地源热泵应用.

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1、地源热泵应用中的勘察与施工问 题及工程勘察企业的市场机会 苏 强 建设综合勘察研究设计院（CIGIS） 提纲 一、地源热泵简介 二、地源热泵的勘察 三、存在的问题 四、工勘企业的业务现状及优势 五、前景展望 概念 l地源热泵（Groundsource heat pump ，简 称GSHP）是一种利用地下浅层地热能（包括 土壤、地下水、地表水等）的既可供热又可制 冷的高效节能空调系统。 l它把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地 下，使其与大地进行热交换，或是通过中间介 质（通常是水或水和防冻剂的混合液）作为热 能传递的载体，并使中间介质在封闭环路中通 过大地循环流动，从而实现与大地进行热交换

2、的目的。 l冬季通过热泵将大地中的低位热能提取出来为 建筑供暖，同时储存冷能量，以备夏用； l夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下， 对建筑进行降温，同时储存热量，以备冬用。 l还可供应生活用水，是一种有效地利用能源的 方式。 发展简史 l“地源热泵”的概念最早出现在1912的瑞士的专利文献 。 l20 世纪50 年代，欧洲和美国开始出现研究地源热泵 的第一次高潮。 1954 年，美国人发明了世界上第一 台地源热泵，其工作原理与今天的地源热泵相同，只 是体积较大，机械功能和热效率比今天的热泵系统低 得多，但当时由于能源价格低，这种系统并不经济， 因而未得到推广。 l20 世纪70 年代，石油

3、危机把人们的注意力集中到节 能时，地源热泵研究又进入一次高潮，北欧国家的科 技工作者开始了地源热泵的实际应用研究和开发，并 得到了政府的大力支持。 l20 世纪80 年代是地源热泵技术飞速发展的时 期，北美国家的政府机构和科研单位大力开发 地源热泵的系统技术，美国能源部在俄克拉荷 马州立大学成立了国际地源热泵联合会（ IGSHPA ）。这一时期美国的地源热泵生产厂 家也十分活跃，成立了全国地源热泵生产商联 合会并逐步完善了安装工程网络。 l我国从1995 年开始学习和引进欧洲产品，直 到1997 年才出现有规模的地源热泵采暖工程 项目， l2001 年，重庆大学和山东建筑工程学院等高 校也纷纷

4、建成了各自的封闭循环系统示范工程 。 l政府方面，从1995 年上半年起，国家环保总 局、建设部、科技部等部门单独或联合召开了 几次产品推广会和应用现场会。 l至此，地源热泵技术不但得到了国家和地方政 府的高度重视，也得到了社会企事业各方面的 青睐，显示出了巨大的市场潜力。 特点 l与普通以空气作为冷热源的空气源热泵相比，地源热 泵具有如下优点： l(1) 高效节能： l相对于地球表面的空气与地表水，地面10 m 以下的大 地温度接近年平均大气温度，因此无论夏季或冬季， 其温度总是比地表面上的空气和地表水更适宜作为空 调系统的冷热源。理论上讲，降低冷凝温度和提高蒸 发温度都可提高循环效率，平均

5、可以节约用户30 % 40 %的运行费用，达到节能的效果。 l通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以 上的热量或冷量。 l表1 国内不同供暖方式的一次性投资对比 方式系统性能 一次性投资/万 元 附加投资 燃煤锅炉供暖、热水50煤场和运输 燃油锅炉供暖、热水61油库 耗电锅炉供暖、热水90专用供电线路 热网供热供暖、热水70 供热和回水管 道 溴化锂中央空 调 供冷暖、热水325输电管线 耗电空调机供冷暖295专用供电线路 地源热泵供冷暖、热水128地下循环系统 l据美国10 年的统计资料： l地源热泵的运行费用比耗电空调、中央空调节 约22 %25 % ， l运行费用比燃油、燃煤

6、锅炉节约40 %60%。 l地下开式循环系统寿命达30 年， l地下封闭循环系统可达50 年。 l(2) 运行稳定可靠，无需除霜： l空气源热泵（即空调）当盘管表面温度低于0 以下时，如果空气中的相对湿度同时达到某 一程度，盘管表面就会结霜，如不及时除霜， 霜就会越结越厚，阻碍盘管的热交换，严重者 会结冰，导致压缩机出现低压保护停机。 l而地源热泵无需除霜，使得机组运行稳定可靠 。 l(3)对环境无负面影响： l空气源热泵夏季对环境空气放热，冬季从环境 空气中吸热，加剧了建筑周围热环境的恶化。 若加上机组的噪声等因素，其对城市的整体环 境有较大的负面影响。 l而地源热泵无此影响。 l(4)属可

7、再生能源利用： l地源热泵是利用地球上水、土壤和岩石中储藏 的能量作为冷热源，进行能源转换的空调系统 。 l地源热泵作为一个蓄能系统，夏存冬取，冬存 夏放，是一个巨大的动态能量平衡系统，是一 种可再生的能源利用新技术。 l(5)一机多用，应用范围广： l地源热泵系统可供暖、制冷，还可以供生活热 水，实现一机多用。一套系统可以代替原来的 锅炉加空调的2 套系统。不仅节省了能源，还 减少了设备投资。 l可广泛用于宾馆、商场、办公楼、学校、医院 等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅。 l(6) 不占用地面土地： l地源热泵的换热器埋在地下，可环绕建筑物布置; l可布置在花园、草坪、农田下面或湖泊、

8、水池内; l可布置在土壤、岩石或地下层内，还可在混凝土 基础桩内埋管。 l不占用地表面积。 分类 l地源热泵的地下部分称为地下热交换器，目前 通常将其分为3 种： l土壤源热泵系统 l地下水源热泵系统 l地表水源热泵系统 二、地源热泵的勘察 l地源热泵系统工程技术规范（GB50366- 2005）中的强制性条文规定： l1.地源热泵在使用前必须进行场区的调查和详 细的工程勘察。 l热泵系统发展的好坏、运行效率的高低主要取 决于整个系统地下部分的工作状态，因此地下 部分的勘察、设计和施工是关键。必须了解使 用区的地质构造、水文地质状况，才能确定该 区域是否适合使用地源热泵系统。 l按照地源热泵系

9、统工程技术规范（ GB50366-2005）中的要求，对热泵系统的调 查和勘察主要包含以下方面的内容： l（1）收集、分析、研究现有资料 l通过整理分析拟建场地现有的地质、水文地质 、物化探等资料，了解浅层地热能的地质背景 ，查明地热田的地层年代、岩性特征、地质构 造特征以及地下水的补给、径流和排泄条件等 ，并结合不同的地面物探工作，确定含水层上 覆盖层的厚度、地层与岩性分界面形态、断裂 的位置和产状、地下水埋藏深度、流速流量及 含水层深度、含水量等，为浅层地热能的勘探 提供依据。 l（2）实地勘察 l主要包括对场地规划区现状的勘察，如场地内 现有的建筑物、植被、沟渠、管线及水井等的 分布状况

10、进行调查，依据不同的换热系统，对 岩土体的热物性参数、水文地质条件及地表水 状况进行详细的调查和测试分析。 三、存在的问题 l地源热泵在政府部门政策鼓励下，近年来发展迅猛， 经过一段时期的发展后，也出现一些问题： l对地热能概念还有不同的理解 l有专家认为“地源热泵技术是一种利用浅层地热能的、 既可以取热供暖又可以取冷供冷的空调技术”，“浅层 地热能的温度略高于当地平均温度35，温度比较 稳定，分布广泛，开发利用方便”， l还有专家认为地热能应该更强调热平衡的概念，而不 应当仅仅将其视为一种取之不尽的资源来利用。 l技术方面也存在如下方面的问题： l1在地埋管热交换器的设计计算和地下水的抽 取

11、与回灌的设计计算中： l只计算打井数量、埋管深度与埋管长度，不考 虑夏季累计向地下释放热量和冬季累计从地下 吸取热量的平衡，不计算地下岩土层、含水层 的温度场的逐年变化与累计变化。 l2 地源热泵系统设计所必需的地质构造和热物 理参数，如导热系数、热扩散系数、热容量， 以及地下水资源的分布、水质、水温、迁移速 度等参数，目前尚无完整可靠的国内资料。 l3 由于地源热泵系统常年周期的放热和吸热活 动，抽水和回灌行为，必然会影响地下的温度 场和含水层的水量、水质和流速的分布，地下 钻井埋管和打井也会影响原有地下浅层的水文 地质结构，因此必须建立监测井，对场区进行 定时、定期的监测，及时发现问题和隐

12、患，保 障系统长期、稳定地运行。 l4 对建立地源热泵系统的区域缺乏长期的地下 环境的监测和评估系统。 l地源热泵系统建立后长期运行时，必然会对场 区周边的地下水环境、区域生态环境产生影响 ，目前对这方面还缺乏研究。 le 最突出的几个问题 l回灌困难 l由于在基础水文地质方面缺乏系统的研究分析 ，地下水源热泵系统在经过一段时间的运行后 经常会出现回灌困难的问题，很难做到地下水 100回灌到同一含水层，不污染地下水。因 此，地下水开采与回灌的优化组合研究，在不 同的地质结构分别采用什么样的开采和回灌技 术、抽水井和回灌井的水量如何运移、热量如 何转换等一系列问题还都有待解决。 l腐蚀问题 l一

13、些地热井在使用23年后出现的井管腐蚀问 题，导致水温下降、地下水质污染、涌砂等问 题，常常会造成水井不能正常使用，不仅未达 到设计前的初衷，还造成了很大的浪费。 l岩土特性问题 l地源热泵系统设计中很重要的一个问题就是取得符合 反映实际情况的热物性参数。 l由于地下岩土的热物性平均值是变化的，在不同的地 质条件下，设计参数相差可以达到十倍左右，差别很 大。 l但目前的岩土热物性参数测试技术和测试仪器研发工 作目前还不很成熟，在某一个地区的研究成果可能完 全不适用于另一个地区，必须进行相应的修正甚至重 新研究，即使在同一场地条件下，不同仪器测试出的 结果也有较大的不同，这就为参数的使用者造成了困

14、 惑，也为热泵机组日后的长期正常运转形成隐患。 l地源热泵技术是一项跨学科、跨专业的综合能 源利用技术，需要暖通工程师和岩土工程师的 紧密配合，两者缺一不可。 l这就要求岩土工程师在进行热泵勘察时和暖通 工程师充分交流，认真了解对方的需求，结合 自身的工程经验，认真进行勘测、设计、施工 和调试等各项工作，使系统达到要求的节能、 环保的性能。 四、工勘企业的业务现状及优势 l 特点： l 业务接触少 l 进入企业少 l 市场比重小 l由于地源热泵在我国的兴起时间并不长，真正 获得迅猛发展也是因为近几年随着节能减排工 作在政府工作中比重的加大。 l目前在地源热泵勘察和施工过程中，主要是地 矿、石油

15、等行业的企业在做工作，同时还存在 着一部分个人等，技术水平和施工质量参差不 齐。 l而工程勘察企业接触地源热泵行业的数量很少 ，在这个新兴的领域中所占的市场比重也很小 。 l随着勘察设计行业体制改革的进行、加入WTO 后国外勘察设计企业的进入，勘察设计行业面 临的竞争也将异常激烈。 l因此，积极拓展在这一新领域的业务，可能为 勘察设计企业开拓新的业务方向、提高技术创 新意识和增强企业技术竞争力提供一个机遇。 l工程勘察企业进入地源热泵行业有着自身的优 势。在地源热泵系统工程技术规范中的两 个强制性条文中，均与工程勘察企业业务有关 ： l1地源热泵系统在设计前必须经过地质调查和 工程勘察； l2

16、换热后的地下水必须同层完全回灌。 l第一个强制性条文调查是通过了解周围的水井 等，了解这个地方可能进行的施工方式，通过 调查后，进行有针对性的勘察，包括地下水的 勘察及热物性的勘察。 l第二个强制性条文是从保护水资源的角度强调 了开式系统的完全回灌和同层回灌，属于典型 的水文地质问题。 l地源热泵技术的推广使用无论是开式循环系统 还是闭式循环系统都离不开岩土钻掘工程。 l垂直封闭式的地下循环系统，其岩土钻掘工作 量更大，其钻孔长度与供暖/ 制冷建筑面积之 比为12 倍，地下系统的投资约与地上系统 持平。 l最终决定热泵系统效率高低的是地下换热器技 术方面，这个问题已经越发突现，因此国内外 对地源热泵研究的重点大都放在地下热交换系 统上。 l在涉及到整个热泵系统长期使用的其他关键技 术，如岩土热物性参数的获取、使用过程中的 腐蚀等问题，也并没