耗(kwh/家庭)空調
  711-
  39.3%-
  10.9%+83.9%+33.7%951電冰箱
  913-
  73.0%-+12.5%60.5%361電視機425-
  21.3%-+21.3%+0.5%427日光燈
  711-
  11.0%-+18.4%+7.5%765總計2,760----9.2%2,504
  
  來源:METI(2000)
  *包括從1990到2010年家庭數(shù)量20.8%的增長
  
  4、經濟刺激和其他政策手段
  4、1公共事業(yè)對經濟的刺激
  需求方管理(DSM)可以減小需求的日夜和季節(jié)的負荷水平差異,提高需求方的能源效率,通過減少對新設施和現(xiàn)有高效設備的投資來提供經濟利益。日本的公共事業(yè)機構積極促進負載水平和高效設備(比如熱儲型空調系統(tǒng))的普及和發(fā)展。
  一種電力合同被稱為負荷調整合同,它針對通過工廠生產過程調整、暑假變化,或者入熱儲箱而調整的負荷水平,實施電費打折。在東京電力公司(TEPCO)區(qū)域,由于實施了負荷調整的三種合同,實際電力高峰負荷降到41億瓦,這相當于1999年高峰負荷的7.0%。由于需求方管理的努力,使這種管理方式的實際作用有明顯提高。我于1998年11月在中國的第10屆APEC公共機構間DSM聯(lián)絡組中介紹了日本電力公司的DSM活動。請查閱會議紀錄并詢問中國政府機構DSM指導中心的詳細信息。在日本,除北海道之外的絕大部分地區(qū)電力系統(tǒng)都在夏天達到高峰,北海道則在冬天達到高峰。因為空調的使用,絕大多數(shù)DSM都把努力重點集中在夏季負荷高峰期。
  對于北京,介紹具有冬季高峰的北海道電力公司(HEPCO,www.hepco.co.jp)所實施的DSM計劃是十分有用的。他們?yōu)樾顭嵊脩籼峁┝艘环萏貏e的價目表。這些價格表鼓勵冷凍空調系統(tǒng)向蓄熱型負載轉換(即使在北海道,夏天商業(yè)大廈也要開冷氣)。作為消費者,將蓄熱箱的負荷從白天轉到夜晚的交換條件,是電費提供了很大的折扣。價格大約是4.6到5.0日元/kWh(商業(yè)的平均單位價格大約是20日元/kwh),非高峰期的時令(TOU)價格則更低。住宅和商業(yè)TOU的價格和儲熱合同限定的高峰期定義為,在北悔道從十一月到二月的16:00到18:00,其它地區(qū)的高峰時間是夏季的13:00-16:00。
  除了面對蓄熱用戶的特殊價格系統(tǒng),日本所有的電力公司都對安裝冰儲藏空調系統(tǒng)和節(jié)能型自動販賣機采取鼓勵的支付計劃。熱泵空調的電費是每高峰轉換千瓦5萬日元。這些計劃在5年(1995-1999)的時間內得到實施,從而有力支持了突破性的初始階段。HEPCO將這種鼓勵式的支付方式延長到了2003年。
  電力公司例如HEPCO提供了一種服務,在這種服務中,HEPCO代表客戶對熱源裝置進行設計、安裝、運行和維修。這種服務能幫助客戶減少初期投資,及裝置操作和管理的強度。
  4、2政府補貼
  作為EPCO努力勸說當局(METI)的結果,政府已經制定了官方支持的計劃,來促進高效能源裝置和系統(tǒng)的推廣運用。這是一項由政府和公共事業(yè)聯(lián)合的能源增效計劃。
  1、蓄冰或蓄熱式空調補助金
  政府對包括傳統(tǒng)空調的安裝費用(例如:對于5馬力的補助7萬日元)在內的額外花費補貼一半。對于那些容量低于10馬力,最高轉換率不低于40%的分散冰蓄熱式空調系統(tǒng),補助金可從日本熱泵與熱儲技術中心(www.hptcj.or.jp)獲得。這筆補助金原來是計劃用于一項1998-2000年的三年計劃,來促進冰蓄熱式空調系統(tǒng)的大規(guī)模生產的。然而,由于冰蓄熱式空調系統(tǒng)的經濟性還不足以大規(guī)模生產,2001財政年度METI依然持續(xù)不變。2001財政年度總預算是32億日元(2千5百萬美金),而2000個客戶的6300個單位得到了補助金。高峰轉換的總結果估計是34兆瓦。
  2、能源改革課稅低免計劃
  安裝了節(jié)能裝置的企業(yè),可以從它們的公司稅金中減去設備成本的75%(這種減除僅限于小規(guī)模及中等規(guī)模企業(yè))或者在初始年的折舊中加入設備成本的30%作為特別折舊。
  3、政府金融機構的低利率資金計劃
  日本發(fā)展銀行和日本金融公司為小商業(yè)或國有財政公司提供了非常低廉的利率
  4、3地方政府將主動減少二氧化碳的排放量
  依據(jù)英國標準單位協(xié)會(BAU)的標準,在2010年東京二氧化碳的排放量將比1990年增長24%。東京市政府計劃將二氧化碳的排放量減少到低于1990年6%的水平,也就是減少BAU標準的24%,相當于462萬噸碳。65%的二氧化碳減少量將通過改進能源效率來完成,比如促進高效率住宅的建筑,抑制交通需求的城市計劃及區(qū)域供冷供熱(DHC)采用城市廢棄能源。
  5、日本的熱泵技術及推廣
  5、1熱泵空調
  高效設備例如熱泵技術在住宅和非住宅區(qū)的突破,使供熱時的能源效率得到了提高。日本每年生產的熱泵空調,住宅用量大約為6到8百萬臺,商用大約是60到80萬臺。熱泵的工業(yè)應用包括空調和加工供熱。此外,熱泵的普及不僅提高了能源效率,還改善了室內的空氣質量。
  低溫時的空氣熱泵
  低溫時的住宅用熱泵空調,正在由包括北海道電力公司(HEPCO)在內的公共機構進行研究。Tohoku電力公司正在測試地方政府辦公室內安裝的儲熱型熱泵空調系統(tǒng)的性能,那里的最低溫度大約是-10℃
  水源型(淺層地下水)熱泵
  歷史上,日本在30到60年代曾采用了大量的地下水源型熱泵系統(tǒng)。70年代時,幾十個地下水熱泵系統(tǒng)應用于賓館、醫(yī)院、公寓等建筑中。但是,由于回收水及地表下陷的等問題,地下水源型熱泵系統(tǒng)還沒有被完全推廣。
  現(xiàn)在有兩種用于建筑的地熱源熱泵系統(tǒng)。在美國,大型獨立式的房子采用的都是水平型系統(tǒng)。美國每年地熱源熱泵系統(tǒng)的產量大約是4萬臺。而在日本,出于房屋空間的限制,垂直型系統(tǒng)將更有發(fā)展前途。但是由于目前鉆探費用是地熱源熱泵系統(tǒng)得到采用的巨大障礙,所以除特殊項目之外政府不對終端用戶提供直接補助來改進地熱源熱泵系統(tǒng)。
  在廣島郊區(qū)的保健中心,有一個地熱源熱泵系統(tǒng)(深100米),這個熱泵系統(tǒng)為游泳池提供空調和熱水。另外一個用土層儲熱的例子是北海道Kitahiroshima的一種洗衣店內的設施,它已經正常運行20年了。Chubu公司于2001年6月為在長野地區(qū)銷售部(最低溫度為-14到-17C)安裝運行一個地熱源熱泵系統(tǒng),并已開始測試性能。
  新能源與工業(yè)技術發(fā)展組織(NEDO)已針對地熱源熱泵在住宅中的使用,實施了一項經濟可行性研究。如果這個系統(tǒng)的成本是470萬日元(熱泵70萬日元,加地熱轉換每單位400萬日元),那么在北海道的投資收回時間是29年。如果地熱轉換每單位的最初成本能夠降低到200萬日元,那么資金收回時間就能縮短至13年。而最關鍵的一點是降低鉆探費用。NEDO在中國和日本都贊助了幾項地熱熱泵系統(tǒng)的示范項目(地熱能,Vol.24,No4,2001)。2000至2001年間在長春市地熱開發(fā)有限公司還投資了一項實地試驗項日,結果非常好(性能系數(shù)為3.12,二氧化碳排放量降低了62%,Sox排放量降低了99%)。
  5、2自然制冷二氧化碳熱泵熱水器(EcoCute)
  在與Tohoku電力公司和Dnso公司的一個合作項目中,CRIEPI為住宅使用開發(fā)了世界上第一個自然制冷的二氧化碳熱泵熱水器。這種熱水器在2001年6月時投入了市場。它能夠產生相當于電能消耗3倍的熱量,所以與傳統(tǒng)的熱水器相比,可以節(jié)約30%的能量。因為重新利用了在工業(yè)產品生產過程中產生的二氧化碳,EcoCute還有助于保護臭氧層和減緩全球變暖。
  5、3蓄熱系統(tǒng):節(jié)約能源及減少二氧化碳的作用
  采用高效熱泵作為熱源單元的蓄熱系統(tǒng),能夠得到相當于輸入能量3至5倍的熱量,也就是說,性能系數(shù)(COP)是3到5。而且,因為夜晚蓄熱白天用熱,即使考慮到蓄熱損失。蓄熱系統(tǒng)每年還是比空調系統(tǒng)少用10%的能量,這是因為熱源單元定額運行的結果提高了蓄熱系統(tǒng)冷卻效率,晚上使用戶外的冷空氣(TEPCO,2001)。
  蓄熱系統(tǒng)與非蓄熱系統(tǒng)相比較,還能減少26%的二氧化碳排放量,這是由于非高峰期能量的充足供應和晚間礦物燃料比重較小。隨著消費者充分認識到蓄熱系統(tǒng)的環(huán)保和高能,蓄熱系統(tǒng)將會逐漸得到廣泛應用(尤其是公眾使用者),2000年的東京地區(qū)(TEPCO服務區(qū)域),通過使用蓄冰蓄水系統(tǒng),474兆瓦由高峰期轉換到了非高峰期(TEPCO,2001)。
  5、4采用城市廢棄能量的區(qū)域供暖供冷(DHC)系統(tǒng)
  作為提高建筑供暖供冷能量效率的主要技術之一,利用建筑、工廠、變電所、海洋、河流及污水廢棄熱量中沒有利用的能量,將會減少礦物燃料的使用量和SOx、NOx、GHG的排放量(圖6)。
  
  來源:TEPCO(2000)
  第一個采用未利用能源的區(qū)域供暖供冷系統(tǒng)是,1986年東京的污水處理設施。電力公司正強烈主張和促進引進這種類型的熱能回收,F(xiàn)在有許多采用廢棄能源的區(qū)域供暖供冷系統(tǒng),尤其是在大城市。比如東京地區(qū),到200l年3月底,就已有42處。Tohoku電力公司的區(qū)域供暖供冷系統(tǒng)具有很高的能量效率,他們采用的蓄熱系統(tǒng)具有高效的熱泵,能夠有效利用河水等未利用能源中的熱能(圖7)。
  與上述非蓄熱系統(tǒng)相比較,蓄熱系統(tǒng)能夠節(jié)約大概l0%的能源,而有效利用廢棄能量則又可節(jié)約20%的能源。如圖8所示,利用河水能源的DHC的一般能源效率是1.3。具有大型蓄熱箱的DHC的另一個特征是“社區(qū)箱”,它可用于預防地區(qū)災害,提供救火用水以及在發(fā)生緊急情況時維持人們的日常生活。圖7對DHC能源系統(tǒng)的比較
  
  
  來源:TEPCO(2000)
  
  
  6、總結評論
  在能源總供應中,電能的比例增大將提高能源效率。隨著熱泵系統(tǒng)技術的進步,供暖與制冷的能源使用效率將得到提高。由于電腦等設備對電能特殊需求的增長,電力需求也將增加。
  有效利用電能是中國、日本及其它國家的普遍目標,我們應該共同總結經驗教訓,來提高大城市中的能源效率。日本的電力公共機構提供不同的電費選擇,以此來促進高效裝置設備的普及和能源的更有效利用。
  這篇論文集中討論了住宅和商業(yè)方面電能的有效利用,除這些方面以外,在大城市,交通運輸中的能源利用和排放問題對環(huán)境和經濟都是十分重要的。東京市政府和其它的一些政府正計劃引進一種新型燃料公共運輸系統(tǒng),例如氫燃料車站。問題是,該如何從天然氣、閑置能量及可再生能源中提取氫燃料呢?
  參考書目
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  EDMC(能源數(shù)據(jù)和模型中心):日本能源與經濟統(tǒng)計手冊,2001
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  M.Shimojo:(NEF):促進地熱泵與地熱能源的應用Vo1.26,No.1,2001(日語)
  
  
  
  

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