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1、课题4、村镇低品位能源综合利用关键技术研究一、研究内容研究村镇浅层地热地源热泵综合应用关键技术，包括农村专用的免维护高可靠性低成本的高效小型水源热泵机组研究开发,紧凑组装式小型浅层地热地源热泵系统的研究开发,村镇浅层地热地源热泵系统标准设计技术的研究；典型示范工程研究等；研究村镇地下储能直接冷却与直接蒸发冷却应用关键技术，包括地下土壤储能直接冷却应用技术研究,地下水直接冷却应用技术研究,直接蒸发冷却应用技术研究,典型示范工程研究等。二、研究目标（考核指标）编写村镇浅层地热地源热泵系统设计手册1本，地下储能直接冷却应用技术指南1本，直接蒸发冷却应用技术指南1本;编制地下储能直接冷却应用辅助设计软
2、件一套，直接蒸发冷却应用辅助设计软件一套。完成农村专用的免维护高可靠性低成本的高效小型水源热泵机组研制，性能符合国家标准GB/T 19409-2003要求，寿命超过15年，使用过程中性能衰减不高于20%；取得专利1-2项。完成村镇浅层地热地源热泵综合应用、村镇地下储能直接冷却应用和直接蒸发冷却应用示范工程各一项；采用紧凑组装式小型浅层地热地源热泵系统的节能村镇建筑示范工程造价不高于250元/建筑平米，运行费用全年低于40元/建筑平米，冬季室内温度高于16，夏季室温低于30；采用村镇地下储能直接冷却应用技术或直接蒸发冷却应用技术的示范工程在增投资不超过建筑总投资20%的前提下，全年夏季室内温度不
3、超过30。发表学术论文510篇，在全国范围内培养相关技术人员1500人次。三、经费投入国家投入400万元，申请单位按不低于国拨经费11的比例提供自筹资金。四、申报要求1、课题申报单位应为长期从事低品位能源综合利用技术研究和开发的科研单位、高等学校及企业。申报单位应具有承担相关国家科技项目的经验，具有国内先进水平的实验研究基地。2、申报单位应具有相关的技术力量、成果和一批学术技术人员，技术方案先进、合理、可行，攻关目标明确，成果有科学价值和示范效应，自筹资金能够落实；能得到地方政府的支持。3、积极鼓励科研单位和企业以“产学研联盟”的方式联合申报课题，实现责任和风险共担、知识产权和利益共享。村镇浅
4、层地热地源热泵综合应用二、课题的目标与任务1项目确定的课题目标与任务需求分析1）课题的目标与任务针对我国农村的现有能源结构，研究开发农村专用的免维护高可靠性低成本的高效小型水源热泵机组、紧凑组装式小型浅层地热地源热泵系统, 研究村镇浅层地热地源热泵系统标准设计技术，实现村镇低品位能源综合利用，为我国农村的建筑节能提供技术和设备支撑。2）需求分析我国农村建筑面积约为250亿m2，2004年总耗电量900亿度，生活用标准煤0.3亿吨。但需要指出的是，目前我国农村的煤炭电力等商品能源消耗量很低，薪柴、秸秆等非商品能源在农村建筑能耗中占很大份额，如果这些非商品能源完全被常规商品能源所替代，则我国建筑能
5、耗将增加一倍。随着我国新农村建设步伐的加快和国民生活水平的提高，当地居民对健康舒适的室内环境需求不断增长，住宅空调的安装与使用日益普及，建筑能耗急剧增长，直接威胁到社会能源系统的安全，影响社会的正常运转，势必要求我们拓展能源使用的途径，采用浅层地热等可再生能源，比如浅层地热地源热泵系统。2课题目标与任务解决的主要技术难点和问题分析课题目标与任务解决的技术难点和问题主要是：1）水源热泵机组液位控制与回油两大技术难点；2）高效小型水源热泵机组主要部件的匹配；3）农村专用的高效小型水源热泵机组的免维护高可靠性低成本；4）组装式小型浅层地热地源热泵系统的紧凑化；5）地源热泵系统的运行特性与热泵机组性能
6、和埋管换热器性能之间的相互耦合关系；6）根据当地土壤特性，综合考虑系统初投资和运行费用的大小，确定出适宜的热泵机组容量和埋管换热器长度的匹配关系；7）冬夏负荷不平衡率对机组长期运行性能的影响机理。8）装置设备与建筑功能、建筑美学的协调三、现有工作基础与优势1国内外现有技术、知识产权和技术标准现状及预期分析地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能，因此被称之为：一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。这项起始于1912年的技术（瑞士提出的一个专利，该技术的应用始于英、美两国），美国从1946年开始对GSHP系统进行了十二个主要项目的研究，如地下盘管的结构形式、结构参数、管材对热泵性能的影响等。并在
7、俄勒冈州的波特兰市中心区安装了美国第一台地源热泵系统。特别是近十年来地源热泵在欧美工业发达国家取得了迅速的发展，已成为一项成熟的应用技术。到2000年底，美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用，每年约提供800011000Gwh的终端能量。在欧洲国家里更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。地源热源在工程上的应用主要为地下耦合热泵系统（GCHPS）和地下水热泵系统（GWHPS）、地表水热泵系统（SWHPS）。地下耦合热泵系统最早应用在89年10月投入运行的上海闵行开发区办公楼（4305m2，冷负荷4532KW，热负荷231KW），其技术和设备均由美国提供，使用情况良好。1
8、35个深35米的垂直竖管井,埋管为聚丁烯管。国内的大专院校均进行了相关的垂直或水平埋地管的试验研究和小型的工程应用,并建立了地埋管的传热模型。各地的地质条件不同，土壤的温度和热物性参数都不一样，因此，地下耦合热泵的应用还有待进一步的实验验证和实验数据的积累。美国相关标准：ARI320-98, Water Source Heat Pump ARI325-98, Ground Water-Source Heat Pumps ARI330-98, Ground-Source Closed-Loop Heat Pumps,1998 ARI110-97, Air-Conditioning and Ref
9、rigerating Equipment Nameplate VoltagesASHRAE37-1988, Methods of Testing Unitary Air-Conditioning and Heat Pump EquipmentANSI/ARI/ASHRAE ISO Standard 13256-1: 1998, Water-Source Heat Pumps-Testing and Rating for Performance-Part 1: Water-to-Air and Brine-to-Air Heat Pumps；ANSI/ARI/ASHRAE ISO Standar
10、d 13256-2: 1998, Water-Source Heat Pumps-Testing and Rating for Performance-Part 2: Water-to-Water and Brine-to-Water Heat Pumps.国内相关标准：GB/T19409-2003水源热泵机组；GB/T108702001容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法； GB/T18430.12001蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水（热泵）机组； GB/T18430.22001蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组户用和类似用途的冷水（热泵）机组； JB/T7227199
11、4复合热源热泵型螺杆式冷水机组； GB/T10870-2001:容积式和离心式冷水(热泵)机组性能试验方法；GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范。四、任务分解与考核指标1课题研究内容、技术路线和创新点（一）研究内容村镇浅层地热地源热泵综合应用关键技术包括：（1）农村专用的免维护高可靠性低成本的高效小型水源热泵机组研究开发研究小型水源热泵机组中主要部件，如小容量压缩机（如涡旋式压缩机）、冷凝器、蒸发器、节流装置、四通换向阀等的相互匹配，以期达到节约成本、提高可靠性与稳定性、易于维护的目的；研究不同地区土壤初始温度及土壤温度变化对制冷剂冷凝温度和系统COP的影响；（2）紧凑组装式小型浅
12、层地热地源热泵系统的研究开发为提高系统的经济性和能源的利用效率，可考虑采用集中式地源热泵系统；从地热换热器、制冷剂环路和末端环路三方面综合考虑：从土壤特性（导热系数、密度、比热等）、埋管深度、埋管井分布来确定地热换热器系统；末端装置可选取风机盘管或空气/冷煤热交换器；研究系统在冬夏运行过程中启动和稳定阶段、过渡季节停运阶段的土壤温度场的变化规律，判别系统的复原性；评估不同的冬夏负荷不平衡率对机组长期运行性能影响；研究紧凑组装式小型浅层地热地源热泵系统的控制策略；为实现冬、夏吸收与释放热量的平衡，可考虑采用复合式地源热泵系统，复合地源热泵系统各部分承担的负荷比例，应根据具体情况，通过运行模拟和能
13、耗分析加以确定。（3）村镇浅层地热地源热泵系统标准设计技术的研究完善地源热泵系统地埋管换热器的传热模型，得到精确可靠的系统设计方法和有效的计算工具；研究地源热泵系统的运行特性与热泵机组性能和埋管换热器性能之间的相互耦合关系。热泵机组容量大小、埋管长度、埋管井分布、和土壤特性等因素都影响和制约着地源热泵的运行特性；土壤导热系数大，有利于地源热泵的安全运行和节能效果的提高。地源热泵应用于不同地区时，应根据当地土壤特性，综合考虑系统初投资和运行费用的大小，确定出适宜的热泵机组容量和埋管换热器长度的匹配关系；目前工程实践中，普遍采用热响应实验来确定地埋管换热器单位井深放热量或土壤导热系数来确定其长度。
14、（4）典型示范工程研究对村镇示范应用浅层地热地源热泵的可行性研究（含制冷、供暖或供生活热水等方面）；对新建村镇示范项目室内热湿环境和空气品质以及空调系统能耗进行跟踪测量，研究村镇应用浅层地热地源热泵，室内热舒适性及空气品质、节能效果、经济性和环保效益。同时，确定合理的社会教育和科普推广途径，引导广大人民群众对节能的正确认识。以期满足一下指标：采用紧凑组装式小型浅层地热地源热泵系统的节能村镇建筑示范工程造价不高于250元/建筑平米，运行费用全年低于40元/建筑平米，冬季室内温度高于16，夏季室温低于30。（二）技术路线确定建筑物负荷筛选主要部件免维护高可靠性低成本高效水源热泵机组地热换热器环路末
15、端环路土壤特性地埋管长度与分布紧凑组装式小型浅层地热地源热泵系统村镇浅层地热地源热泵系统标准设计技术典型示范工程（三）创新点1）不同的冬夏负荷不平衡率对机组长期运行性能影响；2）地源热泵系统的运行特性与热泵机组性能和埋管换热器性能之间的相互耦合关系；3）适宜的热泵机组容量和埋管换热器长度的匹配关系。3主要经济、社会、环境效益地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。它与使用煤、气、油等常规供热制冷方式相比，具有清洁、高效、节能等诸多优势。因地制宜发展地源热泵系统，有利于优化能源结构，促进多能互补，显著提高能源利用效率。地源热泵系统主要是充分利用了可再生能源，有利于缓解能源压力，减少大气污染，这同时也是建筑节能的必然要求。热泵系统在运行过程中无有害物质排放，同时由于减少了油的燃烧向环境排放的热量和制冷系统向环境排放的热量，因此，可降低建筑物对环境热污染造成的热岛效应，具有明显的社会和环境保护效益。
