夏热冬暖地区应用浅层地热能供热制冷的必要性与优势Word文件下载.docx

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减排温室气体、提高制冷能效比是当前节能环保的迫切要求。

1.3冬季采暖

16摄氏度是人体对寒冷忍受程序的一个界限，低于这一界限，人就感觉舒适性差。

进入冬季以后，南方绝大多数地方的气温都会降至16℃以下，尤其南方冬季的寒冷，是一种湿冷，使人感到寒冷刺骨。

随着人们生活水平的提高，南方冬季采暖需求越来越旺，近年来电取暖器在南方呈畅销势头。

但电取暖器和空气源空调取暖能耗都较高，而且舒适性差。

但南方取暖负荷相对北方要小得多，冬季供暖时间也较短。

因此，南方地区采用地源热泵技术供暖其成本及实现条件要求都较低，是较佳的能源利用方式。

1.4农业温控需求

随着农业科学种养殖技术的不断普及和提高，高附加值的养殖业、种植业发展越来越快，如温控农业大棚、牧禽鱼养殖等，这些农业技术，迫切需要能源消耗成本低的温控系统。

因此，寻求能实现制冷、采暖和供生活热水的稳定的节能环保系统，是南方城市与农村发展的迫切需要。

浅层地热能、太阳能属于低品位能源，按照分级用能原则，最适合满足生活用能的需要。

地源热泵技术是既开发利用了可再生的新能源——浅层地热源，又显著节能的不可多得的新技术，具有开源和节能的双重效果。

被称为二十一世纪的“绿色空调技术”。

因此，利用浅层地热能（或与太阳能耦合）解决南方建筑制冷采暖空调、热水供应、温控农业，对替代常规商品能源，改善能源结构，保障能源安全，建设资源节约型、环境友好型社会以及实现可持续发展具有重要战略意义。

2.地源热泵的特点及优势

（1）、可再生能源利用形式利用储存于地表浅层的低温热源和太阳能，它不受地域、资源、季节、气候、日夜时段等限制，真正是量大面广、稳定可靠而且清洁无污染的一种可再生能源。

符合可持续发展的战略要求。

（2）、高效节能制热系数高达3～4.5，而锅炉仅为0.7～0.9，可比锅炉节省70%以上的能源和30%～50%运行费用；

制冷时要比普通空调节能15%～20%。

（3）、美观传统空调系统的换热器置于暴露的空气中，破坏建筑的外观；

而地源热泵把换热器埋于地下，保持建筑物外观的完美。

（4）、保护环境设备的运行不需锅炉，没有燃油、燃煤污染。

土壤源地源热泵只从地下取热或散热，不取地下水，没有地下水位下降、地面沉降等问题，是真正的生态合理利用可再生能源的方式。

（5）、多功能、系统控制和管理方便—套系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。

（6）、寿命长、效益显著热泵寿命一般15年左右，而地源热泵的地下换热器由于采用高强度惰性材料，埋地寿命至少50年。

3.地源热泵的应用条件

3.1地源热泵系统简介

地源热泵GSHP（ground-sourceheatpumps）技术是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。

热泵的理论基础源于卡诺循环，与制冷机相同，按照逆循环工作。

即热泵消耗较少量的高质能Ｗ通过循环从低温环境（温度为Ｔ0）中吸取大量的低温热ＱL，输出热量为ＱH=Ｗ+ＱL（用热温度为Ｔ2）,从而回收利用了低温热ＱL（见图1）。

由于全年地温波动小，冬暖夏凉，因此，冬季从地表浅层吸取低温热量，夏季向底下排放热量（吸取冷量），通过循环把热量从低温位提升到高温位，为用户提供冬季供暖、夏季制冷以及全年热水供应。

系统只需消耗少量的高品位能源（如电能），就能获得高于输入能量数倍的热能效果，是一种高效、环保、节能的温控系统。

地源热泵系统，由室内部分和室外部分组成，室内部分包括热泵机组和风道系统或风机盘管系统，与传统空调系统相似。

室外部分是地热能热交换部分，有埋地管系统、地表水系统和地下水系统三种形式。

埋地管将闭环循环水埋于地表浅层土壤中，循环水经水管壁面直接与土壤进行热量交换。

夏季循环水将制冷机组吸收的热量向土壤散热，冬季从土壤吸热并将热量经热泵机组传递至室内。

埋地管系统有垂直埋管、水平埋管和螺纹盘管三种（见图2）。

3.2我国浅层地热能资源概况

从土壤类型和土壤温度看，我国具有丰富的低温环境资源。

1999年，瑞士学者Rybach指出，中国是世界上直接利用地热潜力最大的国家，名列世界第一，原因有2个：

一是中国国土辽阔，近地表低温地热资源丰富；

二是中国人口众多，采暖和制冷工业的基础相对薄弱，将来需求量无可比拟。

地源热泵技术所利用的能源是常温土壤中的能量，并不需要特殊的地热田或地下热水。

它只要有足够进行热交换的浅层土壤（-3.5℃以上的土壤或地下水）就可满足地热泵所要求的技术条件。

中国城市中约有30％～50%的建筑物具备此条件。

从气候区上看，从寒冷的黑龙江到炎热的海南岛都可使用，尤其南方气候条件是夏热冬暖，需要较多的供热和空调装置。

3.3夏热冬暖地区的土壤特点

土壤属于多孔介质，是由矿物质和有机质构成其固相骨架、水和空气充填其中孔隙的三相体。

土壤传输地热的能力及存储热能的能力与土壤的含湿量、地下水的流动有很大的关系。

因此土壤的传热是由土壤中固相导热、液相导热及液体对流传热组成。

当土壤中富含水分和有地下水流动存在时，土壤总的传热热阻大大减小，使得土壤具有较高的热交换效率。

夏热冬暖地区尤其是两广地区，雨水丰富，水源充足。

丰富的水资源使得我国南方大部分地域属于富水土壤，土壤的含水率极高，且地下水位较高，为土壤热交换器闭式地源热泵系统应用提供了得天独厚的条件。

4.国内外地源热泵技术应用状况分析

4.1国外应用状况

美国能源部（ＤＯＥ）和美国环境保护署（ＥＰＡ）均已确认，地源热泵系统是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统。

1998年，美国暖通空调工程师学会的ASHRAE技术奖就颁发给一地源热泵系统。

地源热泵供暖空调的优势使其成为近年来世界可再生能源利用及建筑节能领域中增长最快的产业之一。

在过去的10年中，大约30个国家的地源热泵年增长率达到了10％。

它的主要优点是用普通的地温或地下水温，这在世界各国都可利用。

地源热泵发展最快的是欧洲和美国，其他国家如日本和土耳其也正在积极发展地源热泵产业。

目前世界安装的地源热泵系统的总容量和产热量达9500MW和52000TJ/y（14400GWh/yr），实际安装地源热泵的数量为80万套，世界主要国家安装地源热泵的情况见表1。

1985年美国全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到2001年，美国达到安装40万台地源热泵的目标，降低温室气体（如ＣＯ2等）排放100万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植404686公顷（100万英亩）树的效果，年节约能源费用可达4.2亿美元。

而且每年以10%的速度稳步增长。

1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中新建筑中占30%。

据1999年的统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例为：

瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。

DouglasCane等对25个加拿大和美国的应用地源热泵的实例进行了跟踪调查，并按建筑类型统计了各个实例的年均费用，其中，最早投入运营的实例在1981年，最晚的为1995年，并且有20个实例是在1990年及之后投入运营。

与传统空调系统相比，地源热泵系统在运行费用（主要包括能耗费用和维护费用）方面有较大优势。

如在商业应用中，节能达到17%；

住宅应用中的能耗则减少32.4%。

4.2国内应用状况

中国地源热泵的研究和应用虽刚刚起步，但其对地方缓解能源压力、推动经济的作用正日益受到认同，地源热泵作为生态环境保护、高效节能和自然资源再利用的21世纪可持续发展的新技术和建筑环境供热制冷系统的换代产品，体现出旺盛市场需求的势头。

国外的技术已相当成熟，为此，我们一方面要积极借鉴国外的先进技术和成熟经验；

另一方面切忌生搬硬套、盲目引进，应该因地制宜、把握优势合理的利用浅层地热能，避免出现新的生态环境失衡。

我国从<

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1995年开始学习和引进欧洲产品，直到1997年才出现有规模的地源热泵采暖工程项目，美国特别看好中国市场，美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中一项内容就是地源热泵发展战略。

该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商业建筑，以推广运用这种“绿色技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。

到1999年底，全国大约有100套供暖/制冷系统，而且全部为开式循环系统。

2000年12月由日本政府无偿援助，日本地热工程株式会社负责，长春市地热开发有限公司和吉林大学参与，在长春完成了一个1000ｍ2建筑面积的地源热泵供暖/制冷示范项目，为国内第一个闭式循环系统。

2001年，重庆大学、北京工业大学、山东建筑工程学院也纷纷建成了各自的封闭循环系统示范工程。

近两年来，在我国北方，已成功建立了一批上规模的地源热泵应用示范工程。

山东建工学院、北京工业大学等具有较雄厚的理论基础并建立了典型的示范工程，但这些示范工程以采暖为主；

在南方，以广州能源所为代表，主要以是地下水式地源热泵应用技术为主，土壤源的地源热泵应用技术在南方还非常薄弱。

目前，我国实施地源热泵工程主要有两大类：

（1）地下水源方式我国目前实际应用的地源热泵工程大部分是利用地下水源方式。

事实表明，打井抽水虽然实施地下水回灌，由于循环消耗，仍不可避免的要损失相当一部分水源，加上抽水时虽有过滤网，但一些细纱粒移位或随水一起抽上来，日长月久会破坏地层结构，有些地方在抽水井附近出现了莫名的坍塌。

我国一些地方也出现开式地源热泵系统运行短短几个月，就造成回灌通路细纱堵塞甚至无法回灌造成废井的状况。

因此，打井抽水在一些城市是受到严格控制甚至禁止的。

（2）土壤换热器的闭式系统我国闭式系统的土壤换热器以垂直U型埋管居多，实用经验还非常有限。

北方地区实施的大多数采暖工程属于贫水土壤，由于干性土壤传热性能差，垂直埋管深度一般要超过60米，而换热量则一般小于50W/m，使得埋管的总埋深较大，往往造成初期投资大，效果不够理想，一般用户难以接受。

一些地方没有经过长期地温变化监测，实施几万平方米甚至十几万平方米的大型地源热泵取暖系统，很难预计，几年后或十多年后这样的系统其效率和对周围的地温影响如何，北方已有些系统在运行两三年后出现效率明显下降的情况。

5.两广地区土壤源地源热泵技术研发及应用情况

5.1技术成果水平

2005年3月，广西科技厅组织专家对广西大学完成的“亚热带及温带地区地源热泵供热制冷节能系统技术研发”科技项目进行了技术鉴定。

专家的鉴定意见为“该项目针对我国南方亚热带及温带气候，采用了地源热泵-冷却塔混合型冷热源应用技术，有效地实现了自然资源的互补利用，在地源热泵系统配置、能源优化和自动控制方面取得了较大的研究进展，在对地源热泵技术的系统集成与优化应用方面有较大的创新。

该项目针对亚热带及温带地区在利用浅层埋管技术、优化埋地换热器及系统节能方面达到国内领先水平。

”

产品质量检测单位是国家空调设备质量监督检验中心，经现场检测，范例工程南宁市三中空调-热水系统在运行两年多后，其机组制热水工况的能效系数COP达4.5，系统的能效系数COP达4.0，换热量大于60w/m。

5.2知识产权情况

广西大学已申请地源热泵相关设备发明专利1项，实用新型专利2项，自主开发地源热泵系统设计软件一套。

其中“太阳能-地源热泵空调热水设备”已经获得国家实用新型专利（专利号：

ZL200320101152.8），该技术有别于国外以太阳能集热通过储热罐方式作为热泵的辅助热源的形式，克服其效率低、体积庞大弱点，本专利采用独特的太阳能吸热方式，大大提高太阳能的吸热效率和减少了集热面积，而且浅层地热能-太阳能互补利用，使系统始终保持高效节能运转，制热能效比在1：

4以上。

“多用途节能型热泵孵化机”已经获得国家实用新型专利（专利号；

ZL03246721.4），与电热孵化系统相比节能50%以上。

5.3技术研发及实际应用情况

2004年12月广西大学科学技术研究重点项目“地源热泵-太阳能复合型节能环保冷热源系统的研究和开发”立项。

2004年5月广西大学与广东工业大学签订了关于“地源热泵复合型节能环保冷热源系统”项目合作研究协议和应用工程合作协议。

2005年1月广西大学与广东工业大学签定了“共建广东工业大学地源热泵实验室”合作研究协议并挂牌成立，2005年5月实验室已安装地源热泵-冷却塔混合型空调-热水系统和实验测试系统并投入运行工作。

2005年7月两校“地源热泵技术研究开发”合作被列为九加二泛珠江三角洲的区域合作，由两校校长于在广州签定。

2005年两校合作申报了广州市科技攻关引导项目“地源热泵－太阳能－冷却塔耦合型节能环保联供系统”并获得立项。

2006年8月由两校共建的地源热泵实验室实施广东工业大学龙洞校区学生公寓的太阳能+地源热泵系统示范工程（改造原有的太阳能+燃油锅炉热水系统），现工程已安装完毕，正在调试运行，试运行效果表明系统技术可行，有效实现了两种可再生能源的互补利用。

目前广西大学和广东工业大学根据南方土壤和气候实际，已形成了一套由土壤换热器（同时可灵活组合冷却塔、太阳能集热器）、热泵机组、控制系统等科学集成的工程系统技术。

拥有富水土壤换热器垂直浅埋管技术、自然能源优化互补利用技术、夏季工况热量多级分流技术、自动控制等多项自主创新技术。

不需抽取地下水、因地制宜、设计灵活，避免了过度取热形成冻土或排热量过大形成干燥土壤所引起的新的生态环境失衡等种种弊端。

真正体现了可再生能源良性的、生态的合理利用。

广西大学和广东工业大学已在两广地区实施了近二十项地源热泵、空气源热泵工程，已实施的典型工程概况见表2。

主要技术特点及优势如下：

（1）充分利用南方富水土壤的传热优势，换热效率高根据南方亚热带及温带地区土壤特性：

地下水位高，土壤含水量丰富、液相对流传热起重要作用等，提出相应的土壤换热器设计理论和方法，实施土壤换热器垂直U型管的浅埋方式。

经实际运行测试表明：

富水土壤垂直U型管的换热器采用浅埋方式行之有效，在埋管深度比常规大大减少的情况下（约减少50%），仍获得换热效率明显高于我国北方地区在干性土壤实施工程的效果。

范例工程——南宁市三中的地源热泵系统，在埋管深度＜32米时，获得＞60w/m的换热量；

地源热泵机组制热水工况的性能系数＞4.5，系统制热性能系数达4.0。

制热水与电锅炉比节能70%以上。

因此，根据该项目技术的优势，项目产品的主要覆盖范围为南方亚热带地区，并可依靠广西的区位优势扩展到东南亚一带。

（2）充分利用南方暖气候优势，自然能源互补利用南方常年需要生活热水，本项目技术充分利用亚热带及温带地区暖气候优势，系统热源侧采用垂直管浅埋方式的土壤换热器并灵活组合冷却塔、太阳能集热器等。

制热供暖工况采用土壤热源与空气热源间歇或互补运行方式，避免了国内一些地源热泵系统由于过度取热，运行一段时间后出现效率下降的问题。

在空调供冷和供热水的冷热联供工况下，采取二次能源利用、热量多级分流技术，利用部分空调废热制热水，可显著降低土壤换热器的散热负荷，综合能效比达1：

7以上。

这样，根据全年冷热动态负荷来智能控制及合理匹配系统，不但可有效平衡浅层土壤的冷热负荷，解决南方冷负荷大于热负荷问题，而且可减少系统地下埋管换热长度30%以上。

（3）空调工况热量多级分流，能源利用率高南方夏季冷负荷大，制冷所需的埋地盘管长度要远大于加热所需的盘管长度。

本技术采取热量多级分流技术方案，将制冷产生的热量用于制热水、向土壤和冷却塔散热，空调工况制热水不耗能，大大提高了能源利用率，并减少了制冷所需的埋地盘管长度，降低了系统的初期投资。

（4）工程投资成本低由于富水土壤可以采用垂直埋管的浅埋技术方案和独特的回填方式，显著降低了土壤换热器的成本，大大降低了实施难度，扩大了市场的可容纳程度；

系统匹配功率低，例如南宁市三中2500多人的学生公寓，其地源热泵热水系统运行匹配功率小于60KW，不到原来设计电热水锅炉功率的1/10，大大减少了电扩容投资。

因此，工程投资可比国内同类技术减少10%以上。

（5）运行成本低由于综合采用上述多项技术，系统节能效果突出，系统投资通常能在2-3年内从节省的能源开支中回收，以后便进入低成本运行状态，用户满意认可。

（6）一机多用、自动化控制程度高系统集成程度高，一套系统实现了供热水、采暖和供冷多重功效。

系统运行参数实时数字显示，可随时根据需要进行调整和监控，而且配置远程控制接口，可实现远程控制，利于最佳能耗自动控制。

（7）系统稳定可靠、技术成熟实施的系统有多个已连续运行几年，有的长达4年，反复经历了春、夏、秋、冬四季各种气候条件和多种工况的考验，均能满足生活热水、采暖及供冷的需要。

运行效果证明该系统技术成熟。

（8）环保性好系统不抽取地下水，不存在影响地下水源和破坏地层结构的问题；

没有向大气排热、排冷和排烟等污染问题，真正的绿色环保能源利用。

6、两广地区地源热泵技术应用实例

6.1土壤换热器与冷却塔并联的冷热联供混合型地源热泵系统

土壤换热器与冷却塔并联形成了3种运行模式：

当环境温度低于一定温度时，使用1＃水泵，混合型地源热泵系统的低温热源主要是土壤热源，主要原因是环境温度太低冷却塔无法正常工作；

当环境温度高于一定温度时，使用2＃水泵，单独使用冷却塔吸收空气中的热量，这时冷却塔的换热效率高于土壤换热器。

当温度处于一定范围之内时可以同时利用土壤热源和空气热源，可以减少和防止土壤换热器由于过度取热而导致系统性能下降。

系统夏季每天供应50℃左右的生活热水约65吨，冬季每天供应生活热水量约为110吨。

系统于2003年元月开始运行，经历了三年多春、夏、秋、冬四季连续运行，系统一直能保持高效运行，满足学生公寓的生活热水需要。

同时，还能实现部分房间的冬季供暖和夏季供冷。

夏季实现冷热联供，即利用制热水产生的冷量给部分房间供冷，实现能源二次利用，综合能效比大于1：

7。

6.2土壤源与空气源并联的混合型地源热泵系统

系统由一台热泵机组组成，热泵机组的额定功率各为5.4KW，制冷剂为R22；

循环水泵的额定功率为0.75KW；

土壤换热器采用U型垂直埋管方式，材料为PPR管φ20ｍｍ×

4ｍ；

钻井平均深度为23.87ｍ，地下水位为6m，总钻井埋深为405.8ｍ。

土壤源和空气源并联组成三种运行方式：

当环境温度低于一定温度时，混合型地源热泵系统的低温热源主要是土壤热源，此时采用土壤源的制热能效比高于空气源；

当环境温度高于一定温度时，空气源的换热效率高于土壤换热器，所以单独使用风扇吸收空气中的热量；

当环境温度处在一定范围之内时，可以同时综合利用土壤热源和空气热源。

这样可以防止或减少出现土壤换热器由于过度取热而导致系统性能下降的现象。

系统于2004年9月5日开始运行，经历了春、夏、秋、冬四季，连续两年多的运行，均能保持稳定高效运行，满足该栋公寓学生的生活热水需要。

6.3太阳能-冷却塔耦合型地源热泵系统

采用土壤换热器与太阳能（或冷却塔）耦合方式，系统主要由热泵机组、太阳能集热器、冷却塔保温水箱等组成，通过自动控制系统，可根据情况选择多热源或单热源，有效地实现了太阳能和浅层地热能两种可再生能源的互补利用。

热泵机组的额定功率为8.2KW，制冷剂为R22。

土壤热器采用U型垂直埋管方式，材料为PPR管φ20ｍｍ×

4ｍ，平均钻井深度为28.67ｍ，地下水位为4.5m，土质基本为细质沙土，含水量极为丰富。

土壤换热器总钻井埋管深度为401.38ｍ。

该系统充分利用了南方太阳日照充沛、暖气候（采用冷却塔吸热）和富水土壤的优势，能保证全年不同气候条件下稳定的高换热效率（COP＞4.0）。

7.国家的相关政策

国家大力提倡和鼓励可再生、可持续发展能源—地热的发展利用，相继出台了一系列法规和政策。

《中华人民共和国节约能源法》第四条规定：

“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”，而地源热泵所使用的地热能正是属于可再生能源。

建设部《民用建筑节能管理规定》第四条规定：

“国家鼓励发展太阳能、地热等可再生能源的应用技术和设备”。

国家经贸委《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》指出：

“积极推广地热采暖和地热发电技术”，“加快地源热泵技术的引进和开发，加速国产化。

要大力开拓地热采暖市场，到2005、2010、2015年地热采暖面积分别达到1500万、2250万、3000万平方米。

要积极推动地热的综合利用”。

夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ134—2001，J116—2001）第6.0.7条：

具备有地面水资源（如江河、湖水等），有适合水资源热泵运行温度的废水等水源条件时，居住建筑采暖、空调设备宜采用水源热泵。

当采用地下井水为水源时，应确保有回灌措施，确保水源不被污染，并应符合当地有关规定；

具备可供地热源热泵机组埋管用的土壤面积时，宜采用埋管式地热源热泵。

《建设部建筑节能“十五”计划纲要》中明确指出“十五”期间建筑节能工作的重点之一是：

“大力推进太阳能、河水、湖水、海水与地下能源及其他可再生能源在建筑中利用的工作。

建设部关于贯彻《国务院关于加强节能工作的决定》的实施意见（建科[2006]231号）指出“到“十一五”期末，太阳能、浅层地能等可再生能源应用面积占新建建筑面积比例