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1、当前地源热泵系统建设中 若干问题的讨论 汪训昌 中国建筑科学研究院当前地源热泵系统建设中 若干问题的讨论l关于地源热泵系统的原理 - 浅层地 热能论与蓄热层论之争l地源热泵系统的优缺点与适用条件l地源热泵系统的监测与监管l岩土层热物测试与地埋管设计计算的若 干差异性问题关于地源热泵系统的原理 - 浅层地热能 论与蓄热层论之争1.1 产生此问题的背景 建设部在2006-2007年之际把“地源热泵系统”列为一种“ 利用可再生能源”的新技术,享有“可再生能源利用”的政策 补贴 国土资源部于2008年初,正式提出“浅层地热能”的资源观 点与评价方法 2007年8月在中国资源综合利用协会下面正式成立了“
2、地温 资源综合利用专业委员会”- 挂靠在国土资源部中国地质环 境监测院下面; 一些杂志社、学会、协会的介入、参与、和推动。如:工 程建设与设计编辑部,中国城市经济学会,中国可再生能源 学会,中国能源研究会地热专业委员会,地源热泵编辑部 。 地源热泵系统建设得到了不断的“政治加温”。关于地源热泵系统的原理 - 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.2 “浅层地热(温)能”观点的代表作l 陶庆法 胡杰:“浅层地热能开发利用现状、发展 趋势与对策”;l 浅层地热能勘查评价技术规范(征求意见第二稿)l 韩再生:“浅层地热能勘查评价技术规范编制说明 ”l 韩再生:“浅层地热能勘查评价”关于地源热泵系统的原理
3、- 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.3 争论的焦点与核心问题l“浅层地热能”观点认为: 蕴藏在地下岩土 层含水土的恒温带(地下20-200 m)中热量与温 度是一种资源,简称为“浅层地热能”或“浅 层地温能”,它是地热资源的一部分,是一种 国家资源,应由国土资源部系统进行勘查、评 估、评价、管理、与有计划地开发利用;l“浅层地热能”观点认为:蕴藏在地下岩土层含 水土的恒温带中热能为地源热泵系统冬季供暖 提供了“热量”、“冷量”与“能源”;关于地源热泵系统的原理 - 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.3 争论的焦点与核心问题l“浅层地热能”观点认为:地源热泵是 一种利用浅层地热能作为冷热源进行能
4、量转换的供暖空调产品。l“浅层地热能”观点认为:浅层地热能 资源评价是地源热泵工程设计的基础, 也是区域浅层地热能规划、管理的依据 。 关于地源热泵系统的原理 - 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.3 争论的焦点与核心问题l“地源热泵系统”观点认为: 地下岩土层含水层是地源 热泵系统运行工作的“热汇”与“热源”,地下的温度 是确保地源热泵系统髙效、稳定、可靠、可持续运行的 “环境参数”。它的设计原则是必须保持夏季向地下释 放的冷凝热与冬季从地下吸取的热量相等,根本不需要 利用地下任何其它热量,更谈不上要利用任何“浅层地 热能”或“浅层地温能”。地源热泵从本质上、原理上 讲是一种“废热利用”,地下
5、岩土层含水层在地源热泵 系统中仅仅是起到一种“蓄热层”的作用。l“地源热泵系统”观点认为:地源热泵系统利用的热量是 自身在夏季向地下排放的冷凝热,而且在许多工程中, 可能还需要采取辅助的工程措施排放多余热量。关于地源热泵系统的原理 - 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.4 “浅层地热能”的误导作用l使国土资源部自身误以为发现了一种低品 位的新的能源资源,它是一种国家资源- -故“浅层地热(温)能”,需要由国土资 源部系统从中央到地方,大力进行勘查、 评价、评估、规划、开发与利用,而不是 把工作重点放在地下水资源、地质环境的 保护、传热蓄热、热质迁移规律的研究与 管理上。关于地源热泵系统的原理 -
6、 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.4 “浅层地热能”的误导作用l使其他部委及某些地方政府的官员错误 认为,这是一种取之不尽,用之不竭, 像太阳能、风能那样的,可再生的、不 污染环境、不用化钱买的“新能源”。三 北地区某些地方政府目前正运用行政手 段,向只有单纯冬季供热需求的居民住 宅区大面积推广“地下水地源热泵系统” 。关于地源热泵系统的原理 - 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.4 “浅层地热能”的误导作用l使原来就没有计算全年逐时冷、热负荷的不负 责的设计单位,有了“借口”,得到了“庇护 ”与无形“鼓励”;而又会使原来认真计算全 年逐时冷、热负荷和采取各种工程措施进行全 年冷、热平衡的设计单
7、位与业主会渐渐削弱、 或放弃原来的科学设计方法和精心设计的严谨 作风,觉得过去的精心设计是“白费功夫”, “吃力不讨好”。 关于地源热泵系统的原理 - 浅层地 热能论与蓄热层论之争1.5 我们的立场与观点l我们虽然坚决反对“浅层地热能”或“浅层地温 能”的资源观点以及由此所制订定的浅层地热 能的勘查、评估、评价方法,但是我们积极主 张暖通空调与水文地质两专业、两行业、两部 门之间应在科学开发、建设、利用地源热泵系 统领域紧密合作,相互学习、有效沟通、及时 协调。在充分、科学、合理利用好地下浅层岩 土层含水层作为“蓄热层”的同时,保护好地下 的地质水文环境。地源热泵系统的优缺点与适用条件 2.1
8、 地源热泵系统的优点l由于一年四季的地下环境参数在10 20C范围内变化,故其全年的制冷量与 制热量输出(能力)比较稳定,没有“逆 反”效应;l正因为一年四季地下的环境参数均在较 适宜的1020C范围内变化,其夏季的 制冷效率EER与冬季的制热效率COP都相 应要比空气源热泵系统髙2040;地源热泵系统的优缺点与适用条件 2.1 地源热泵系统的优点l当地源热泵工程的冬季从地下累计取热 量和夏季向地下累计放热量基本相等时 ,地源热泵系统可以不设任何冷却塔与 辅助加热设备,从而减少了保养费用和 改善了建筑的外立面美观;l充分利用了夏季制冷时的冷凝热,储存 于地下,有效地减轻了城市的夏季热岛 效应,
9、同时也便于提供全年的生活热水 。地源热泵系统的优缺点与适用条件 2.2 地源热泵系统的缺点l初投资髙,因为地下钻井打眼埋管和打井都需 要高额的工程建设费,尤其是在现场地质水文 条件恶劣的情况下更为突出。在有一些工程中 ,其地下钻眼埋管或打井费用甚至和地上空调 系统的建设费用相接近;l地源热泵系统的全年供冷供热性能与经济性强 烈依赖于建筑的冷、热负荷计算,设备选用, 和地下埋管或水井设计计算与施工。精心设计 与精心施工的工程和粗制滥造的工程,无论在 性能上、在初投资上、还是运行费用上、及使 用寿命上都会有成倍的差别;地源热泵系统的优缺点与适用条件 2.2 地源热泵系统的缺点l目前,无论国内或国际
10、水平而言,人们对于地 下岩土层与含水层中的传热,蓄热,以及热、 质交换与迁移的规律的研究相对还是比较少和 不够成熟,不一致、不统一的地方还是比较多 ,有时同一工程由不同的人进行设计,其差异 性可能较大;l就目前国内熟悉地源热泵系统的合格设计者而 言,其数量有限。l目前国内有经验的、合格的承包商不多。地源热泵系统的优缺点与适用条件 2.3 地源热泵系统的适用条件鉴于地源热泵系统是利用了地下30 m 至300 m深、温度既不低又不髙的恒温带 作为热泵系统的“源”与“汇”的地下 环境,和全年空调热泵自身既需夏季排 热和又需冬季取热的特点,确保了热泵 的高效、稳定、和可持续地运行。因此 ,地源热泵系统
11、的建设一般应遵循以下 适用条件:地源热泵系统的优缺点与适用条件 2.3 地源热泵系统的适用条件l全年室外空气平均温度 (或地下恒温带温度) 处于1020 C的地域;l具有经济打井的地质条件和拥有合适浅层地下 水资源的地域;l全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的 供热供冷工程,否则就需采用一些工程的辅助 与补救措施;l夏季供冷温度不低于5 C,冬季供热温度不高 于60 C的工程;地源热泵系统的监测与监管 3.1 问题的提出地源热泵系统的建设,无论是地下水水源热泵系统, 还是地埋管水源热泵系统,都会和都要“破坏”地下原有 的岩土层与含水层的地质水文构造与条件。首先,在钻 井过程中,不论是打水井
12、,还是钻垂直埋管井眼,都会 使原本相互隔离与封闭的地下含水层有可能串通起来, 在各含水层之间产生相互影响;当地下井系建成之后, 在地源热泵系统运行过程中,冬季从地下取热,夏季向 地下释放热量必然会使地下的温度场,流场产生冬夏的 交迭周期变化。对于地下水水源热泵系统,当周期地进 行循环抽灌时,更会引起水位、水温、渗流速度与流向 、水质的变化。为了确保地源热泵系统自身的长期、持 久、稳定、高效、可靠运行,和保护地下的水文地质环 境,因此必须对于地源热泵系统的建设与运行提出严格 的监测与监管的要求。地源热泵系统的监测与监管3.2 监测要求在国土资源部、水利部、建设部一致地认 识到需要对地源热泵系统的
13、工程实施强制性监 测与监管的条件下,应尽快、尽早联合制定地 源热泵系统建设的监测 (含设计与施工安装阶 段) 标准。该强制性标准应包括以下内容:l为保护地下的水文、地质、资源环境,规定必 须监测的参数有:地温、水温、水位、水流量 (抽、灌)、渗流速度与流向、水质等;地源热泵系统的监测与监管3.2 监测要求l监测井与监测点的布设和系统大小的关系 ;l传感器的选用要求:稳定性、精确度与准 确度,以及其二次仪表的正确选配;l监测井的施工与传感器的安装要求;l监测系统的验收;l传感器的定期标定与监测系统的定期检验 。地源热泵系统的监测与监管3.3 监管要求对于已建成的地源热泵系统的工程,必须 实施强制
14、性监管。国土资源部、水利部、建设 部应尽快、尽早联合制定地源热泵系统的运行 管理条例,强制性要求该系统的业主单位或物 业管理部门对该系统的正常工作负责,保持记 录并定期按时向上级主管部门提出书面报告。 该监管条例应包括以下内容:l该系统的业主单位或物业管理部门对该系统的 地下监测系统正常工作与日常维护全面负责;地源热泵系统的监测与监管3.3 监管要求l该系统的运行管理人员必须熟练掌握地下参数 监测系统的使用与数据记录,出现故障需及时 申报与维修;l主管部门有责任委托有资格的计量管理单位每 年定期对下属的地源热泵系统的地下参数监测 系统进行重新标定与检验,并出具书面检验合 格证书;l该系统的业主
15、单位或物业管理部门有责任对该 系统的地下监测系统的监测结果向主管部门提 出书面的每月报表与每年报告,提出问题与改 进意见;地源热泵系统的监测与监管3.3 监管要求l在运行与监测过程中发现异常现象与故障,一 方面需准确记录备案与及时处理,同时必须向 上级主管部门提送紧急书面报告;l该系统的业主单位或物业管理部门有责任委派 专职人员收集与保存监测系统的数据记录与报 告的长期档案;l主管部门在收集、整理与归纳下属单位提交的 所有报表与报告基础上,应负责提出该地区地 下水文地质参数变化趋势的年度分析报告,并 邀请有关专家与下属单位负责人参与审查,最 后再逐级上报。地源热泵系统的监测与监管3.4 体制上
16、的统一领导因为地源热泵系统的正常运行与健康发展,涉 及到多个部门的管辖范围与利益,在监测与监 管上必须实行一元化领导,统一的管理机构, 如可以建立挂靠建设部系统下面的,从上而下 的各级“地源热泵系统工程建设联合办公室”, 由国土资源、水利、建设三部门的干部与专家 组成,避免再次发生互不通气、各自为政、多 头领导、有利相争、有事推诿。统一领导,从 事制订政策、相关标准、规程、条例、监测、 监管等工作。岩土层热物测试与地埋管设计计算的若干差异性 问题 4.1 问题的提出近几年我国的地源热泵建设发展迅速 ,基本上以每年2025的速度在增 长,由于设计与建设过程中缺乏统一的 设计计算方法、测试方法、操作规程、 物性测试仪器、软件、最后在地埋管的 总长度上和地下水水井的数量与流量上 ,即使对于一些有较强技术力量和勘测 设计认真的单位,也可能存在有20 40的差异。岩土层热物测试与地埋管设计计算的若干差 异性问题 4.3 值得思考的问题与今后的努力方向l