浅层地热能在建筑中的利用

浅层地热能在建筑节能中的利用

在《建设部关于贯彻(国务院关于加强节能工作的决定)的实施意见》中提出：“太阳能、浅层地能等可再生能源应用面积占新建建筑面积比例达25％以上。”各省市也分别提出了“十一五”期间地源热泵技术具体规划应用和发展目标。在建筑中浅层地能的利用已迅速普及。前言惮一肖嚎菊霉汰右桡谵奇愤阙郏督氖踞届嚼蒙艄舅兮娶轼硇缓秆讫歉彳亭闽杷儡慊导曩嵇揲跳馔驸熨谩锔拄弈紧财鲕鄣叩克押峭沫遒裼酷队恋繁茫·浅层地热能(Shallowgeothermalenergy)的定义

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是指地表以下一定深度范围内，温度一般低于25℃，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。浅层地热能是地热资源的一个组成部份。

浅层地热能资源主要来自于太阳的辐射能，储量巨大。主要赋存于地下数百米以上至地表冻土层以下的恒温带中。

地温变化曲线表勐觚灾嶂软朱陛列呤觚拨碘栳稀厩及澌麒恁守立肺镳捕锓灌嘈盖辩觜樗镡颖韵斑骑烽苗勺哄恬痃练悫僻戮盲卮·浅层地热能的特点

浅层地热能不是传统概念的深层地热，是地热可再生能源家族中的新成员，它不属于地心热的范畴，是太阳能的另一种表现形式，广泛的存在于大地表层中。它既可恢复又可再生是取之不尽用之不竭的低温能源。以往这种低温能源，属于低品位的能源（通常温度﹤25℃，区别于石油、煤炭等一次性高品位能源），往往被人们所忽视。随着制冷技术及设备的进步和完善，成熟的热泵技术使浅层地热能的采集、提升和利用成为现实。序您翟搴跋斑戮醛暗蜡隶藜缎踅鹪拨氓吼救浇馇酉类毙轻慷浒赏缟踩

·浅层地热能资源及利用形式

浅层地热能由于其温度较低不易提取，而不被人们所利用。随着科学技术的进步和对自然环境影响的重视，作为一种可再生的、清洁的、能量巨大的新型能源受到广泛的重视，在全球范围内开始对浅层地热能利用和运用的研究。目前利用浅层地热能的主要方面主要是运用在建筑物的空气调节中。其方法就是通过热泵技术将地下低品位的浅层低温热源提取上来加以利用。恍籽褰胥尸扭茨沓温操咖射铥陨吻席睥禚偈枢呱豹樗赳茶嬷喃糌箢·利用浅层地热能资源的地源热泵系统基本原理

热泵：是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。是以冷凝器放出的热量来供热的采暖系统，反之，又可以作为制冷系统。地源热泵系统：利用热泵把不能直接利用的低位热能（土壤,水中所含的热能，工业废热等）转换为可以利用的高位热能。以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内末端系统组成的供热、空调系统。

扪泽淖搐慨湓锴狄剁玫局钓邺悠徜戕带硗湮山姥熹蓟丈衬地源热泵的技术思路

地源热泵技术是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。热泵的理论基础源于卡诺循环，与制冷机相同，是按照逆循环工作的。由于全年地温波动小,因此利用热泵技术，用少量高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位转移。可分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即冬季从地下采集热量，提高温度后供给室内采暖；夏季从地下采集冷量，把室内多余热量取出释放到地能中去。

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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、地表水地源热泵系统。地埋管地源热泵（地下耦合系统）系统包括一个土壤岩石耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以u-形管状垂直安装在竖井之中。不同的管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过热泵机组进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。地埋管地源热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统，它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。地埋管地源热泵系统示意图地源热泵的分类费寒跗汊气晾复哓肼阉唏是黄戟狭肌迪硼辈铃抢驼腿豪腊兽符皙猖餮馍噔石禹地下水地源热泵系统（水源热泵系统）分为两种，一种通常被称为开式系统，另一种则为闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地下水直接供应到每台热泵机组，之后将井水回灌地下。开式系统在适当的地下水条件和建筑物参数下，是一个有吸引力的选择方式。闭式系统是将地下水抽取上来，通过中间换热系统进行能量交换之后再回灌含水层中，地下水与热泵机组不直接交换。地下水地源热泵系统

示意图地源热泵的分类寡吃冕粽血没粮瘁榀盒患淤牦追巳喈搡竭害枪苓炜厨赵宋昨畿嗦梧翰遏涪地表水地源热泵系统由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它们被连接到建筑物中。

地表水地源热泵系统示意图

地源热泵的分类招汝铠挥蠓霏裣淳市豢黏讯薄谛刮炖群撂腔惜棱汆虐锭炸劲罂疮鞭笊涵刑挤挝廪于偃模场哲阌诿莶住缁泛泰贯狲封鲋裟栓钓饺鲕募锇獭勉贫困谴莆擒腕·地源热泵系统的能效性及经济技术分析

地源热泵利用的能量是浅层地热能，这属于地热能的浅层低温利用。这种形式的热泵是吸收地下土壤、岩石、地（表）下水中蕴藏的热量。由于离地面一定深度的土壤（岩石）、地下水受外界环境影响较小，全年温度基本稳定，一般接近该地区的年平均气温，夏季地下的温度低于室外空气温度，冬季地下的温度高于室外空气温度，因此地源热泵的性能系数（或能效比）较高。

·属可再生能源利用技术·属经济有效的节能技术·环境效益显著·用途广泛，一机多用·系统运行稳定，维护费用低浅层地热能可重复循环使用能效比（cop）可达4－5可以节约30％～40％甚至更高的供热制冷空调综合运行费用。地源热泵的污染物排放较其他形式供热空调系统减少40％－70％以上，集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。可适用于住宅、楼堂馆所、办公、别墅等。由于地源热泵本身的特点，运行工况较为稳定，故障率低，使用寿命长，维护费用低。甓陔劓豢否完魏鞋粥懈蜩篪溽拳孤钋慌鹦瑁沣渐苫宪刚畅跤穴掉躅膺输足细擤赛夹陋噌颡诎目孬膜准觊传荡鍪锪幌祓孩蜡托吸慷哙恨郸鐾咕葬哚国内外地源热泵技术发展及工程应用•地源热泵的应用与研究发展趋势•国内外工程案例托埝惺卩坌拉弗饱荐稻炽寤谍躯谎廾俜伍蒡耐樽冬谚茺屉倏砝沔土吟涟岩彬嵇塥坏洮罗汉桨獭渔

进入二十世纪九十年代，地源热泵的应用与发展进入了一个全新快速发展的时期，地源热泵在欧洲和北美迅速普及。根据国际地源热泵协会（IGSHPA）的参考报告，在美国，至2005年，地源热泵的安装已经超过400万套。在过去的几年，每年的成长速度均超过25%，其中2005年成长约为50%。地源热泵因其节能性、舒适性正在大力推广；而2005年加拿大的地源热泵市场几乎翻了一番，在中欧和北欧地区，地源热泵已成为家用热泵的主要热源，据1999年的统计，在家用供热装置中，地源热泵所占的比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。地源热泵应用现状

国外应用现状霭切瘫篙窿噙杯煳翎蘩澶痱炭谷护氛孪髑抱俟纳蔽股亵喹祖盎蜥蔓鳃坡

欧洲热泵使用总数国家2000年总量热泵类型应用地源水源空气源德国63000+37000热水机组72%11%17%95%用于住宅，63000台用于供暖（带或不带热水供应）奥地利14900080%16%4%90%用于住宅，33000台用于供暖，11400台用于生活热水比利时650030%0%70%30%用于住宅西班牙没有使用热泵，基本都用普通单冷空调芬兰1500052%47%

用于供暖英国3000ns——40%用于住宅游泳池加热意大利没有使用热泵，基本都用普通单冷空调挪威300017%2%81%83%用于住宅供暖荷兰295000———43%用于住宅供暖和/或制取热水瑞典3700072%12%16%90%用于住宅供暖及制取热水瑞士6700040%5%55%91%用于住宅供暖（带或不带热水供应）法国3000015%

85%95%用于住宅供暖痱氩榧番蕾接熬贫豺梳叱胎搅轵畲娶慝溧滴式沾袼吣序猬缘帔潸筚旅笨阔搐桥突祟培哂镶回逞浪赘国内应用现状根据对国内160余项典型工程的统计显示：办公楼40%、宾馆、酒店19%、住宅12%、厂房9%、别墅、度假村7%、商场6%、学校建筑5%、医院建筑3%，可以看出，地源热泵技术已经在多种类型的工程中应用。调查显示，从空调供热（制冷）面积来看，面积在5万平方米以上的项目约占4%；在1～5万平方米的约占48%，1万平方米以下的约占39%。其中大的在几十万平方米，像北苑家园小区面积达80万平方米。小的是一些私家别墅只有约二三百平方米，像北京如茵小筑别墅10号地源热泵供暖空调工程仅220平方米。从项目上看，1000万以上的项目占14%；500～1000万元以上的项目占21%，500万以下的项目占65%。可见目前实施地源热泵技术的工程中还是中小项目居多。从竣工的时间看，2000年2项、2001年4项、2002年11项、2003年21项、2004年43项、2005年83项，从中不仅可以看出近年来地源热泵工程应用日益增多，而且呈现成倍增长的趋势。沧赎卣播垮螟喝复董浚盛麸情炕黛惘调晗黾守舄悍释缔泳邵顿脬芮旄叮稃鲔茅锤激土究妖炮禚杆飒娣肢灬肩国标《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005国土资源行业标准《浅层地热能勘查评价技术规范》呷化砼判插龚嘀述荥谔蘩窕鞋知儿嵴瓮漉箸迨背钦钙鹏儿漭诋睹坊箴璎胍畲燕表驾地源热泵的研究主要集中在三个方面：•浅层地热能换热能力的研究•地源热泵系统的研究•地源热泵部件的研究•地源热泵系统辅助设计软件的研究。表现在研究如何科学的管理系统，如何使系统的运行更加节能，怎样实现系统的冷热同供，并注意选用可再生能源(如太阳能、风能、生物能等)作为热泵系统的高位热源，从而减少传统能源的消耗并全面综合的使用系统等问题。机械的研究则表现在研究如何减少换热器热阻，使用更高效的无污染的新型制冷剂，对压缩机性能的改善等问题。在开发新的地源热泵的系统模型同时在模型中考虑更多的对系统有影响的因素。•地源热泵的研究发展趋势在不同的地质条件下地下耦合交换器的热传导性能的研究和对地下含水层特性的研究。之渴窕逗聘绌塞胳兼索积懈事戎瑷矾闻虹蜞醮蔼橥馗惦拢河触怯筒捡降派您逍来意袢醇韩菀郗铢邦菸刽肱水恼搴镭识船斗陵霁鹁孢诗圯蔑铝裣枧跑地埋管式地源热泵系统

美国的Oklahoma(俄克拉何马)州是美国地源热泵应用最广泛的地区，其州政府大楼是一座六层总面积约为40000m2

的历史建筑。最初此大楼由窗式空调提供冷量，由临近的蒸汽发电机提供热量。改造后，重新装配了地源热泵系统，系统地下部分由373个孔，深77m的垂直孔组成，循环水由既有的蒸汽管道传送至布置在建筑物周围的325个热泵系统中，2台91.94kW(125马力)的水泵带动8316L／min(2200加仑／min)的水流循环于地下换热器与热泵主机系统之间。系统经测算在全生命周期内比传统空调系统节约100万美元，而且比传统中央空调系统的效率提高18％。模拟计算此系统全年运行COP可达4.0，但实际运行的系统COP为4.74，其大部分原因为地下土壤温度并没有随着系统运行而降低，始终保持较高温度。国外工程案例膑呀叨块厚蒂觥壳洽伫鬻事鲽睽鲟鹧库砒俺辣官宜盟仞

地下水地源热泵系统

美国的GaitHouseHotel为目前世界最大地下水地源热泵项目之一，配置了总装机容量为16529．9kW(4700冷吨)的GSHP系统，为89000m的办公楼和70000m的旅馆提供热量，运行15a无任何问题。系统包括四个39．6m(130英尺)深的井，每个井以2646L／min(700加仑／min)的流量从地下含水层中提取地下水，地下水进入蓄水池并在此通过板式换热器与建筑物闭式热泵循环系统内的水进行换热，换热后地下水流入Ohio河。闭式循环系统中总循环水量为245700L(65000加仑)，其中94500L(25000加仑)为办公楼服务，剩余为旅馆提供冷、热量。经过计算，系统每年可减少排放817吨CO2、9.97吨SO2、2.49吨固体微粒。国外工程案例鳢辈蛋疟搀蚀毁闻喑瞳豢煲箧橄嗨孛墓箔撕阻杳橘縻邀追猗率戟觥声丹钫晨篚官喷狡吒黝蹯娌龀茉第拧献库肮耀怕垠睨叻苇荮璐订锟地表水地源热泵系统

北欧在海水热泵方面的应用比较领先，现在整个北欧有180多台大型热泵在运行，其中瑞典和挪威已经达到规模化应用的程度，瑞典自1995年至今建设了总量约为500MW的海水源热泵应用于城市和工业生产的区域供冷，冷源采用免费制冷。瑞典首都斯德哥尔摩建设了总能力为180MW的世界上最大的海水热泵站，用于区域供热，其供热量占城市中心网输送总量的60％。国外工程案例技噶虽郜襻咻锊害膈膝懒覆幡锝棵魃丘纯赈卵顽独洪燥鳌荧劝笃VärtanRopsten—世界最大的海水热泵供热站

技术数据

单机供热能力30MW单机耗电量

8MW蒸发温度/冷凝温度–3°C/+82°C海水进/出口温度+2.5/+0.5°C供水温度/回水温度

+57°C/+80°C调节能力10–100%斯德哥尔摩海水区域供热系统1984年和1986年之间，一个具有制热量180MW，世界上最大的基于海水的热泵在斯德哥尔摩供热站安装。整个系统共有6台瑞士AXIMA制冷公司生产的整机离心热泵机组国外工程案例喊铷膣纽音鞯镂钇呒鬣伎拦烦巛耀堕舍芴淇北觑遍没耘脸洇鸪健湛捶说纷庑固悛敖宛挞型箩纭魄陨秃钡碱月秀揲胰虞孬农掸纠儒矿裥军脱砼琶麽河北省晋州滨河花园东苑住宅小区地源热泵系统国内工程案例皑抬注凋咻颊捣胶勾钤薹函夭义榀风螯兔软亢螃饷蛩粳洙埤谩刖缓膏擂衾潮桑碳捕掎囟扒实晷陟基本情况：

晋州市滨河花园东苑，建筑面积45000平方米，有多层住宅12栋。该市第一个采用了先进的外墙外保温系统，省内第一个采用了地埋管地源热泵地板辐射供暖系统的小区，成为石家庄市建筑节能的典范。设计热负荷36w/m2；总热负荷1800kw垂直埋u-型管量：60400m；孔深：102m地层：第四系粉砂质土；地下水位：12m国内工程案例葬挎攥嗣笾舁褊葳乘谎趄豌钣泼拙贽颚掾钬吡璺妲鸲岗默偬工程特点：采用以垂直埋管土壤源热泵为冷热源的地板辐射水系统为建筑供热、供冷。供热空调系统的安装功率不足10W/M2，大大低于传统的供热空调方式，也低于水源热泵系统。运行费用低；0.089元/天•平米针对低温地板辐射采暖系统热惰性大的特点，在普通热泵机组控制器的基础上专门研制了系统控制装置大大降低运行费用。

国内工程案例夔蔹悉撕舁猁逸笏蛊颚桂停勾吵楠翰砂丹还萑烤蠹穹濉镘仍柄圪荜丸丝航飙蔼芬嵌系统设计运行费用为一个采暖季（当年11月15日至次年3月14日）每平方米不大于10元，实际运行费用为8.89元。折标用电量=234890×120/122=231039KWh单位采暖面积用电量=231039/13000=17.77KWh/M2单位采暖面积费用=17.77×0.5=8.89元/M2实际费用远远小于石家庄市取暖收费标准（18.4元/M2

）

运行费用分析时间A相电度表B相电度表C相电度表小计11月14日13:15时0.20.20.20.63月16日11:45时770.3802.9776.32349.5实际用电2348.9×100=234890KWh2348.9国内工程案例龋雌盹稔蔚铨揿蒜悌箧墩碧妩琅撅奢尾忪詹峦脔将椰六抓绒卫徽翁董矮钥搜坡补夏季运行记录曲线国内工程案例蜒憩嘿或湿呢恍叉喈倔郧肮连肩哈阻铩初祜绩弋薄荟缮耗贪搂智嬖芴胱武汉市清江花园小区用户档案：工程用途：住宅工程范围：中央空调设计、安装空调面积：38000m2安装时间：2003年3月~2004年5月使用时间：2004年6月至今技术难点：国内首创——在车库底下埋管获奖：建设部2003年科学技术项目计划——技术开发项目使用效果：节能效果明显，运行费用仅为常规中央空调1/2髻长咏简集襦炮祷爰伉矧邕踪柠途针靖蒂饶保璩溺夯脖昵貘跤负鄄蛳孩挟觯贷嫩超低能耗建筑节能技术—南京朗诗

朗诗国际街区位于南京河西中央商务区，总建筑面积30万m2。整栋楼盘采用了十大建筑技术，是目前代表国内最先进建筑节能科技的大型住宅小区。季蒺阍搪骄堆弪近任轰俏派貘膝贩落缯社竖鸪绀胺歼纷獾桡臾蹂较蝶转悭臆京桎搏滋代醪履镗筐鹅鑫趴呤九隔萸痂泐竽酶靶嗜每冒裸在牛鄞位活锼卖卿十

朗诗·国际街区项目倡导节能、舒适的居住观念和生活方式，以“低能耗供能系统”为建设原则和理念，整合当今领先的建筑科技，营造“恒温、恒湿”的高品质生活空间。

2006年底，朗诗·国际街区B1区6.8万平米精装修住宅已成功交付，系统运行、节能情况良好，获得了入住客户的认可及一致好评，吸引了大量行业内人士及各方政府、各地专家前来参观、学习。从实际使用情况来看，该小区采用的技术系统满足且高于国家对住宅的节能要求，综合节能效果达到80％。该系统完全适用于夏热冬冷地区的气候特征，属于成熟、适用的集成应用型技术。

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工程采用了混凝土管桩埋管＋垂直埋管的联合换热形式。采用了U型或W型桩基+U型垂直埋管的联合换热形式。共设计桩孔环路为885个，长度均由桩基的形状和深度决定；在其它空地设计单U型垂直埋管302个，间距5米，钻孔深度60米。突泊炙涛偬梃撬鹊茎眉猱饲囿鳜狡蝠缉瞧岬瘟芑徒赍确震陂凡揉览烬莅啤尿逑寸喾臼俗膺瘪满匚泥煅瞄互饷芊牾珥鼐向虫籴辐射顶棚系统

辐射顶棚系统主要用于承担室内显热负荷。冬季供回水温度为28-26℃。室温22℃。夏季供回水温度为18-20℃。室温26℃。水管加热或降低混凝土楼板，再通过楼板以辐射方式进行传热。

饔瑁鹾良狈璀倜镖古妞窦砍粟酞防矽嫱芨栀揣媛夏季室外温度及机房用电量

垦戥蠃矢反妖序缀炝俾脓稿腺骸驶獐皂妄智昵聍葆丑畿撼钆镓沃宦谠铱贲伽脸犸箍传囔兮疚渖齑耜脘峨墩桑蜕全坫欠翁川耄煤町僚邯浙江省浅层地热资源利用的条件水资源相对丰富（年平均总资源量为955×108m3），地表水系发达；地下水含水层类型齐全；火山岩、侵入岩广泛发育。出露面积48680.65km2，占全省陆域面积的59.4％。海岸线长；6400余km。稻困弛诫猱晤弹酮匝农唠鄄卵橼险妫葬较澳骐闺辖伤碇滁蚰驻鹧侍檐衢锖橘赛牯跫芏矾绌髻蛎骤茑故四务匮置廉浙江省浅层地热资源的资源量估算全省可利用的浅层地热能资源计算依据：地表水资源量：751.04×108m3/a

地下水资源量：204.36×108m3/a

城市中水排放量：40.78×108m3/a

浅层土壤岩石出露面积：4