地源热泵发展现状和工程实践

地源热泵发展现状和工程实践发展历史工作原理优势局限示范案例地源热泵的发展历史国际上发展历史和现状美国1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。1994年，美国政府第一套地源热泵空调系统在俄勒冈州国会大学安装，地源热泵从此在美国政府，军队，电力公司等得到了大量应用。1998年，美国环保署（EPA）颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国前总统布什在他的得克萨斯州宅邸中安装了地源热泵空调系统。目前，全球75%的地源热泵系统安装在北美地区。欧洲和日本

瑞士、挪威：是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，应用比例高达96%奥地利：应用比例为45％丹麦：应用比例为35％日本：是亚洲地源热泵技术最先进，使用比例最高的国家我国发展历史和现状1990年开始，国内高校和研究院所开始进行相关研究。1996年，辽宁辽阳市建设了两栋住宅建筑的地源热泵系统，建筑面积5万平米。1997年，作为中美能效合作的重要部分，建设了三个地源热泵示范工程。2000年开始，北京、山东开始建设示范工程。2005年，地源热泵被建设部列为十大先进技术之一。2005年11月，地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)发布。2006前，前期准备国家财政部和建设部负责，资助了300多个项目。每个项目资助额度最高达到2000万元积累经验，为示范推广打下基础2006-2008，示范项目项目名称：可再生能源建筑应用城市示范 可再生能源建筑应用农村地区示范技术类型：地源热泵，太阳能光热补助额度：5000-8000万元/城市1000-1800万元/县实施目标：通过政府引导的方式，建设示范项目，建立长效发展机制，逐步引进各类资本投入节能减排事业

2009-2011，示范城市和示范县按照国家的计划，在城市（县）示范，积累经验后，将在全国逐步强制性推广。2011后，逐步强制性进行序号地点面积总数（万平方米）项目个数（个）1山东18196212河北7822923北京7233264江苏6882235辽宁3991786河南3601567黑龙江2581008陕西217649新疆2004710天津1809811山西1504312浙江1326613湖南1259414湖北1225215吉林1087716内蒙古1064417上海843618四川834319安徽783820广西70272010年全国各地地源热泵项目统计国家鼓励的原因地源热泵投资较高，但是能耗低，运行费大量节省。表明地源热泵技术从长期来看对国家：节能减排重要贡献对用户：寿命周期费用节省我省发展历史和现状入选国家可再生能源建筑应用示范项目长沙：长沙市妇幼保健院地源热泵工程 万国城MOMA地源热泵工程湘潭：城市中心区水源热泵工程株洲：金域半岛地源热泵工程 圣马可商场地源热泵工程

入选国家可再生能源建筑应用示范城市和示范县城市：株洲、长沙、怀化、湘潭、常德县：衡东、炎陵、石门、津市、湘乡、韶山、汨罗、澧县

延伸：长沙市入选国家节能减排财政政策综合示范城市全国共八个城市，从一下六个方面建设示范： 产业低碳化交通清洁化建筑绿色化服务业集约化 主要污染物减量化可再生能源和新能源利用规模化

项目进展情况

2009年调查情况总揽

1999年第一个项目已建地水源热泵中央空调项目154个，面积140.71万m2；在建地埋管项目有12个，面积26.21万m2

项目面积总计为166.92万m2。年度发展

建筑类型序号建筑类型数目/个面积/m21酒店宾馆715780632会所、休闲、餐厅221282003医院91639004商场121745005办公274944126办公工厂2160007厂房4190008办公+住宅3765009住宅（别墅）151066410学校1800011总数1661669239地域

序号地区项目地下水地表水地埋管汇总1长沙个数41822面积㎡1188411649352837762株洲个数347面积㎡74001189631263633湘潭个数165324面积㎡11810010090024600243600序号地区项目地下水地表水地埋管汇总4衡阳个数44面积㎡77000770005岳阳个数11面积㎡350035006益阳个数3131面积㎡1360001360007常德个数3838面积㎡4278004278008娄底个数0面积㎡09永州个数11面积㎡100001000010郴州个数66面积㎡645006450011邵阳个数0面积㎡012怀化个数9110面积㎡532006005380013张家界个数121114面积㎡1691002200030019140014湘西个数718面积㎡295002200051500技术类型政策和科研

2009年以来，省住房和城乡建设厅将地源热泵为主要内容的可再生能源建筑应用作为重点工作2010，2011年省科技厅两年立项重大专项对本领域进行支持长沙、株洲等示范城市主要领导高度重视湖南大学创办了“建筑节能技术与工程”战略型新兴产业相关专业；开展“可持续建筑技术”教育湖南城建职业技术学院开设“建筑节能工程”方向地源热泵的工作原理可再生能源：地球表面的太阳能，生物质能，风能，潮汐能浅层地能:地表100米以内的能源，表现在常年稳定的温度太阳：地球能量的来源不可再生能源：很久以前的太阳能存储形式我国浅层地能达1.5万亿千瓦；我国目前发电装机容量４亿千瓦过去，人们只重视对深层地热能的开采忽略了开发浅层地热能，用来满足建筑物对低品位能源的需求，用于：采暖空调热水供应利用该能源的设备称为“地源热泵”浅层地热能

地源热泵加热游泳池越冬养殖采暖、空调、生活热水热泵与水泵水泵:把水从低处运送到高处热泵:把热量从低温物体搬运到高温物体用１千瓦的电驱动热泵后，可以将4千瓦左右的浅层地能“搬运”到房间空气中或者热水中——能效比COP=4

热泵的种类热泵技术空气源热泵地源热泵地下水源热泵地表水源热泵（包括污水/海水源）地埋管(土壤源)地源热泵冬季（制取热水时）把地能中的热量“取”出来，供给室内空气（热水），此时地能为“热源”。夏季把室内空气中的热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”（热汇）。冬季夏季地源热泵系统的定性理解地源热泵系统的组成室外地能换热系统地源热泵机组建筑物采暖、空调或热水末端水循环水或空气循环土壤地表水地下水污水空气源热泵：夏天从室内向室外空气中排出热量，空气35-40度 冬天从室外空气吸取热量到室内，空气0度左右地源热泵：夏天从室内向土壤中排出热量，土壤20度左右 冬天从土壤吸取热量到室内，土壤20度左右热泵的温差越小，相当于水泵的高差越小，越节能这是地源热泵节能的原因地源热泵节能的定性理解地源热泵的概念辨析-是不是中央空调地源热泵技术是一种利用浅层地能热资源的既可提供空调又可提供采暖和生活热水的高效节能空调技术。地源热泵是一种中央空调（热水）技术。原理上不同在于常规中央空调是将热量排入空气（空调），或者从空气中吸热（采暖或者热水供应）。实施中不同在于室外地能换热系统（地埋管，地下水或者地表水）的设计施工以及空调（热水）主机工况不同引起的变化。其他方面和常规中央空调系统相同。

一般来说，地源热泵是一种电驱动的空调（热水）技术。燃气驱动或者太阳能驱动的空调热水系统原则上也能采用浅层地能，但一般不用LEEDCASBEE中国标准是采用可再生能源的一种方式地源热泵的概念辨析-是不是可再生能源土壤地表水地下水造价最高（增加30-50%），稳定性最好。造价适中（增加10-20%），水量要保证，必须回灌。造价最低（增加10%左右），受水文气候参数影响大。地源热泵的种类和特征地源热泵系统的设计施工流程（以地埋管地源热泵为例）室外地能换热系统地源热泵机组建筑物采暖、空调或热水末端水循环水或空气循环土壤地表水地下水污水GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范(2009版)

地埋管地源热泵室外打井埋管系统设计施工流程设计：

试验井——热物性试验——确定井深井距和井数

施工：井位放线——钻孔——垂直下管——垂直钻孔灌浆——水平沟槽开挖——水平管敷设——垂直管与水平管连接——试压——回填设计及准备试验井 确定现场地质条件，为可行性和钻井提供基础；为热物性试验提供条件热物性试验 为确定井深和井数提供基础埋管系统设计确定井深、井距、井数、管道连接方式

施工

钻孔钻孔钻孔垂直下管垂直下管垂直钻孔灌浆水平沟槽开挖水平管敷设垂直管与水平管连接垂直管与水平管连接试压地源热泵的施工回填地源热泵的优势、局限和风险1kW的电力3kW的热量来自于浅层地热能4kW的热量供应给用户比空气源热泵节能30%比燃油锅炉采暖节能50％比电采暖节能70%

地源热泵系统的优势可再生能源：利用浅层地热能作为冷热源，实现冷热联供节能：性能系数高，节省运行费用30～50％；环保：取消锅炉，减少热污染；一机多用：一套系统实现三种用途，节省建筑空间性能稳定：温度波动小，不受环境影响美观：无室外机，不影响建筑外观地源热泵系统的优势地源热泵系统的限制因素需要有合适的地质条件（地埋管）或者水文条件需要有一定的空间埋设埋管系统初投资较高（打井、埋管等）施工要求较高，需要专业施工队伍和设备冷热负荷平衡的问题（对生态和效率的影响）地源热泵系统实施的风险地埋管地质情况不清，或者热物性测试不准，导致埋管不能满足系统要求埋管和接管质量不好，导致废井，最后不能满足系统要求或者效率低下冬夏冷热不平衡，长期使用后地温升高（降低），导致系统效率降低地表水地表水提供冷热量预测不准，导致水源提供的冷热量不能满足系统要求地表水温变化，导致影响生态环境管道穿越河堤，导致影响防洪地下水水量预测不准，导致水源提供的冷热量不能满足系统要求回灌不到位，影响未来地下水量和生态环境经济分析初投资比较初投资比常规中央空调增加10%～50%增加打井费用无冷却水塔和冷却水系统无锅炉和锅炉房无入网费（天燃气、城市热力网）无储油罐安全费运行费用比较夏季制冷：节约费用＞20%夏季采用热回收，可免费提供生活热水冬季制热时，运转费用相当于燃气、燃油锅炉的50%左右全年运行费用节约40％左右地源热泵与传统中央空调的比较地源热泵传统中央空调＋锅炉初投资北方：200～250元/m2南方：300～350元/m2北方：150～200元/m2南方：200～250元/m2年运行费用北方：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年地源热泵的示范案例地埋管热泵南京朗诗大型住宅区，空调采暖空调面积22万平米已经建设68115平米埋于桩基中的地埋管型式有U型或W型，共计有效利用桩孔环路885个另外，在室外补孔302个，间距5米，钻孔深度60米。北京当代万国城住宅和综合，总建筑面积约22万平米大型住宅区采用地源热泵空调+热回收生活热水的系统；由于地处北京市核心地带，没有场地，因此将土壤换热器设置在车库底板下，共计635组双U换热管，埋深100米。地源热泵机组夏季的排热由土壤换热器和冷却塔完成；冬季取热源由土壤换热器实现。北京用友软件园厂房、办公和住宅空调面积：16万平米空调采暖和热水供应616孔，120m深韶山德盛宾馆宾馆空调采暖空调面积2.3万平米485孔，50米深湖南大学天马学生公寓学生生活热水学生4000余人108孔，60米深

详细案例：长沙长大•彩虹都地源热泵供应面积：办公楼：1.72万m27#住宅：2.54万m2合计：4.26万m2空调采暖负荷：冷负荷：2588kW热负荷：1600kW

地质和回填土条件（经试验井测试）原始土壤温度：19.8℃土壤导热系数：K=2.153W/m.k土壤比热容：C=2250KJ/m³.K回填料：以水泥砂浆为主要基料，添加少量石英砂、膨润土地埋管换热系统设计设计依据：冬季制热总负荷钻井直径:130mm数量:700口有效深度:60m间距:5×5m换热管：单U，De32地源热泵专用PE管

冷热源机组选型

DRSW-400-2一台，制冷COP5.71，制热COP5.01DRSW-150-1-QH一台，制冷COP5.83，制热COP5.14RSW-170-1一台，制冷COP5.16地下温度场模拟采用TRNSYS动态仿真软件

建立地埋管地下传热模型

对土壤温度场进行动态模拟

预测未来土壤温度的变化

图1模型系统图图2运行1年的情况图3运行10年的情况图4运行30年的情况模拟分析结论

30年时，地温平均值呈周期性变化，在15-22℃之间波动夏季地埋管出水温度可保持28℃以下，冬季工况地埋管出水温度可保持在12℃以上可满足地源热泵机组常年正常运行要求

经济和环境效益分析初投资总投资：2147万元地埋管换热器投资：630万元室内末端空调工程投资：852万元机房投资：665万元投资回收期项目总增量成本：870万元单位面积增量成本：204元/m2

年节约运营费用：162.53万元投资回收期：5.35年环境效益分析节约标煤1490吨/年减少CO2排量4031吨/年，减少SO2排量35.2吨/年，减少NOX30.2吨/年，减少烟尘排量14.7吨/年地表水源热泵南京鼓楼外包产业