地源热泵技术与应用实例--2006.doc

中国可再生能源和新能源产业化高端论坛-2006地源热泵技术与存在的问题地源热泵技术与存在的问题天津塘沽地热试验研究中心 蔡建新一、地源热泵概述一、地源热泵概述1 1 、地源热泵系统形式和名称、地源热泵系统形式和名称通常根据热泵的热源（heat source）和热汇（heat sink） （冷源）的不同， 主要分成三类：空气源热泵系统 ( air-source heat pump) ASHP水源热泵系统 (water- source heat pump) WSHP地源热泵系统 (ground- source heat pump)GSHP平时还有人把热泵系统按照一次和二次介质的不同，分别叫做：空气---水热泵系统水 --- 空气热泵系统水 --- 水热泵系统空气---空气热泵系统这些都是把热源、热汇以及空调系统的传递介质也包括进来分类形成的为了和国际标准接轨，我们还是应该依照国际惯例来命名在 1997 年由美 国的 ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）统一了标准术语，无论是 WSHP、GSHP 都叫做 GSHP--地源热泵系统另外，为了让我们在学习和讨论中更方便，介绍一些地源热泵室外能量交 换系统的概念：土壤埋管系统----土壤换热器（水平埋管、竖直埋管）地下水系统 地表水系统这些都是地源热泵的热源或热汇形式。

（具体参见下图）中国可再生能源和新能源产业化高端论坛-20062 2 、地源热泵发展历程、地源热泵发展历程最早提出来利用浅层地热能概念（即地源热泵概念）是 1912 年瑞士 Zoelly 工程师，并申请了专利直到二战后的 1948 年，Zoelly 的技术才开始 被人们重视和关注，开始了大量的理论研究但真正开始应用是在 70 年代能源 危机开始之后因为能源和环境问题日益严重，人们更重视低温浅层地热能作 为能源的地源热泵系统的应用和实践国内的热泵研究起步于上世纪 50 年代天津大学的热能所是最早开展热泵 方面技术研究的单位所以说天津大学在这方面是有传统的，也有很深的底蕴 并且现在也有兴趣和实力来进一步发展这项领域的工作包括天大地热中心的 地热尾水热泵方面的推广工作、热能系前些年所作的地下水源热泵方面的探索 工程等1960 年代陆续研制出了热泵式空调机，1965 年天大与天津冷气机厂研 制成国内第一台水冷式热泵空调机这可就是现在意义上的地源热泵了1980 年代地矿部门和空调专家又开始研究利用井水进行蓄冷和蓄热，这也是现今叫 做地源热泵系统的能源交换系统的前身那么到现在，从天大 1965 年诞生水水热泵空调将近 40 年之后，大家才对 热泵系统又热衷起来，是因为目前经济发展的阶段又遇到了新的能源问题。

比 如 10 年前，大家不会对热泵技术有兴趣，那时候买煤才几十元一吨，而电又很 紧缺，要交增容费，要交电贴费，还要限制用电量现在煤价一涨再涨，而且 因为环保的要求会受限制使用，不能随便建燃煤锅炉，并且现在我们也都提高 了环保意识，烧煤污染大气、形成酸雨也污染环境关键在于我国因经济迅速 规模发展，而能源利用率偏低，化石燃料消耗巨增2005 年石油消费达 2.86 亿吨，预计到 2020 年预计达到 4.8 亿吨所以能够减少污染排放，并且大大提 高一次能源利用效率的地源热泵技术自然倍受推荐1998 年是地源热泵技术的又一个阶段性的标志之前国内着重于地源热泵 试验，进行小型、短期的模拟试验，没有实际的空调工程之后随着实验装置 的建立，通过试验开始理论模型的创建研究国内最早的地源热泵工程实践是 1989 年上海闵行经济开发区办公楼，其技术和设备是由美国提供的在水源热 泵的应用方面塘沽地热试验研究中心在 1999 年建设了利用地热尾水做为热泵的 低温热源，对供暖系统进行调峰的水源热泵系统3 3 、国内外地源热泵应用现状、国内外地源热泵应用现状2000 年美国地源热泵就安装了 35 万台地源热泵机组。

中国可再生能源和新能源产业化高端论坛-20062000 年世界地源热泵利用情况国家总装机容量 （MW）年利用能量 （TJ/a）供热量（Gwh/a）实际台数当当量台数 （12kw 为 1 台计）澳大利亚2457.61620002000奥地利2281094303.91900019000保加利亚13.316245161108加拿大360891247.53000030000法国4825570.81204000德国3441149319.21800028667冰岛4205.63333日本3.96417.8323323立陶宛21598.8166.3131750波兰26.2108.330.140002183瑞典37741281146.85500031417瑞士50019805502100041667美国4800120003333.6350000400000从上表的数据显示出美国地源热泵的力度最大，各项指标都超过了世界上 其他国家的利用规模美国在 1997 年时安装 12kw 地源热泵 4 万台，2000 年时达 40 万台，预计 在 2010 年达到年安装 150 万台水平，其主要应用领域是学校和办公楼。

国内的地源热泵发展主要是从 2000 年开始，并且仍是以地下水源采灌方式 为主，以地下埋管形势做为热源和热汇的热泵系统形式，近两年开始增长较快， 并且也出现了应用于较大建筑规模的实例，比如北京中石化党校（50000m2建筑） ，华能小汤山培训中心（20000 m2建筑）等二、地源热泵原理及其特点二、地源热泵原理及其特点中国可再生能源和新能源产业化高端论坛-20061 1 、地源热泵原理、地源热泵原理地源热泵的原理与普通热泵原理相同，只是为热泵提供的热源或热汇尤其 独特性，是利用自然界中的水、土壤等能汇集地下热能，太阳能等的自然介质 中存储的热源和热汇膨胀阀压缩机低温热源膨胀阀高温侧循环水热泵原理图如果建筑附近有可利用的湖、海或水池，并且水温合适（10℃--20℃）利 用地表水系统是最节能，最经济的夏季冷凝器吸热后的冷却水经管道进湖、 海或水池，利用温度较低的地表来散热；冬季吸收海、湖或池内水的热量，用 作热泵的低温热源，经热泵汇集后升温传递给室内采暖利用地表水的地源热 泵系统，最适宜的区域是我国的黄河以南到长江、珠江流域的夏热冬冷地区地下水系统一般采用开放的循环系统地下井水经热泵吸热后（冬季放热） 向地下深井中放热（冬季吸热） 。

地下水系统适用于地下水丰富的地区地下水 的温度常年稳定，基本不受外界气温影响，可以让热泵机组高效运行对于地表水和地下水源缺乏以及地下水开采受限制的地区，土壤埋管系统 将是最佳选择将管道埋于地下浅层土壤中，循环水经水管与地下土壤进行热 交换，夏季土壤作为热汇吸收热量，冬季作为热源为热泵机组提供热量水平 埋管通常用于浅层埋设，开控技术要求不高，但换热能力相对较小，占地面积 大；垂直 U 型埋管换热能力强，可占相对较小土地面积北方地区因冬季采暖 需热量大，通常需采用垂直埋管方式2 2 、地源热泵特点、地源热泵特点A A、地源热泵是清洁的可再生能源利用技术、地源热泵是清洁的可再生能源利用技术地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器，同时地球深部的热能也会 通过地表向大气层散失人类每年消耗的全部能量，只是地表吸收和散发的太 阳能和地热能的极小的一部分地表能量被利用后，可由太阳能和地球深部传 导上来的热量很快平衡，不会对自然界的能量系统造成不良影响因此浅层地 表能量是一个取之不尽的可再生清洁能源库中国可再生能源和新能源产业化高端论坛-2006B B、是高效节能的技术、是高效节能的技术热泵本身的制热效率就比较高。

因为热泵产生的热主要不是因燃烧或电加 热而直接产生的热量，而是从低温热源中转移过来的热量我们可以通过一次 能源利用率来说明热泵的高效率我们定义某能量装置的能源利用系数为 EE = 装置的制热量/消耗的初级能量假设热泵消耗的的能量是电，火力发电的效率为 0.35，输配电的效率是 0.95 则热泵 E 值为：E = 0.35*0.95*cop（cop 为热泵的制热性系数）热泵供热时与传统的供热方式 E 值相当的 cop 值传统供热方式的 E 值与传统供热方式 E 值相当的 cop 值小型锅炉 E=0.51.50小型锅炉房 E=0.651.95集中供热锅炉房 E=0.742.23热电联产 E=0.882.64我们知道一般现在高效热泵的 cop 都能达到 3.5—4 以上，由此可以看出， 热泵在利用一次能源（燃煤）的总体效率上，比效率最高的热电联产 E=0.88 的 效率还要高，达到：E = 0.35×0.95×4 = 1.33也就是说如果利用热泵来制热，它利用一次能源的效率已超过了 100%达到 133%也就是说，燃烧 1 吨煤能得到 1.33 吨煤的能量这还不是高效节能的热 能利用技术吗？此外地源热泵的土壤换热器、地下水、地表水作为热源或热汇，冬季在制 热运行时，地下水温比环境温度高，使水源热泵的蒸发温度，比其他类型比如 风冷热泵的蒸发温度大大提高，且没有化霜操作，所以能效比提高很多，至少 在 40%以上；夏季制冷时由于地下水，地表水温度比环境气温低，冷凝压力降 低，压缩机输入功率减小，使制冷性能比风冷或冷却塔式制冷机组有较大提高。

大量测试数据表明，由此导致的机组效率提高，节能 20%以上风冷热泵效率 低与地源热泵相比差距大最节能的风冷空调能耗比也只有 2.8而地源热泵 夏季空调时的最低能耗比也在 4 以上中国可再生能源和新能源产业化高端论坛-2006C C、环境保护、环境保护地源热泵抽取地表水或地下水，并保证 100%地下水回灌，甚至不抽取地下 水（土壤换热器） ，对环境不产生破坏作用热泵以电为驱动力，运行时不直接 产生对环境的有害污染，而大规模火力发电则已有成熟的技术降低或治理污染 物排放,(如果是水电或核电污染更低)因此 地源热泵系统具有相当好的环境 保护效果D D、一机多用运行稳定可靠、一机多用运行稳定可靠地源热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水，对于同时需求供暖、供冷的 建筑，地源热泵一套系统就可同时解决，节省了建筑的配套建设费用和配套设 施占用面积另外地表水，地下水和浅层地温的变化范围远小于环境气温的变化范围， 使地源热泵全年运行稳定，再配合热泵系统自动化程度高，保证了地源热泵采 暖、空调系统比传统的采暖、空调系统具有更高的安全性E E、应用市场广泛，适用性强、应用市场广泛，适用性强1)、我国绝大数地域属于夏热冬冷的地区，对建筑采暖用热和空调用冷均 可统一于地源热泵系统，尤其对于办公或商务建筑，基本都要求集中空调空调 系统。

采用地源热泵既解决了采暖又解决了空调，一举两得采用地源热泵系 统还有两个优点：在建筑附近利用周围附属面积（道路、草地、停车场等）解决本身能 量需求，不给已经繁重不堪的市政公用系统增加负担 （配套集中供热 热源管网等）办公建筑具有白天需要采暖空调，夜晚基本无人工作的特点，不必像 普通集中供热建筑那样支付全天 24 小时的供热和空调费用，灵活方便， 节能率更高2)、建筑能耗所占能源消耗比例越来越大，发达国家比例达到 40-45%,我 国已达到 35%而建筑能耗可以利用温度较低的低品质能量，因此将地源热泵 系统在建筑采暖空调领域利用最具经济性、合理性三、工程应用案例三、工程应用案例几年来，天津京津塘地热科技开发有限公司设计、施工了不少地源热泵空 调项目下面简单给大家介绍一下1 1、天津开发区海滨大道发展有限公司办公楼（、天津开发区海滨大道发展有限公司办公楼（20022002））原始设计参数： 建筑面积：2400 平米 设计热负荷：189 kw 设计冷负荷：236 kw中国可再生能源和新能源产业化高端论坛-2006海滨大道有限公司机房土壤换热器：设计孔深；100 米 设计孔数：40 热泵机组：西亚特 LWP900 1 台制冷：254 kw 制热：。