地源热泵应用概况

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1、地源热泵应用概况1. 地源热泵应用概况地源热泵（GSHPS）是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热 源和热汇的系统，即地下耦合热泵系统（ground-coupled heat pump systems, GCHPS），也叫 地下热交换器地源热泵系统（ground heat exchanger）;地下水热泵系统groundwater heat pumps, GWHPS）;地表水热泵系统（surface water heat pumps, SWHPS）1.1 国外发展情况 地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能，因此被称之为：一项以节能和环保为特征 的 21 世纪的技术。这项起始

2、于 1912 年的技术（瑞士提出的一个专利，该技术的应用始于英、 美两国），美国从1946年开始对GSHP系统进行了十二个主要项目的研究，如地下盘管的 结构形式、结构参数、管材对热泵性能的影响等。并在俄勒冈州的波特兰市中心区安装了美 国第一台地源热泵系统。特别是近十年来地源热泵在欧美工业发达国家取得了迅速的发展，已成为一项成熟的应 用技术。到2000年底，美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用， 每年约提供800011000Gwh的终端能量。地源热源在工程上的应用主要为地下耦合热泵系统（GCHPS）和地下水热泵系统 （GWHPS）、地表水热泵系统（SWHPS）。1.2 国内

3、发展应用情况1.2.1 能源消费现状 到2040年，我国一次能源的总消费量将达38.6亿吨标准煤，是现在能源消费量的3倍。而到本世纪末，国内每年最多可供应的一次能源生产量为32亿吨标准煤。因此，我国今后 较长期的能源消费年均增长率应控制在2.5%左右，直到2040年能源消费实现零增长目标。我国已探明的能源总体储量，煤炭储量约占世界储量的11%，原油占2.4%，天然气仅 占 1.2%，我国人口约占世界人口的 20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我国 是煤炭大国，但世界七大煤炭大国中其余六国的的储量比都在200年以上，只有我国的储量 不足百年。石油的储量比为四十年，并且中国石油、天然气的

4、平均丰度值也仅为世界平均水 平的 57%和 45%。面对如此严峻的能源形势，国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并 重，因此，地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。1.2.2 地源热泵应用情况 地源热泵空调系统的设计，主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统的设计；二是地源热泵空调系统的地下部分的设计，即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地表水热 泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系统的设计。地下耦合热泵系统最早应用在89年10月投入运行的上海闵行开发区办公楼（4305m2, 冷负荷4532KW，热负荷231KW），其技术和设备均由美国提供

5、，使用情况良好。135个深35 米的垂直竖管井,埋管为聚丁烯管。国内的大专院校均进行了相关的垂直或水平埋地管的 试验研究和小型的工程应用,并建立了地埋管的传热模型。各地的地质条件不同，土壤的温 度和热物性参数都不一样，因此，地下耦合热泵的应用还有待进一步的实验验证和实验数据 的积累。地表水热泵系统：地表水温度受气候的影响较大,与空气源热泵类似,武汉东湖等浅水性 湖泊夏季水温高于湿球温度，无利用价值，冬季水温略高于气温，可用作热源水。实测数据 表明宁波奉化江水7M深31.2C，珠江底层31.8C，江水热污染很厉害，利用价值不大。可 利用长江水作为地表水热泵系统的热源，但冬季江水水位很低，从取水的

6、经济性及防洪角度 考虑，实际利用还是极难的。地下水热泵系统：综合上述情况可以看到，目前在我国来说，技术上比较成熟、利用可 行性较大、实施的工程项目较多的还是地下水热泵系统。目前国内生产水源热泵机组的厂家 也已达到二、三十家。因为国内还没有颁布水源热泵机组的生产技术标准，国内厂家生产的 产品质量差别较大，从有些厂家的产品样本来看，技术参数不完整、不准确。因为很多生产 厂家没有实测手段，采用水源热泵机组所需要的很多数据不能提供，甚至不排除某些技术力 量差的厂家根本就没有弄清楚水源热泵机组和常规冷水机组的技术差异，直接就拿常规冷水 机组来作为水源热泵机组推销到市场。目前就笔者所接触到的厂家来看，只有

7、一家国外公司 能够提供专用电脑软件选型数据，可以根据设计工况选择合理和可信的机组配置和各种性能 数据。2 地源热泵在武汉地区的应用2.1 地下水源热泵工程实例2.1.1 地下水源热泵在湖北工程应用最早的一家是位于荆州沙市的法雷奥汽车空调有限 公司，采用的是西亚特LWP180CX545KW）螺杆水一水热泵机组2台,LGP350 台（110KW）, 总制冷量是1200Kw，供应一个车间（5000m2）和办公部分（900m2）,因取水量的限制取 水井为一口 50m3/h的井，制冷时另加一台冷却塔进行补充。制热时因车间本身设备散热量 较大，一口井取水完全能够满足供暖需要。夏季井水18.5C，冬季17.

8、8C。2000年9月开 始运行。2.1.2位于汉口循礼门的天与地音乐城，建筑面积5000m2,采用的是意大利克莱门特活塞 式水源热泵机组WRHH1202两台，总制冷量是720Kw,总制热量是750Kw（其中供暖450Kw， 利用热回收系统供生活热水300Kw）。打两口井，一抽一灌，回灌在90%左右，井深47m， 冬季出水20.5C，取水量60m3/h。冬季运行机组升温很快，2小时不到机组供水温度即可 达到45C以上。2002年6月开始运行。2.1.3 武汉凌云科技集团综合厂房，总建筑面积 11000m2, 其中 4000m2 办公， 7000m2 生产厂房。选用法国西亚特螺杆式水源热泵机组LW

9、P2500二台，总制冷量1440Kw，制热 量1900Kw，打井4 口，每台机组2 口，一抽一灌。2002年10月开始运行。2.1.4汉口香港路香榭里花园4万米2,总制冷量3200Kw，总制热量2500Kw。设计选 用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH2702三台，制冷时冷冻水7/12C，地下水18/32C； 制热时供暖水40/50C，地下水18/8C。打井由武汉地质工程勘察院承担，每口井取水量 80m3/h, 先打试验井，一抽一灌，取得实验数据，进行详细周密的计算和水文地质分析。设 计三口取水井，五口回灌井，每口井回灌 60%，分析计算认为三口井同时抽水，五口井同 时回灌时，场地南侧地水

10、水位有不到1m的下降，其它部位下降均小于0.5m；南侧的地面 沉降有1cm，其它部位地面沉降小于0.5cm；大部分场地的不均匀沉降小于0.2%，不致于 对地质构成不良性的影响和影响建筑物的正常使用。 2002年11月开始运行。2.1.5汉口东西湖武汉航达公司厂房综合楼，建筑面积18000米2，采用克莱门特螺杆水 源热泵机组BE/SRHH2702两台，设计六口取水井，六口回灌井，每口井取水量20m3/h。2003 年 9 月开始运行。2.1.6汉口百步亭花园小区综合楼，建筑面积21000米2，采用西亚特螺杆式水冷冷水机 组LWP2800一台，螺杆式水源热泵机组LWP1400两台，涡旋式水源热泵机

11、组LGP100 一台， 冰球配置105 m3。本工程是由冰蓄冷系统和水源热泵系统合而为一的独特的空调系统具有 削峰填谷和节能环保的双重意义。 2004年11月开始运行。2.1.7 湖北大学图书馆，建筑面积 42000 米 2，采用克莱门特螺杆水源热泵机组BE/SRHH3602三台，总制冷量3850KW,总供热量3100KW。设计三口取水井，六口回灌井， 每口井取水量120m3/h。根据场地条件尽量拉大取水井的间距，在部分负荷状态下，尽可能用 足地下水温差,减少用水量。2004 年11月开始运行。 2.1.8汉口福星惠誉办公综合楼，建筑面积10000米 2 。采用西亚特公司螺杆式水源热泵机组LW

12、P1800两台。总制冷量1090KW,总供热量850KW。设计两口取水井，四口回灌井， 每口井取水量 80m3/h。 2003 年 11 月开始运行。2.1.9湖北警官学院图书馆、体育馆，建筑面积20000米2 。采用克莱门特螺杆水源热 泵机组BE/SRHH2702两台，总制冷量2300KW,总供热量1600KW。设计两口取水井，四口 回灌井，每口井取水量 80m3/h。湖北警官学院学生食堂，建筑面积 12000 米 2 。采用克莱门特螺杆水源热泵机组 BE/SRHH2702两台，总制冷量2300KW,总供热量1600KW。设计两口取水井，四口回灌井， 每口井取水量80m3/h。2004年7月

13、开始运行。2.2 地下耦合热泵工程实例2.2.1 省公安厅驾校办公大楼，建筑面积 5000 米 2，采用克莱门特螺杆地源热泵机组 WRHH0802两台，总制冷量520KW,总供热量370KW。利用室外场地进行垂直埋管,共打孔 220个，间距4X4M,孔内共埋设U型PE换热管10000米，孔深30米。2002年11月开始运行。2.2.2清江花园小区共有两栋小高层住宅，总建筑面积38000米2，采用克莱门特螺杆地 源热泵机组WRHH0802两台，总制冷量1560KW,总供热量1000KW。利用小区中心花园下 地下车库底部进行垂直埋管，共打孔220个，间距4X3.5M,孔内共埋设U型PE换热管280

14、00 米,孔深在65-70米之间,中间以回填材料填实。 2004年6月开始运行。3 地源热泵设计中应重视的几个问题3.1 水源和取水许可 使用水源热泵的前提是必须有可供采取的充足的地下水源，汉口情况较好，地下水呈面状分布，径流缓慢，补给充足；武昌、汉阳就要根据具体情况掌握，地下水分布图可找权威 的水文技术行政部门了解咨询。有了水源以后，必须向水行政主管部门（水务局水资源管理处）申报，申报时必须有权 威部门的地下水开采和回灌设计报告，得到批复后还必须缴交水资源使用费（生活用 0.02 元/米3，工业用0.03元/米3）。申报时还必须附上第三方确认，特别是取水井邻近城市重大 基础设施和重点工程时。

15、3.2 取水和回灌 从上面香榭里花园的水文地质分析和计算结果可以看出，只取水不进行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是极不负责任的行为，都会造成这项利国利民的好事以人人谈之色 变的恶名而夭折。并且这种不负责任的行为造成的损失是无法挽回的，天津唐沽地下水过量 开采，导致海水渗透进去，对生态造成严重破坏；西安由于地下水过量开采，导致大雁塔倾 斜近1M,并且形成十三条纵、横向裂缝，长达50公里，钟楼下陷135mm。华北地区形成 4 万平方公里的华北大漏斗。武汉地区的地下水开采和回灌都是极为有利的， 46米左右，不回灌没有理由。 3.3水源热泵机组能效比问题现在有很多厂家出于商业竞争的需要，极力夸大

16、水源热泵节能、省钱效果，盲目提高所 谓机组的能效比（有的机组COP值达到5.3甚至到6）,实际上热泵机组活塞机COP在3.84.2 左右，螺杆机在 4.04.6 左右，水源热泵机最多在此基础上提高 10%，充其量到 5。而且单 纯宣扬机组的COP值有多高也没有任何的实际意义，应该是谈整个水源热泵系统的能效比， 美国制冷学会（ARI）评定“地下水源热泵”采用的就是水源热泵系统的能效比，制冷工况时， 地下水源热泵系统的能效比（EER）=冷负荷/井泵功率+环路功率+水源热泵功率；制热工况 时，地下水源热泵系统的性能系数（COP）=热负荷/井泵功率+环路功率+水源热泵功率。在 设计水源热泵系统时，应尽

17、量加大地下水的利用温差，减少地下水的使用量，在较小的地下 水用量和最佳的水源热泵机组工况的优化组合下才能达到最高的水源热泵系统的使用能效 比。3.4地表水水源热泵机组的换热问题热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环两种不同的形式。开式循环是用水泵抽 取地表水在热泵的换热器中换热后再排入水体。但在水质较差时换热器中易产生污垢，降低 换热效果，严重时甚至影响系统的正常运行。因而地表水热泵系统一般采用闭路循环，即把 多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免因水质不良引起的 污垢和腐蚀问题。由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低 时热泵的供热量越小

18、，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷 与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水 体中生态环境有无影响目前还未见到明确结论，必要时应预先加以考虑。深水湖在夏季会产 生温度的分层，湖底保持较低的温度；冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。从目前的实 际工程情况来看，自然形成的浅水性湖泊受外界气候或热污染影响较大，人工深水湖(水库) 是可以提供给热泵使用的较好的地表水体资源。3.5地下耦合热泵机组的换热问题地下耦合热泵系统换热器为一个由地下埋管组成的地热换热器 (geothermal heat exchanger,或ground hea

19、t exchanger)。地热换热器主要有水平埋管和竖直埋管两种设置形式。 水平埋管形式是在地面开12米深的沟，每个沟中埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形 式是在地层中钻直径为0.10.15 m的钻孔或利用管桩，在钻孔或管桩中设置1组(2根)或 2组(4根)U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40200m。现场可用的地表面积 是选择地热换热器形式的决定性因素，因此一般采用节省土地面积的竖直埋管地热换热器。 地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热 负荷的情况作详细的计算才能确定。设置地热换热器的主要费用是钻孔的费用，正确设计地 热换热器埋管的长度对

20、于保证系统的性能和经济性十分重要。在有条件时可以结合建筑桩基 形式利用桩孔进行埋管设置，可省去大量的钻孔费用，施工也极为方便快捷。4 结束语地源热泵空调系统在我国是一项新的技术，它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技 术，需要通过相关专业技术人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能 使系统达到要求的节能、环保性能。近几年在全国各地已经有大量工程投入使用，应该积极 对实际运行经验进行总结，以其使地源热泵这项利国利民的可再生能源利用技术得到健康有 序的发展。参考文献1. 殷平.地源热泵在中国C.见：现代空调(3).北京：中国建筑工业出版社，2001： 1-82. 秦红，文远高，张文

21、华空调系统的地表水利用及其节能和环境影响分析C.见：全 国暖通空调制冷1998年学术文集.北京：中国建筑工业出版社， 1998： 322-3263. 陈焰华，祁传斌，茅贵文等.武汉地区水源热泵系统应用前景分析C.见：暖通空调 新技术(4) .北京：中国建筑工业出版社， 2002 ： 33-364. 郁松涛，王付立，张子平.武汉清江花园空调设计A.见：高层建筑空调设计实例 北京：机械工业出版社， 20055. 徐伟等译，地源热泵工程技术指南M.北京：中国建筑工业出版社，20016. 刁乃仁，方肇洪地源热泵-建筑节能新技术J.建筑热能通风空调，2004, 23(3):18-23武汉地源热泵政府大力

22、支持武汉作为我国“四大火炉”之一，夏季高温高湿，“热岛效应”突出；冬季 湿冷难耐，“冷湖效应”显著，全年制冷、采暖期长达240 天左右。随着经济的 发展，生活质量的提高，人们对空气环境温湿度的要求也越来越高。地源热泵是 一种新型的节能技术，通过热泵技术将地下高位能源向建筑能耗转移，可以减少 40%-60%的建筑能耗，对节能建筑的推广十分有利。因此，应用地源热泵技术， 一体化地解决夏季供冷、冬季采暖及生活卫生热水问题，是武汉社会发展的需求。武汉作为我国四大火炉之一，夏季高温高湿，热岛效应突出；冬季湿冷 难耐，冷湖效应显著，全年制冷、采暖期长达 240 天左右。随着经济的发展， 生活质量的提高，人

23、们对空气环境温湿度的要求也越来越高。地源热泵是一种新 型的节能技术，通过热泵技术将地下高位能源向建筑能耗转移，可以减少 40%-60%的建筑能耗，对节能建筑的推广十分有利。因此，应用地源热泵技术， 一体化地解决夏季供冷、冬季采暖及生活卫生热水问题，是武汉社会发展的需求。 武汉市地处平原，江河纵横，湖泊众多，地下水年可开采量达 4.58 亿立方米。 地下水常年保持在18C-19C,是很好的地源热泵载体，资源优势明显。在武汉， 地源热泵空调与常规集中供热系统投入相当，但后期运营成本可节约 40，一 套 100 平方米的房子，全天 24 小时开空调、供应热水，每月的电费只需 200 元。 除此之外，

24、地源热泵空调还可以有效的降低建筑能耗，缓解天然气供应压力，减 少城市热岛效应。而且武汉地区一直处理比较尴尬的地理位置，一方面高温湿热， 在夏天拥有南方的纬度；另一方面，冬季阴冷潮湿且时间较长，但没有集中的政 策，所以武汉家庭冷暖系统一直处于被动的局面。直到最近几年，一些独立制冷 /热系统才出现，家用中央空调、等冷热设备的出现让武汉家庭多了一份选择。 地源热泵的到来无疑将武汉家居生活提升至另一个高度。从08年北京奥运会开 始，中国似乎开始特别关注绿色节能这样环保的字眼。而在2009年末，一 部从中国爆发的灾难片2012让人不免有些紧迫感，对环境的忧患意识随着哥 本哈根气候大会的到来变得异常强烈。

25、许多产品、技术还有政策多多少少会和 节能环保联系起来，发展节能技术几乎成为一种全民运动。建筑节能技术的推广， 武汉政府更是不遗余力。在这场节能风波中，武汉在节能减排的呼声中脱颖而出： 被批准为全国可再生能源应用示范城市。武汉市因此获得了国家专项补贴 8000 万元大力发展地源热泵等项目，是补贴金额最高的城市之一。按照国家要求，地 方要按同样比例与国家补贴配套就是说武汉市将有 1.6 亿元补贴到地源热泵等可再生能源利用项目中。这 1.6 亿元按每平方米15 元-50 元不同级别补助， 可以惠及建筑项目约 576 万平方米。目前，武汉政府正在加强地源热泵中央空调 技术投入，大力发展地源热泵项目。武

26、汉市还设立了建筑节能专项资金，对购置 并实际使用符合国家规定的地源热泵空调系统等专用设备的企业，按投资额的 10%从企业当年的纳 税额中抵免，而且规定发展地源热泵空调系统的建筑单位可 申请减免水资源费。武汉现在已经拥有多项地源热泵空调工程：武汉三大火车站 均采用了地源热泵技术；另外还有省国土资源厅资料馆、湖北大学图书馆、湖北 警官学院图书馆体育馆、湖北省公安厅驾校办公大楼、武汉市美术馆、中南剧场 等等一些地源热泵空调大工程；而家用地源热泵空调应用案例则更是数不胜数， 天梨豪园、东方夏威夷、F天下山水别墅、梦湖香郡、航宇香格里拉等私人别墅 区也成为武汉不少地源热泵案例中的一部分，可见武汉地源热泵空调已经开始全 面进入百姓家庭。热泵项目的推进以及武汉市民生活水平的提高，将有更多的人 采用这种先进节能的地源热泵空调系统实现制冷、采暖、生活热水三位一体的家 居享受。