浅层地热在重庆市应用的前景分析

建设部：长江流域可再生能源在建筑中应用规划研究浅层地热在重庆市应用的前景分析*甘玉凤1付祥钊1王勇1樊燕21重庆大学城环学院，重庆4000452中国建筑设计研究院，北京100044[摘要]通过对重庆市浅地层地热能源的调查以及建筑发展状况的分析，得到了重庆市应用地源热泵的应用前景。建立了浅地层地热能源的计算方法，通过该方法计算得到重庆市未来十年里规划节能总量。根据重庆市既有建筑和新建建筑的可利用的浅层地热能资源密度分析，确定了重庆市各地区建筑浅层地热能节能率，为重庆市地源热泵的推广提供了基础数据。[关键词]地源热泵节能量节能率0引言地源热泵技术是当前世界上最先进的供暖制冷新技术。它利用浅层常温地热能解决供暖制冷问题，属于可再生能源利用技术。它有三大优点，一是节能比其他常规供暖技术可节能50-60%;二是环保不排放任何废弃物;三是运行费用低，可降低30-70%。是供暖制冷领域解决污染节能问题的重要技术选择。至今地源热泵技术已成为供暖制冷领域利用可再生能源实现节能、环保、供热费用低廉的主要技术手段[1]。地源热泵是最经济的节能环保型中央空调系统。它是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，进行能量转换的供暖制冷空调系统[2]。重庆市作为主要发展地源热泵的地区，目前已经运行的项目有：重庆地源热泵技术在国内位居前列。重庆市已有渝中区化龙桥项目B3/01地块、开县人民医院业务综合楼、珠江·太阳城和南江水文地质工程地质队集资楼四个项目入选国家级可再生能源建筑应用示范工程，获得约3000万元的国家财政资助。地源热泵运行的项目有：重庆荣昌医院，白市驿机场、祈年悦城等。虽然在国内的发展已经初具规模，但从重庆市浅层地热能的情况看，项目数还不够多。随着中央政府对环保、节能减排工作进一步明确任务和目标,建设部门对建筑节能工作也提出了更高的要求[3]。由重庆市《建筑节能管理条例》颁布实施，重庆市建筑节能标准也将由原来的50%上升至65%。重庆市主城区建设领域2010年将全面启动65%的节能标准[4]。地源热泵技术作为一种节能环保技术，其发展潜力很大。本文建立了浅地层地热能源的计算方法，计算得到重庆市未来十年里规划节能总量，为重庆市地源热泵的应用前景进行了规划和展望。1重庆市浅底层能源浅层地能是指地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200m埋深），温度低于25℃，建设部：长江流域可再生能源在建筑中应用规划研究2在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。在我国省会以上城市中，重庆的温泉资源最为富集，且品质优良、类型多样、点多面广，具有巨大的开发潜力和广阔的市场前景。温泉水资源蕴藏面积达10000多平方公里，其中，主城都市圈约为5000平方公里。目前，已发现温泉40多处，日产温泉50000立方米，已被开发利用20余处，主城区就有10余处。在世界上，只有被誉为“温泉之都”的匈牙利布达佩斯的温泉量可以与重庆相比拟。重庆地层以砂、泥岩为主，导热系数在2.0-3.8之间，热物性很好2重庆市建筑情况建筑密度不仅与人口密度有关，同时也跟经济有密切的关系。2007年底，重庆总面积8.24万平方公里，为北京、天津、上海三市总面积的2.39倍，是我国面积最大的直辖市。1990年第四次人口普查时密度为每平方公里271人，2000年第五次人口普查时达到372.84人/平方公里，2001年末为376人/平方公里，2002年末为378人/平方公里。总体上看人口密度并不大，但是人口分布极不均匀。据2000年普查结果，主城区人口密度最大的渝中区密度高达26685.16人/平方公里，而较少的巴南区才473.7人/平方公里，密度最小的城口县仅64.75人/平方公里。（由《重庆市建设系统统计年鉴》（2006年、2007年、2008年）和《重庆市统计年鉴》（2007年、2008年、2009年）[5]确定）其各类建筑面积的预测值由统计年鉴增长率计算得：2012年既有居住建筑面积为：27169.37㎡，建筑能耗密度37157.01×104kWh/(km)2；既有公共建筑面积为：7257.865㎡，建筑能耗密度31923.93×104kWh/(km)2；新建居住建筑面积为：17204.57㎡，建筑能耗密度23185.12×104kWh/(km)2；新建公共建筑面积为：5573.628㎡，建筑能耗密度22656.19×104kWh/(km)2；2014年既有居住建筑面积为：24006.53㎡，建筑能耗密度29990.79×104kWh/(km)2；既有公共建筑面积为：6414.868㎡，建筑能耗密度25962.96×104kWh/(km)2；新建居住建筑面积为：25806.86㎡，建筑能耗密度31768.79×104kWh/(km)2；新建公共建筑面积为：8360.442㎡，建筑能耗密度31147.47×104kWh/(km)2；2019年既有居住建筑面积为：17626.62㎡，建筑能耗密度18000.20×104kWh/(km)2；既有公共建筑面积为：4711.451㎡，建筑能耗密度15182.23×104kWh/(km)2；新建居住建筑面积为：47312.58㎡，建筑能耗密度47680.18×104kWh/(km)2；新建公共建筑面积为：15327.48㎡，建筑能耗密度47090.19×104kWh/(km)2。3重庆市浅层地热（地源热泵）在建筑中的应用地源热泵是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的既能制冷又能供热的空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统，以及混合型地源热泵系统。本文主要对土壤源热泵进行了描述其工作原理为：建设部：长江流域可再生能源在建筑中应用规划研究3膨胀阀四通换向阀冷凝器（蒸发器）蒸发器（冷凝器）土壤热交换器风机盘管压缩机12431'2'7856制冷工况制热工况水泵水泵图1土壤源热泵的系统图Fig.1Systemchartofthegroundsourceheatpump图1是典型的土壤源热泵的系统图，它主要由三部分组成：(1)埋地换热器回路；(2)热泵机组回路；(3)风机盘管回路。此土壤源热泵系统既可在冬季供热、又可在夏季制冷。冬夏工况的转换主要依靠四通换向阀。土壤源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源的既可制冷、又可供暖的高效节能的空调系统。它通过输入少量高品位的电能，实现了低温位热能向高温位的转移。土壤全年温度波动小，它分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季将土壤中的热量取出来，提高温度后，连同压缩机的耗功一起供给室内；在夏季则将室内的热量连同压缩机的耗功一起排到土壤中去。土壤源热泵系统能够长期稳定运行的前提是地埋管区域的岩土体温度能够长期保持稳定，也就是冬季从土壤中的取热量与夏季排放到土壤中的热量相等[6]。3.1重庆市建筑浅层地热（地源热泵）基本情况3.1.1重庆市建筑浅层地热（地源热泵）资源数据重庆古称巴州、渝州，地处中国西南，长江与嘉陵江交汇于此，距离长江东海入海口约2400公里。作为我国面积最大、行政辖区最广、人口最多的中央直辖市，全市辖40个区县，幅员面积8万多平方公里，人口3159万。重庆市位于我国西南腹地，青藏高原与长江中下游平原的过渡地带。地跨东经105°11′~110°11′、北纬28°10′~32°13′之间，东西长70千米，南北宽450千米，总面积8.2万平方千米，与湖北、湖南、贵州、四川、陕西等省接壤，是连接东西南北的地理要冲地段。重庆辖区主要分布在长江沿线，以丘陵，低山为主，平均海拔为400米。重庆发展土壤源热泵技术具有巨大潜力。重庆地层以砂、泥岩为主，导热系数（W/(m·K)）在2.0-3.8之间，热物性很好，密度大，地下埋管换热性能比北京、上海高15%至20%。在底下15-50m的土层稳定，温度维持在18-20℃左右，该温度变化适宜土壤热泵的应用。建设部：长江流域可再生能源在建筑中应用规划研究43.1.2重庆市建筑浅层地热（地源热泵）资源计算方法介绍土壤源热泵计算公式定义如下：建筑用地面积定义：即城市规划中定义的建筑用地面积，规划用地范围线内建设项目的用地，包括室外工程（如绿化、道路、停车场等）的面积，单位：m2；建筑空地率定义：适合土壤源热泵埋管的场地（如建筑绿地、停车场等）与总建筑用地面积的比值，单位：%；可换热土壤面积定义：即规划的建筑用地区域内地埋管可利用土地面积，单位：m2；夏或冬季地埋管换热量定义：使用土壤源热泵系统夏季可排放到土壤中的热量或冬季可从土壤中提取的热量，单位：kWh；可提供建筑的冷或热量定义：根据地源热泵从地下提取或释放入土地中的能量，使用高效热泵系统反算出的可提供给建筑的冷热量，单位：kWh；夏或冬季节能量定义：使用高效土壤源热泵对比提供同样负荷空气源热泵所节省的电量，单位：kWh；全年节能量定义：使用高效土壤源热泵夏季和冬季节能量之和，单位：kWh；土壤源热泵节能率定义：使用土壤源热泵节能量与标准建筑能耗密度的比值，单位：%；反映了土壤源热泵的节能潜力。定义以下计算公式：建筑占地面积=建筑总面积/建筑容积率，单位：㎡可换热土壤面积=建筑占地面积×建筑空地率，单位：㎡夏或冬季地埋管换热量=可换热土壤面积×土壤最大温升×默认埋管深度×土壤密度×土壤比热。单位：kWh通过市县浅层地质结构调查表结合实际工程经验得到，默认埋管深度取100m，重庆市夏季出水温度为32℃，冬季为7℃，土壤的平衡温度为19.5℃，故夏、冬季的温差为12.5℃。可提供建筑冷量=夏季地埋管换热量/)11(EER，EER≈4.1（kWh）可提供建筑热量=冬季地埋管换热量/)11(COP，COP≈3.2（kWh）夏季节能量=可提供建筑冷负荷×)11(EEREER标准，标准EER≈2.3（kWh）冬季节能量＝可提供建筑热负荷×)11(COPCOP标准，标准COP≈1（kWh）全年节能量=夏季节能量＋冬季节能量（kWh）全年节能量密度=全年节能量/地区土地面积（kWh/km2）建筑能耗密度（同上）=建筑面积密度×建筑单位面积能耗（kWh/km2）节能率=全年节能量密度/建筑能耗密度（可把节能率近似认为是可再生能源利用潜力）取居住建筑容积率为2.5，公共建筑容积率为3.5；根据《重庆市城市规划管理技术规定（2006）》：居住建筑绿地率为0.3，公共建筑绿地率为0.2；估计居住建筑空地率为0.2，公共建筑空地率为0.25。建设部：长江流域可再生能源在建筑中应用规划研究53.2重庆市建筑浅层地热（地源热泵）资源计算由上述方法结合已知数据对重庆市40个区县的计算，以其中三个区县为例，其既有建筑和新建建筑在2012、2014以及2019年的节能量密度与节能率为：表1既有建筑（ExistingBuilding）居住建筑公共建筑201220142019201220142019节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）5.9727.195.2927.033.9027.191.989.711.759.731.299.795.0427.194.4627.033.2927.190.699.710.619.730.459.79166.7815.74147.7315.65109.0615.7454.485.6248.265.6335.635.67表2新建建筑（NewConstruction）居住建筑公共建筑201220142019201220142019节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度（104kWh/(km)2.a）节能率（%）节能量密度