地源热泵空调系统项目建议书15页.docx
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地源热泵空调系统项目建议书15页
“地源热泵空调系统”项目立项建议书
一、技术开发项目背景
《中国“十一五”能源发展规划》把优化能源结构作为能源的重中之重，中国必须在21世纪前20年实现能源消费结构以煤为主到以天然气为主的跨跃，实施以开发地热能、风力、太阳能为主的可再生能源战略。
必须通过实施可再生能源和新能源高技术产业化专项，提高可再生能源和新能源产业的技术创新能力，推动我国可再生能源和新能源技术及相关产业持续、快速、健康发展。
在世界各国的一次能源消费中，建筑耗能、工业耗能和交通运输耗能是主要的三大方面。
建筑能耗在社会总能耗中的比例较大，发达国家的建筑用能一般占到全国总能耗的30%-40%，中国的建筑用能也占到全国总能耗的18％左右，而且逐年上升。
在这样的背景下，提出地热利用新方式或地热利用新途径—地源热泵技术是非常必要的、适时的。
江西省科学院能源所提出了“地源热泵空调系统”项目属于国家鼓励和支持的研究方向，符合国家有关产业技术政策。
在国家大力开展节能减排工作的形势下，江西省科学院能源所充分利用原有热泵技术研发优势，提出了针对江西地区研发具有节能和环保特性的“地源热泵空调系统”项目。
该项目是一套集热泵技术、夏季蓄冷、冬季蓄热技术和地下换热技术有机合理地结合为一体的复合式能源系统，是暖通空调领域内的一次革命性的技术创新。
该项目研究针对江西地区的地表热能或浅层地热能的传热特性，采用U型竖直埋管或同轴套管地热换热器技术，运行参数合理，解决了冷热负荷不平衡问题、U型支管间热回流问题以及地下渗流等问题。
系统制冷期间能效比在3.0～3.5范围内，比传统的空气源热泵效率高30%~40%，具有传统空调系统所无法比拟的高效节能、环保清洁、便于管理、节省占地空间以及舒适等优点。
二、国内外相关技术现状与发展趋势
地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，而地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。
进入20世纪90年代，地源热泵的应用和发展进入了一个新的阶段。
目前，地源热泵在欧美的热泵装置市场占有份额大约是3%，每年报道的地源热泵实际应用工程项目和研究报告不断增加。
1993年成立了国际地源热泵协会（IGSHPA）。
1996年该协会专门推出了专门报道地源热泵研究的期刊和网上杂志。
地源热泵开始应用于大型的商业建筑，其制冷量也从几冷吨到几千冷吨不等。
GSHPs在美国应用最多的是学校和办公楼。
1998年美国商业建筑中地源热泵系统己占空调总量的19%，据地源热泵协会统计，目前美国有600多所学校使用地源热泵系统，美国在2000年地源热泵占地热能直接利用的58.6％，一年提供3334GWh能量。
欧美一些国家的高校和研究机构相继开展了理论和应用研究，具有代表性的有:
Oklahoma州立大学、OakRidge国家实验室、Louisana州立大学、Brookhaven国家实验室等。
此时地源热泵的基础研究、产品开发和应用推广齐头并进，并制定出相应的行业标准。
早在上个世纪50年代，我国就已经开始空气源热泵方面的研究工作，但地源热泵的发展则比较缓慢。
在国家自然科学基金委员会的资助下，自90年代初期以来，国内也已开始了对地源热泵的探索性研究。
青岛建筑工程学院、重庆建筑工程学院、同济大学、湖南大学等单位均对地源热泵技术进行了实验研究。
在地源热泵系统中，地热换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时也是该项技术研究的核心和应用的基础。
现有的地热换热器设计方法大都基于美国和欧洲对地热换热器的试验研究。
由于缺乏对地热换热器在土壤中复杂的传热、传质综合传递过程的深入研究，使得这些结论只适用于某一具体实验系统，所提供的基础数据较少而不能作为设计的依据。
多年来我国在地源热泵研究方面一直处于理论探讨阶段，对地源热泵的应用技术研究还不完善，尤其是对地热换热器的设计、安装、运行及测试的研究几乎是空白。
这在很大程度上制约了该项技术的推广应用。
三、前期开发情况和基础
江西省科学院能源研究所长期从事新能源与节能技术研究与开发，从90年代初承担了省重点科技项目“热泵热水器的研制”，就开始了对热泵系统的深入研究，96年完成省重点科技项目“农副产品热泵烘烤系统研究”，1997年我所承担了江西省自然科学基金项目“新型干燥热泵系统动态模拟与实验研究”，是我省最早从事热泵应用研究的科研单位。
2003年我所组织科研团队对地源热泵空调系统进行研究，并将理论研究成果用于实际工程设计与施工，取得了较好的成效。
今年，江西省科学院能源研究所将采用自有的地源热泵技术建立地源热泵空调系统实验研究平台，系统采用地源热泵系统，重点开展对地源热泵空调系统的研究和地源热泵系统的节能检测工作，通过实验研究分析，提高该技术的先进性、环保性、节能性。
在实验研究的基础上，江西省科学院能源研究所和江西能环科技有限责任公司利用地源热泵技术在赣州建立示范工程，以验证地源热泵系统系实际运行节能效果和经济、环境效益。
该工程建筑面积8000平方米，拟投资320万元，地源热泵机组为夏季空调系统提供7℃冷冻水，回水温度12℃，冬季为供暖系统提供45℃热水，回水温度40℃，生活热水温度为48～55℃，各项设计均满足饭店的需要。
四、开发内容，包括关键技术和工艺
研制开发地源热泵供热制冷系统及在建筑环境中的应用，从技术研制、开发到产品、从应用示范到推广，形成实用化的高新技术，带动相关产业的发展。
地源热泵技术是一项多学科知识的结合，它包括土壤环境学、钻探、制冷与暖通空调、建筑材料学等。
根据目前已有的实例分析，影响地源热泵系统性能的因素有很多方面，其关键技术是地下换热器的优化设计、新型换热器的研发、大地温度场研究、土壤热物性与回填材料的研发和供暖/制冷系统的合理配置。
1、项目的主要研究内容
（1）分析江西地区近地表温度的影响因素，通过温度传感器对大地温度进行测量，对实测数据进行理论分析，总结出江西地区地下80米左右的大地温度场初始温度分布规律，为地源热泵系统设计奠定基础。
（2）开发地源热泵设计软件，分析比较单U、双U等类型地下换热器的运行特点，重点研发新型地下换热器—同轴套管式换热器，从理论上建立同轴套管换热器的运行模型，分析换热器传热特点，并对温度场进行了数值模拟。
（3）通过回填材料室内实验，寻求高性能回填材料，重点对三类回填材料（膨润土、砂、水泥）进行实际工程应用研究并探索回填工艺，从而保证地下换热器传热性能，并提高地源热泵整个系统运行效率。
（4）在收集、分析和整理资料的基础上，结合江西地区的特点，瞄准地源热泵系统研究的国际前沿问题，建立综合型多功能地源热泵实验室，为研究不同类型地下换热器、地源热泵运行对大地温度场的影响、地源热泵系统与其它辅助供暖方式联合系统、室内末端等问题提供基础。
（5）对整个实验台的建设进行经济性评价，进行地源热泵系统的能耗分析，并与普通供暖方式进行比较，对同轴套管换热器与其它换热器进行成本分析，对地源热泵系统在以江西地区为主的的应用前景进行分析。
2、关键技术
地源热泵空调系统的关键技术在于地下换热部分的优化设计。
在能源井的设计中我们采用单U、双U或同轴套管的形式，换热器运行方式灵活，每个换热器既可联合运行又可独立运行。
同时采用不同配方回填材料做性能对比研究，寻求良好的导热性能。
地下换热器材料使用PE80制作，保证能源井使用寿命达50年以上。
能源井埋管图如下：
3、技术方案、工艺
a.技术原理
地源热泵的制冷供暖系统主要由三部分组成：
（1）地下换热器部分，
（2）设备机房内的热泵机组部分，（3）室内末端的风机盘管或地板辐射采暖部分。
本方案末端采用风机盘管系统。
地下换热器中流体在地下循环过程中通过管壁与周围土壤换热，在流经热泵机组的换热器时与换热器另一侧的制冷剂换热，然后再回到地下与土壤换热，完成一个循环；地上末端风机盘管中的流体在流经热泵机组的另一个换热器时与换热器另一侧的制冷剂换热，然后回到风机盘管机组中。
通过循环作用后返回风机盘管中的流体加热（制冷）新风，从而产生热（冷）风送至房间内，达到供热和制冷的目的。
技术原理如下图。
地源热泵空调系统技术原理图
b.方案选取
采用环保节能的地源热泵技术，在地下土壤层中埋入U型管或同轴套管集热器，冬季收集土壤中低位能量，通过热泵机组将低位能量转化为高位能量，供给末端采暖使用；夏季利用热泵机组将室内热量转移至地下土壤中，达到空调制冷的目的，同时在土壤中蓄存能量供冬季使用。
由于地下土壤温度常年保持在18℃左右，冬季比室外空气温度高，夏季比室外空气温度低，因此地源热泵系统具有比空气源热泵及其他供暖空调系统更高的效率，运行费用较低。
c.方案设计
根据建筑物总冷负荷，选取地源热泵机组，机组应可提供40-45℃的热水，夏季热泵机组可提供7-12℃的冷冻水。
系统的运行方面，夏季采用全热回收方式提供50℃生活热水，制备生活热水结束后，冷却水路切换到地下换热器。
冬季采用全热回收方式提供50℃生活热水。
如果末端热负荷较大，也可以使用机组进行供暖补充。
过渡季节采用全热回收方式提供50℃生活热水。
d.地下热交换器（能源井）设计
地下热交换器采用垂直竖井布置，布置方案如下图。
地下热交换器埋管采用的管径为32mm，管内流速控制在1.22m/s以下，竖井深度采用80m，U型管竖井间距水平间距为5m，地下换热器在地下2米之下完成连接，所以地面上可以正常绿化，或者铺设道路。
能源井的连接形式采取串联或并联，示意图如下。
设计的同轴套管的结构图如下。
能源井布置方案图
U型管串、并联连接示意图
同轴套管结构图
e.工艺流程
项目开发的工艺流程图如下。
主要有室外地热能量采集系统、末端释放系统、能量提升系统。
五、开发项目完成时间、预期达到的技术水平和目标
本项目从立项到完成需1年半时间。
项目建设的准备和设计工作从2008年6月，开始预期到2009年底完成全部建设和开发工作。
本项目由江西省科学院能源研究所及江西能环科技有限责任公司采用自主研发的地源热泵空调技术，在省内建设第一个达到国内领先技术水平的地源热泵空调系统研发平台。
项目建成后，通过建立实验研究平台和示范工程案例的开展，对地源热泵空调系统研制、改造、工艺、匹配和完善控制技术等进行全方位的研究和分析，开发出经济、节能、环保的地源热泵技术，满足多样化的市场需求。
项目的实施在我们这样一个缺能的省份具有非常重要的意义，有助于带动节能技术产业在我省的发展，开创地源热泵技术推广应用的新局面。
六、开发项目组织实施方案
本项目采用自主开发的方式，由江西省科学院能源研究所负责实施，包括项目平台建设、设备选型、安装和调试等。
利用本项目的建设，建立一个高水平的地源热泵实验平台，整个实验平台分为4个主要组成部分：
室外换热器系统、热泵机组系统、室内循环系统和系统测量控制部分。
该平台为研究地源热泵系统各个方面提供了实验条件，并保留与太阳能等其它联动方式的接口，有利于借助现代化的测试手段，采用理论与实验相结合的研究方法重点研究地表热能或浅层地热能的传热特性问题，以最终解决采用适量的高品位能达到最大限度地利用可再生能源满足生态建筑需求这一关键问题。
七、开发项目总投资及资金来源
地源热泵空调系统研发项目总投资500万元，其中研发测试平台投入经费180万元，示范工程投入经费320万元，项目由江西省科学院能源所和江西能环科技有限责任公司自筹经费380万元，用于购置检测设备和实验室仪器、实验平台和示范工程建设。
同时申请政府节能补助经费120万元，用于对地源热泵空调系统实验平台建设。
八、申请省补助资金的主要理由
地源热泵由于其突出的节能效益和环保功能，并已随着近年来我国能源供应形势严峻，环境污染越来越具有普遍性，地源热泵技术作为解决这两个问题的有效可靠手段之一，必然会受到越来越多的重视，更需要政府加大对地源热泵研究与产业化的投入，并在政策上给予扶持。
项目的成功实施将大大有利于我省实现节能减排的目标。
项目所需研制开发经费预算合理，希望能得到省里的大力扶持。
本项目所开发的“地源热泵空调系统”系自主创新的科技成果，技术水平高，适用面广，通过江西省支持项目完成后可以在南方地区进行推广。
九、开发项目的经济效益、环境效益和社会效益
地源热泵技术属可再生能源利用技术，它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。
同时地源热泵技术也属经济有效的节能技术。
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。
另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
（1）直接经济效益
以燃油、燃气炉的总转化效率按80%计算,分别使用燃油、燃气和热泵产生700kWh的热量,供暖的成本分别为205.2元，204.25元和90元，热泵成本价格仅为燃油或燃气的44%左右。
另外,水源热泵机组可一机两用,兼顾夏季空调,提高了设备的利用率,降低了空调系统的设备初投资。
由于机组在夏季空调的运行时间比冬季调峰供暖的运行时间长，因此可以把水源热泵初投资的50%甚至60%以上计入夏季空调系统的投资概算中去，投资的经济性得以提高。
（2）间接经济效益
地热水源热泵与锅炉供暖相比,所产生间接效益的差别是不容忽视的。
在效益分析中,由于锅炉及配套设备所占用土地、运输、出渣、排放烟气及灰尘处理等在计算成本时受多种主、客观因素所限,很难以统一尺度进行衡量,被视为间接效益。
与热泵调峰供热相比,燃煤锅炉要留有储煤、存渣场地、运输通道。
粗略估算其占地面积相当于一个地热站的5倍。
如果是燃油锅炉,要有配套的储油罐,除了要占用一部分空间以外,增加了管理上的难度。
虽然燃气锅炉清洁、占地面积小,但运行成本之高,目前在供热市场还很难全面推广。
（3）环境效益分析
地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。
该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，具有明显的环境效益和社会效益。
若以100kW压缩式热泵为例,如果水源热泵的供热系统COP=3,则100kW的热泵机组,可获得相当于300kW的热能,比直接用电加热水所获得的热能少消耗200kW的电。
对于节约下来的200kW电能,降低了火力发电的燃气消耗和二氧化碳排放量,对环境极为有利。
（4）社会效益
与该项目的社会效益好，符合国家的产业政策。
传统的家用空调制冷系统相比，地源热泵是最节能并且对环境最没有污染的一种选择，如果全国大范围的使用地源热泵系统，将能够显著地节约能源和减少污染。
十、市场前景分析
地源热泵供暖空调节能技术是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的新型高效环保节能技术，代表着节能型中央空调的发展趋势，它的产业化前景是一片光明的。
政策导向是产业发展最好的动力，地源热泵产业释放出的巨大能量，使投身产业链上下游的诸多企业纷纷从中受益。
目前国内多座城市已经推广使用此产品，北京就于2006年6月5日印发《关于发展热泵系统的指导意见》的通知，通知鼓励发展地源热泵等可再生能源的热泵系统，并且政府每年给予投资支持和补助；内蒙古呼和浩特、山东滨州等地把地源热泵作为重点推广项目；建设部将重庆市列为地表水热泵技术示范城市，重庆正在计划利用长江水为冷、热源为全市一亿平方米的建筑提供能量；2007年6月份，《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》明确提出要“推进风能、太阳能、地热能、水电、沼气、生物质能利用以及可再生能源与建筑一体化的科研、开发和建设”。
另外，上海也出台了地源热泵国家补贴政策。
山东省也出台了推广的地源热泵空调技术，还有湖北、福建、浙江、黑龙江、山西等地均在推广此技术。
2008年北京奥运会主体育场鸟巢”也使用了地源热泵技术，从土壤中吸收能量，用于补偿体育场空调系统等，上海世博会也将整体采用地源热泵技术。
天津、长沙、青岛、杭州等城市也将地源热泵空调系统做重点推广，其他省区也都在不同程度地推广地源热泵技术。
地源热泵市场空间超过10亿元，并以多年20％的速度在增长。
我们有理由相信，在充分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，在各级政府的有力支持下，中国的科技界与企业界携手共进，依靠自己的力量完全有能力在不长的时间内开拓出具有中国特色的地源热泵产业。
地源热泵也必将以其技术上的优势和节能、环保、可持续发展的优点倍受人们的重视和青睐。
可以预计，地源热泵技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术，它的市场前景将会是广阔的。
十一、项目承担单位的基本情况
江西省科学院能源研究所成立于1980年，是一个以节能与环保为主要方向的开发型研究所。
研究所下设环保技术研究室、工业节能研究室、江西能环科技有限责任公司。
现有职工57人，其中专业技术人员44人（高级技术职务18人）。
目前主要研究开发方向为：
能源系统工程及节能新技术产品、环境治理工程、环保新技术和新产品等。
江西省科学院能源研究所从建所以来，在新能源、节能技术及产品开发、环保技术和环境治理工程等方面开展了大量科研工作，拥有较为完善的实验装备和先进的检测手段。
20年来，共完成国家及省重点科技项目60余项，开发节能新产品10多项，承担20余项环保治理工程的设计任务，获省部科技进步奖9项，专利8项。
获国家环保局颁发的“乙级环境污染防治工程设计证书”和“建设项目环境影响评价资格证书”、江西省环境治理资质证书，为国家重点科技成果推广项目的技术依托单位。
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