地源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀和工程實(shí)踐

地源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀和工程實(shí)踐發(fā)展歷史工作原理優(yōu)勢(shì)局限示范案例地源熱泵的發(fā)展歷史國(guó)際上發(fā)展歷史和現(xiàn)狀美國(guó)1946年，美國(guó)第一臺(tái)地源熱泵系統(tǒng)在俄勒岡州的波蘭特市中心區(qū)安裝成功。1994年，美國(guó)政府第一套地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在俄勒岡州國(guó)會(huì)大學(xué)安裝，地源熱泵從此在美國(guó)政府，軍隊(duì)，電力公司等得到了大量應(yīng)用。1998年，美國(guó)環(huán)保署（EPA）頒布法規(guī)，要求在全國(guó)聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)的建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)。美國(guó)前總統(tǒng)布什在他的得克薩斯州宅邸中安裝了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。目前，全球75%的地源熱泵系統(tǒng)安裝在北美地區(qū)。歐洲和日本

瑞士、挪威：是世界上地源熱泵應(yīng)用人均比例最高的國(guó)家，應(yīng)用比例高達(dá)96%奧地利：應(yīng)用比例為45％丹麥：應(yīng)用比例為35％日本：是亞洲地源熱泵技術(shù)最先進(jìn)，使用比例最高的國(guó)家我國(guó)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀1990年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)高校和研究院所開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)研究。1996年，遼寧遼陽(yáng)市建設(shè)了兩棟住宅建筑的地源熱泵系統(tǒng)，建筑面積5萬(wàn)平米。1997年，作為中美能效合作的重要部分，建設(shè)了三個(gè)地源熱泵示范工程。2000年開(kāi)始，北京、山東開(kāi)始建設(shè)示范工程。2005年，地源熱泵被建設(shè)部列為十大先進(jìn)技術(shù)之一。2005年11月，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB50366-2005)發(fā)布。2006前，前期準(zhǔn)備國(guó)家財(cái)政部和建設(shè)部負(fù)責(zé)，資助了300多個(gè)項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目資助額度最高達(dá)到2000萬(wàn)元積累經(jīng)驗(yàn)，為示范推廣打下基礎(chǔ)2006-2008，示范項(xiàng)目項(xiàng)目名稱：可再生能源建筑應(yīng)用城市示范 可再生能源建筑應(yīng)用農(nóng)村地區(qū)示范技術(shù)類型：地源熱泵，太陽(yáng)能光熱補(bǔ)助額度：5000-8000萬(wàn)元/城市1000-1800萬(wàn)元/縣實(shí)施目標(biāo)：通過(guò)政府引導(dǎo)的方式，建設(shè)示范項(xiàng)目，建立長(zhǎng)效發(fā)展機(jī)制，逐步引進(jìn)各類資本投入節(jié)能減排事業(yè)

2009-2011，示范城市和示范縣按照國(guó)家的計(jì)劃，在城市（縣）示范，積累經(jīng)驗(yàn)后，將在全國(guó)逐步強(qiáng)制性推廣。2011后，逐步強(qiáng)制性進(jìn)行序號(hào)地點(diǎn)面積總數(shù)（萬(wàn)平方米）項(xiàng)目個(gè)數(shù)（個(gè)）1山東18196212河北7822923北京7233264江蘇6882235遼寧3991786河南3601567黑龍江2581008陜西217649新疆2004710天津1809811山西1504312浙江1326613湖南1259414湖北1225215吉林1087716內(nèi)蒙古1064417上海843618四川834319安徽783820廣西70272010年全國(guó)各地地源熱泵項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)國(guó)家鼓勵(lì)的原因地源熱泵投資較高，但是能耗低，運(yùn)行費(fèi)大量節(jié)省。表明地源熱泵技術(shù)從長(zhǎng)期來(lái)看對(duì)國(guó)家：節(jié)能減排重要貢獻(xiàn)對(duì)用戶：壽命周期費(fèi)用節(jié)省我省發(fā)展歷史和現(xiàn)狀入選國(guó)家可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙市婦幼保健院地源熱泵工程 萬(wàn)國(guó)城MOMA地源熱泵工程湘潭：城市中心區(qū)水源熱泵工程株洲：金域半島地源熱泵工程 圣馬可商場(chǎng)地源熱泵工程

入選國(guó)家可再生能源建筑應(yīng)用示范城市和示范縣城市：株洲、長(zhǎng)沙、懷化、湘潭、常德縣：衡東、炎陵、石門、津市、湘鄉(xiāng)、韶山、汨羅、澧縣

延伸：長(zhǎng)沙市入選國(guó)家節(jié)能減排財(cái)政政策綜合示范城市全國(guó)共八個(gè)城市，從一下六個(gè)方面建設(shè)示范： 產(chǎn)業(yè)低碳化交通清潔化建筑綠色化服務(wù)業(yè)集約化 主要污染物減量化可再生能源和新能源利用規(guī)?；?/p>

項(xiàng)目進(jìn)展情況

2009年調(diào)查情況總攬

1999年第一個(gè)項(xiàng)目已建地水源熱泵中央空調(diào)項(xiàng)目154個(gè)，面積140.71萬(wàn)m2；在建地埋管項(xiàng)目有12個(gè)，面積26.21萬(wàn)m2

項(xiàng)目面積總計(jì)為166.92萬(wàn)m2。年度發(fā)展

建筑類型序號(hào)建筑類型數(shù)目/個(gè)面積/m21酒店賓館715780632會(huì)所、休閑、餐廳221282003醫(yī)院91639004商場(chǎng)121745005辦公274944126辦公工廠2160007廠房4190008辦公+住宅3765009住宅（別墅）151066410學(xué)校1800011總數(shù)1661669239地域

序號(hào)地區(qū)項(xiàng)目地下水地表水地埋管匯總1長(zhǎng)沙個(gè)數(shù)41822面積㎡1188411649352837762株洲個(gè)數(shù)347面積㎡74001189631263633湘潭個(gè)數(shù)165324面積㎡11810010090024600243600序號(hào)地區(qū)項(xiàng)目地下水地表水地埋管匯總4衡陽(yáng)個(gè)數(shù)44面積㎡77000770005岳陽(yáng)個(gè)數(shù)11面積㎡350035006益陽(yáng)個(gè)數(shù)3131面積㎡1360001360007常德個(gè)數(shù)3838面積㎡4278004278008婁底個(gè)數(shù)0面積㎡09永州個(gè)數(shù)11面積㎡100001000010郴州個(gè)數(shù)66面積㎡645006450011邵陽(yáng)個(gè)數(shù)0面積㎡012懷化個(gè)數(shù)9110面積㎡532006005380013張家界個(gè)數(shù)121114面積㎡1691002200030019140014湘西個(gè)數(shù)718面積㎡295002200051500技術(shù)類型政策和科研

2009年以來(lái)，省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳將地源熱泵為主要內(nèi)容的可再生能源建筑應(yīng)用作為重點(diǎn)工作2010，2011年省科技廳兩年立項(xiàng)重大專項(xiàng)對(duì)本領(lǐng)域進(jìn)行支持長(zhǎng)沙、株洲等示范城市主要領(lǐng)導(dǎo)高度重視湖南大學(xué)創(chuàng)辦了“建筑節(jié)能技術(shù)與工程”戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)；開(kāi)展“可持續(xù)建筑技術(shù)”教育湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院開(kāi)設(shè)“建筑節(jié)能工程”方向地源熱泵的工作原理可再生能源：地球表面的太陽(yáng)能，生物質(zhì)能，風(fēng)能，潮汐能淺層地能:地表100米以內(nèi)的能源，表現(xiàn)在常年穩(wěn)定的溫度太陽(yáng)：地球能量的來(lái)源不可再生能源：很久以前的太陽(yáng)能存儲(chǔ)形式我國(guó)淺層地能達(dá)1.5萬(wàn)億千瓦；我國(guó)目前發(fā)電裝機(jī)容量４億千瓦過(guò)去，人們只重視對(duì)深層地?zé)崮艿拈_(kāi)采忽略了開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮埽脕?lái)滿足建筑物對(duì)低品位能源的需求，用于：采暖空調(diào)熱水供應(yīng)利用該能源的設(shè)備稱為“地源熱泵”淺層地?zé)崮?/p>

地源熱泵加熱游泳池越冬養(yǎng)殖采暖、空調(diào)、生活熱水熱泵與水泵水泵:把水從低處運(yùn)送到高處熱泵:把熱量從低溫物體搬運(yùn)到高溫物體用１千瓦的電驅(qū)動(dòng)熱泵后，可以將4千瓦左右的淺層地能“搬運(yùn)”到房間空氣中或者熱水中——能效比COP=4

熱泵的種類熱泵技術(shù)空氣源熱泵地源熱泵地下水源熱泵地表水源熱泵（包括污水/海水源）地埋管(土壤源)地源熱泵冬季（制取熱水時(shí)）把地能中的熱量“取”出來(lái)，供給室內(nèi)空氣（熱水），此時(shí)地能為“熱源”。夏季把室內(nèi)空氣中的熱量取出來(lái)，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地能為“冷源”（熱匯）。冬季夏季地源熱泵系統(tǒng)的定性理解地源熱泵系統(tǒng)的組成室外地能換熱系統(tǒng)地源熱泵機(jī)組建筑物采暖、空調(diào)或熱水末端水循環(huán)水或空氣循環(huán)土壤地表水地下水污水空氣源熱泵：夏天從室內(nèi)向室外空氣中排出熱量，空氣35-40度 冬天從室外空氣吸取熱量到室內(nèi)，空氣0度左右地源熱泵：夏天從室內(nèi)向土壤中排出熱量，土壤20度左右 冬天從土壤吸取熱量到室內(nèi)，土壤20度左右熱泵的溫差越小，相當(dāng)于水泵的高差越小，越節(jié)能這是地源熱泵節(jié)能的原因地源熱泵節(jié)能的定性理解地源熱泵的概念辨析-是不是中央空調(diào)地源熱泵技術(shù)是一種利用淺層地能熱資源的既可提供空調(diào)又可提供采暖和生活熱水的高效節(jié)能空調(diào)技術(shù)。地源熱泵是一種中央空調(diào)（熱水）技術(shù)。原理上不同在于常規(guī)中央空調(diào)是將熱量排入空氣（空調(diào)），或者從空氣中吸熱（采暖或者熱水供應(yīng)）。實(shí)施中不同在于室外地能換熱系統(tǒng)（地埋管，地下水或者地表水）的設(shè)計(jì)施工以及空調(diào)（熱水）主機(jī)工況不同引起的變化。其他方面和常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)相同。

一般來(lái)說(shuō)，地源熱泵是一種電驅(qū)動(dòng)的空調(diào)（熱水）技術(shù)。燃?xì)怛?qū)動(dòng)或者太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的空調(diào)熱水系統(tǒng)原則上也能采用淺層地能，但一般不用LEEDCASBEE中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是采用可再生能源的一種方式地源熱泵的概念辨析-是不是可再生能源土壤地表水地下水造價(jià)最高（增加30-50%），穩(wěn)定性最好。造價(jià)適中（增加10-20%），水量要保證，必須回灌。造價(jià)最低（增加10%左右），受水文氣候參數(shù)影響大。地源熱泵的種類和特征地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工流程（以地埋管地源熱泵為例）室外地能換熱系統(tǒng)地源熱泵機(jī)組建筑物采暖、空調(diào)或熱水末端水循環(huán)水或空氣循環(huán)土壤地表水地下水污水GB50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(2009版)

地埋管地源熱泵室外打井埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工流程設(shè)計(jì)：

試驗(yàn)井——熱物性試驗(yàn)——確定井深井距和井?dāng)?shù)

施工：井位放線——鉆孔——垂直下管——垂直鉆孔灌漿——水平溝槽開(kāi)挖——水平管敷設(shè)——垂直管與水平管連接——試壓——回填設(shè)計(jì)及準(zhǔn)備試驗(yàn)井 確定現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，為可行性和鉆井提供基礎(chǔ)；為熱物性試驗(yàn)提供條件熱物性試驗(yàn) 為確定井深和井?dāng)?shù)提供基礎(chǔ)埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定井深、井距、井?dāng)?shù)、管道連接方式

施工

鉆孔鉆孔鉆孔垂直下管垂直下管垂直鉆孔灌漿水平溝槽開(kāi)挖水平管敷設(shè)垂直管與水平管連接垂直管與水平管連接試壓地源熱泵的施工回填地源熱泵的優(yōu)勢(shì)、局限和風(fēng)險(xiǎn)1kW的電力3kW的熱量來(lái)自于淺層地?zé)崮?kW的熱量供應(yīng)給用戶比空氣源熱泵節(jié)能30%比燃油鍋爐采暖節(jié)能50％比電采暖節(jié)能70%

地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)可再生能源：利用淺層地?zé)崮茏鳛槔錈嵩?，?shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供節(jié)能：性能系數(shù)高，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用30～50％；環(huán)保：取消鍋爐，減少熱污染；一機(jī)多用：一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三種用途，節(jié)省建筑空間性能穩(wěn)定：溫度波動(dòng)小，不受環(huán)境影響美觀：無(wú)室外機(jī)，不影響建筑外觀地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)地源熱泵系統(tǒng)的限制因素需要有合適的地質(zhì)條件（地埋管）或者水文條件需要有一定的空間埋設(shè)埋管系統(tǒng)初投資較高（打井、埋管等）施工要求較高，需要專業(yè)施工隊(duì)伍和設(shè)備冷熱負(fù)荷平衡的問(wèn)題（對(duì)生態(tài)和效率的影響）地源熱泵系統(tǒng)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)地埋管地質(zhì)情況不清，或者熱物性測(cè)試不準(zhǔn)，導(dǎo)致埋管不能滿足系統(tǒng)要求埋管和接管質(zhì)量不好，導(dǎo)致廢井，最后不能滿足系統(tǒng)要求或者效率低下冬夏冷熱不平衡，長(zhǎng)期使用后地溫升高（降低），導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低地表水地表水提供冷熱量預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，導(dǎo)致水源提供的冷熱量不能滿足系統(tǒng)要求地表水溫變化，導(dǎo)致影響生態(tài)環(huán)境管道穿越河堤，導(dǎo)致影響防洪地下水水量預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，導(dǎo)致水源提供的冷熱量不能滿足系統(tǒng)要求回灌不到位，影響未來(lái)地下水量和生態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)分析初投資比較初投資比常規(guī)中央空調(diào)增加10%～50%增加打井費(fèi)用無(wú)冷卻水塔和冷卻水系統(tǒng)無(wú)鍋爐和鍋爐房無(wú)入網(wǎng)費(fèi)（天燃?xì)狻⒊鞘袩崃W(wǎng)）無(wú)儲(chǔ)油罐安全費(fèi)運(yùn)行費(fèi)用比較夏季制冷：節(jié)約費(fèi)用＞20%夏季采用熱回收，可免費(fèi)提供生活熱水冬季制熱時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用相當(dāng)于燃?xì)?、燃油鍋爐的50%左右全年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約40％左右地源熱泵與傳統(tǒng)中央空調(diào)的比較地源熱泵傳統(tǒng)中央空調(diào)＋鍋爐初投資北方：200～250元/m2南方：300～350元/m2北方：150～200元/m2南方：200～250元/m2年運(yùn)行費(fèi)用北方：35～40元/m2南方：50～55元/m2北方：60～65元/m2南方：80～85元/m2回收期北方：2～3年南方：3～4年地源熱泵的示范案例地埋管熱泵南京朗詩(shī)大型住宅區(qū)，空調(diào)采暖空調(diào)面積22萬(wàn)平米已經(jīng)建設(shè)68115平米埋于樁基中的地埋管型式有U型或W型，共計(jì)有效利用樁孔環(huán)路885個(gè)另外，在室外補(bǔ)孔302個(gè)，間距5米，鉆孔深度60米。北京當(dāng)代萬(wàn)國(guó)城住宅和綜合，總建筑面積約22萬(wàn)平米大型住宅區(qū)采用地源熱泵空調(diào)+熱回收生活熱水的系統(tǒng)；由于地處北京市核心地帶，沒(méi)有場(chǎng)地，因此將土壤換熱器設(shè)置在車庫(kù)底板下，共計(jì)635組雙U換熱管，埋深100米。地源熱泵機(jī)組夏季的排熱由土壤換熱器和冷卻塔完成；冬季取熱源由土壤換熱器實(shí)現(xiàn)。北京用友軟件園廠房、辦公和住宅空調(diào)面積：16萬(wàn)平米空調(diào)采暖和熱水供應(yīng)616孔，120m深韶山德盛賓館賓館空調(diào)采暖空調(diào)面積2.3萬(wàn)平米485孔，50米深湖南大學(xué)天馬學(xué)生公寓學(xué)生生活熱水學(xué)生4000余人108孔，60米深

詳細(xì)案例：長(zhǎng)沙長(zhǎng)大?彩虹都地源熱泵供應(yīng)面積：辦公樓：1.72萬(wàn)m27#住宅：2.54萬(wàn)m2合計(jì)：4.26萬(wàn)m2空調(diào)采暖負(fù)荷：冷負(fù)荷：2588kW熱負(fù)荷：1600kW

地質(zhì)和回填土條件（經(jīng)試驗(yàn)井測(cè)試）原始土壤溫度：19.8℃土壤導(dǎo)熱系數(shù)：K=2.153W/m.k土壤比熱容：C=2250KJ/m3.K回填料：以水泥砂漿為主要基料，添加少量石英砂、膨潤(rùn)土地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)：冬季制熱總負(fù)荷鉆井直徑:130mm數(shù)量:700口有效深度:60m間距:5×5m換熱管：?jiǎn)蜺，De32地源熱泵專用PE管

冷熱源機(jī)組選型

DRSW-400-2一臺(tái)，制冷COP5.71，制熱COP5.01DRSW-150-1-QH一臺(tái)，制冷COP5.83，制熱COP5.14RSW-170-1一臺(tái)，制冷COP5.16地下溫度場(chǎng)模擬采用TRNSYS動(dòng)態(tài)仿真軟件

建立地埋管地下傳熱模型

對(duì)土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬

預(yù)測(cè)未來(lái)土壤溫度的變化

圖1模型系統(tǒng)圖圖2運(yùn)行1年的情況圖3運(yùn)行10年的情況圖4運(yùn)行30年的情況模擬分析結(jié)論

30年時(shí)，地溫平均值呈周期性變化，在15-22℃之間波動(dòng)夏季地埋管出水溫度可保持28℃以下，冬季工況地埋管出水溫度可保持在12℃以上可滿足地源熱泵機(jī)組常年正常運(yùn)行要求

經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析初投資總投資：2147萬(wàn)元地埋管換熱器投資：630萬(wàn)元室內(nèi)末端空調(diào)工程投資：852萬(wàn)元機(jī)房投資：665萬(wàn)元投資回收期項(xiàng)目總增量成本：870萬(wàn)元單位面積增量成本：204元/m2

年節(jié)約運(yùn)營(yíng)費(fèi)用：162.53萬(wàn)元投資回收期：5.35年環(huán)境效益分析節(jié)約標(biāo)煤1490噸/年減少CO2排量4031噸/年，減少SO2排量35.2噸/年，減少NOX30.2噸/年，減少煙塵排量14.7噸/年地表水源熱泵南京鼓樓外包產(chǎn)業(yè)