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地源热泵技术与建筑节能山东省建筑设计研究院于晓明2009年2月主要内容一、地源热泵概述二、地源热泵分类三、国外地源热泵技术的应用现状四、国内地源热泵技术发展及应用现状五、我省地源热泵技术现状及发展六、地源热泵技术的发展趋势与展望七．地源热泵技术与新农村建设一、地源热泵概述随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%～30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2,NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体的排放已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国北方地区的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变；现在又进一步禁止在城镇采用中小型燃煤锅炉房供热，体现了政府对保护大气环境的高度重视。一、地源热泵概述因此，除了集中供热的形式以外，急需发展替代的供热方式。热泵是靠电能驱动，使热量由低温热源流向高温热源的装置；也就是说热泵可以把不能直接利用的低品位热能如空气、岩土、水等环境中的低温热能以及工业废热等转换为较高温度的热能，从而达到节约部分高品位能源，如煤、石油、天然气、电等的目的。目前，热泵在暖通空调工程中得到了广泛的应用，这是一项很有潜力的节能技术，也是减少CO2、SO2、NOx排放量的一种有效方法。一、地源热泵概述热泵是一种在技术和经济性上都有较大优势的实现建筑供热的替代手段。传统的空调系统需分别设置冷源和热源，如果让建筑空调系统的冷源在冬季以热泵的方式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，有效地解决了大气污染问题。而与直接把电能转换为热能的电锅炉相比，采用热泵空调系统供热的电耗仅为前者的1/3—1/4，可以大大节省能耗和运行费用。一、地源热泵概述以建筑物空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种，通常把它们分为空气源热泵和地源热泵两大类。空气源热泵以室外空气为一个热源。它的系统简单，初投资较低，但在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低，应用受到气候条件的制约，基本上不适用于华北的冬冷夏热的气候条件。另一种热泵利用大地（地下岩土、地表水、地下水）作为热源，可以称之为“地源热泵”。离地表5-100m的地层中未受干扰一、地源热泵概述时常年保持恒定的温度（山东省约为16-18℃），远高于冬季的室外温度，又远低于夏季的室外温度。因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。一、地源热泵概述地源热泵的优点：利用清洁的电能实现供热和空调，废除了污染严重的中小型燃煤锅炉。利用的能量是地壳浅层（200m以内）蓄存的热量，是一种可再生能源。机组效率高，节省运行费用。传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。地源热泵既可供冷，又可供暖，一机多用，节约设备用房。二、地源热泵分类地源热泵是一个广义的术语，它包括以地下水、地表水和地下岩土作为热源和热汇的热泵系统。以地下岩土为热源和热汇的热泵系统称之为土壤源热泵，或地埋管地源热泵系统；以地下水和地表水为热源和热汇的热泵系统分别称之为地下水源热泵和地表水源热泵系统。1、地下水源热泵系统在地表以下一定深度处，地下水的温度几乎是恒定的，略高于当地的年平均气温，因此地下水源热泵的效率大大高于空气源热泵，而且它的制冷量和制热量不受室外空气温度的影响。但它的应用也受到一定的限制。二、地源热泵分类首先，这种抽取地下水的办法需要有丰富的地下水为先决条件，如果地下水位较低，水泵的耗电量增加，这将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水资源的流失。即使能够把抽取的地下水全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。2005年颁布的国家标准《地源热泵工程技术规范》要求地下水源热泵系统抽取的地下水需100％地回灌到同一个含水层。实际工程经验表明对于大多数地质条件100％回灌是很难实现的。二、地源热泵分类再就是大量抽取地下水造成地下水位降低，地面下陷，危及建筑物的安全。欧洲和北美国家对采用地下水源热泵技术都有严格的立法限制。我国总体来说是水资源缺乏的国家，地下水源热泵系统在我国经过近十多年的上升发展趋势以后，其局限性也已被更多地认识。因此，推广这种地下水源热泵技术应慎重。首先，这种抽取地下水的办法需要有丰富的地下水为先决条件，如果地下水位较低，水泵的耗电量增加，这将大大降低系统的效率。二、地源热泵分类2、地表水源热泵系统地表水源热泵就是利用江、河、湖、海中的地表水作为热泵机组的热源和热汇。当建筑物的周围有大量的地表水域可以利用时，可通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组或将热泵机组的热量释放到地表蓄水体中。近年来，利用污水处理厂的经处理的二次水或直接利用原生污水的热泵系统也引起人们的关注，这类热泵系统就其特点来说也可归于地表水源热泵。二、地源热泵分类根据热泵机组与地表水连接方式的不同，可将地表水源热泵分为两类：即开式地表水源热泵系统和闭式地表水源热泵系统。开式地表水源热泵系统和开式地下水源热泵系统近似，即从湖水底部将水通过管道和水泵输送到热泵机组中，进行热量交换后，然后通过排水管道又将其输送回地表水体中。在开式地表水源热泵系统中，地表水的作用与冷却塔近似，而且不需要消耗风机的电能及运行维护费用，因此初投资比较低。开式系统存在的最大缺点是热泵机组的结垢问题。在冬季制热模式时，当湖水温度较低时，机组换热器会有冻结的危险，因此开式系统只能用于温暖气候的地区或热负荷很小的寒冷地区。二、地源热泵分类闭式地表水源热泵系统就是通过放置在湖中或河流中的换热器与热泵机组连接，吸热或放热均通过换热器内的循环介质进行。当热泵机组处于寒冷地区时，在冬季制热工况时，湖水热交换器内应采用防冻液作为循环介质。与开式系统相比，闭式地表水源热泵系统的优点是机组结垢的可能性降低。这主要是由于在热泵机组换热器内的循环介质为干净的水或防冻液；另外闭式系统湖水环路循环泵的耗电量明显低于开式系统。二、地源热泵分类地表水源热泵系统的特点与空气源热泵相似，即环境热源的温度均随室外气候的变化而变化。当室外温度降低时，热泵的供热量及效率也随之降低，而此时所需的热负荷确增加。同理在夏季制冷时，所需冷负荷越大，而此时机组的制冷量越小。因此，在极端情况下，机组往往不能满足要求，而且采用地表水源热泵系统需要一定的自然水体，这也使得地表水源热泵系统的应用受到一定的限制。海水源热泵已成为近年来的宣传热点，但在我国大规模应用海水源热泵的技术还不够成熟。技术方面的主要困难在于海水对设备的腐蚀以及海洋生物在管道中滋生引起的堵塞。此外，在北方地区由于冬季海水的温度较低，因此系统的效率较低。二、地源热泵分类3、地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统是利用地下岩土作为热源或热汇，它是由一组埋于地下的高强度塑料管（地热换热器）与热泵机组构成，也称闭环地源热泵系统。在夏季，水或循环液通过管路进行循环，将热泵释放的热量排到地下岩土层；冬季循环介质将岩土层的热量提取出来经热泵释放给室内空气。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，效率大大提高，且又不受地下水资源的限制，它在欧、美的一些发达国得到了广泛的应用。二、地源热泵分类地埋管地源热泵系统的效率比空气源热泵高，而且不受地下水和地表水资源的限制，只需占用一定的埋管区域，对环境无污染，充分利用可再生能源，因此是一项值得大力推广的新技术。根据布置形式的不同，地下埋管换热器可分为水平埋管与竖直埋管换热器两大类。水平埋管方式的优点是在软土地区造价较低，但缺点是占地面积大，通常不太适合中国地少人多的国情。竖直地埋管换热器也就是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地埋管换热器。由于竖直地埋管换热器具有占地少、工作性能稳定等优点，因此已成为工程应用中的主导形式。竖直埋管的方式的钻孔直径通常为0.11－0.15m，深度40－150m；在钻孔中插入高密度聚乙烯(PE)的U型管，然后用回填材料把钻孔密封，再把各U型管连接成地埋管换热器。二、地源热泵分类应用地埋管地源热泵技术也有它的限制条件，主要是：与传统的锅炉＋冷水机组的供热空调系统相比，或与空气源热泵系统相比，地埋管地源热泵系统的初投资稍高。这主要是因为设置地埋管换热器增加了初投资，而且埋管的费用与地质条件有关，在岩石或其他复杂地层中钻孔的费用较高。地埋管换热器的投资可占整个建筑供热空调系统初投资的1/3－1/2。设置地埋管换热器需要一定的土地。在华北地区竖直埋管换热器的需要的土地面积约为建筑供热空调面积的20－30％。虽然这些土地在埋设地埋管换热器后仍可用作绿化、停车场或运动场等，但在建筑高度密集的城镇，埋管占地的因素仍成为应用地埋管地源热泵技术的主要制约条件。二、地源热泵分类地源热泵系统对系统全年冷热负荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源热泵系统中地下岩土在全年起到蓄热器的作用，对热量夏蓄冬供。但在北方严寒地区，冬季供热的负荷和时间远大于夏季空调的负荷和时间，系统多年运行以后地下的平均温度将逐年降低，影响系统的性能甚至使系统失效。在南方则相反，夏季空调负荷占主导地位，地下的平均温度将逐年升高，同样影响系统的性能。在这个意义上说，在冬冷夏热的华北地区对供热和空调都有较高的需求，地埋管换热器中全年的冷热负荷比较平衡，具有推广应用地源热泵技术的理想气候条件。三、国外地源热泵技术的应用现状地源热泵供热空调系统自20世纪50年代在欧洲和北美开始投入实际应用，70年代“石油危机”以后得到迅速推广。近年来由于全世界对环境问题的关注，地源热泵技术受到许多国际机构和各国政府的重视。1998年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地埋管地源热泵供热空调系统。据统计，美国每年新安装的闭式循环地源热泵系统约4-5万套。热泵在欧洲供热市场中也占有很大份额。联合国发展计划(UNDP)和国际能源组织(IEA)等国际机构都把推广应用地源热泵作为节约能源、减少二氧化碳排放、改善地球环境的重要手段。三、国外地源热泵技术的应用现状20世纪30-40年代，英国、美国、德国、瑞士等国已进入了热泵的研制开发阶段。在40-50年代美国和欧洲对地源热泵进行了研究，如对地源热泵运行的实验研究、地埋管换热器的数学模型和实验研究、岩土的热物性的研究等，但是由于金属埋管耗量大、占地面积广、初投资成本高、岩土对金属的腐蚀等原因，使得地源热泵的广泛使用受到了限制。1973年世界经历了第一次石油危机，对节约能源的需求越来越紧迫。于是热泵以其节能的优势，再一次引起了全世界的重视，地源热泵的研究又一次进入高潮。1976年前苏联、英国、法国、西德、丹麦、瑞典、挪威等国都加入了国际地源热三、国外地源热泵技术的应用现状泵协会(IGSHPA)。北美、日本、欧洲的制造厂家为业、商业建筑和公共建筑提供了大量的热泵，国际能源机构等制定了发展热泵的计划。不少新技术在新领域的试验及推广应用工作在进行和规划之中，热泵的用途在不断拓宽，所以热泵技术在以后的几年里得到了迅速的发展。对地源热泵人们做了许多实验研究。此时地下埋管已由早期的金属管改为塑料管，解决了腐蚀问题，计算机的发展又为计算和设计地源热泵带来了极大的便利条件。这个时期欧洲建立了不少水平埋管作为地下换热器的地源热泵工程，但主要用于冬季供暖。1981年田纳西大学安装了水平埋管式地源热泵，同时俄克拉荷马州立大学和一些能源机构等也都对地源热泵进行了研究。上个世纪80-90年代，美国的工程承包商建设了大量的地源热泵系统，据估计到现在大约有数十万个