地源热泵技术研究

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1、1地源热泵技术研究地源热泵技术研究规划设计部规划设计部一、地源热泵系统简介及相关政策一、地源热泵系统简介及相关政策二、土壤源地源热泵系统二、土壤源地源热泵系统三、地源热泵系统设计三、地源热泵系统设计四、地源热泵系统施工四、地源热泵系统施工地源热泵系统简介及相关政策地源热泵系统定义1.国家标准：地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005（2009版）2.0.1条，对地源热泵系统（ground-sourceheatpumpsystem)的定义是：以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。2.美国暖通空调工程师协会组织ASHRAE定义：

2、地源热泵是一种使用土壤、地下水、地表水作为热源和热汇的热泵系统。分为三大类：1)土壤源耦合式热泵系统，也可称也可称闭环地源热泵。2）地下水热泵系统。3）地表水热泵系统。地源热泵系统基本原理热泵的作用是从低位热源中吸取能量，并把它传递给高位热源。在这个过程中虽然消耗了一定的高品位能源，但是向高位热源供给的却是从低位热源中提取出的能量与高品位能源之合。因此，热泵是一种节能装置。其工作原理和制冷机相同，都是按照热机逆循环工作的，不同的是工作温度范围不同。土壤源热泵运行基本原理钻井钻井空气空气室外室外压缩机压缩机冷凝器冷凝器/蒸发器蒸发器墙体墙体风机风机膨胀阀膨胀阀埋地换热器埋地换热器冷凝器冷凝器/蒸

3、发器蒸发器室内室内可逆阀可逆阀土土 壤壤液体循环泵液体循环泵土壤源热泵的几种形式水源热泵的几种形式地源热泵国家政策国家经贸委2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点指出：“积极推广地热采暖和地热发电技术”，“加快地热热泵技术的引进和开发，加速国产化。要大力开拓地热采暖市场，到2005、2010、2015年地热采暖面积分别达到1500万、2250万、3000万平方米。要积极推动地热的综合利用”。建设部建筑节能十五计划纲要中明确指出“十五”期间建筑节能工作的重点之一是：“大力推进太阳能、河水、湖水、海水与地下能源及其他可再生能源在建筑中利用的的工作。可再生能源建筑应用专项资金管理暂行

4、办法（财建【2006】460号）第四条专项资金支持的重点领域：（一）与建筑一体化的太阳能供应生活热水、供热制冷、光电转换、照明；（二）利用土壤源热泵和浅层地下水源热泵技术供热制冷；（三）地表水丰富地区利用淡水源热泵技术供热制冷；（四）沿海地区利用海水源热泵技术供热制冷；（五）利用污水源热泵技术供热制冷；（六）其他经批准的支持领域。建设部2003年科技成果推广转化指南项目目录建筑节能技术第一条2003014节能型土壤热交换器地源热泵冷（热）水供给技术。组织实施可再生能源和新能源高技术产业化专项的通知（发改办高技2005509号）中专项的主要内容第（三）项列出：“太阳能供热和地源热泵供热（制冷）。

5、开展新型太阳能热水器和地源热泵系统产业化。包括高可靠性新型真空管集热器、大面积中高温太阳能热水系统、全天候太阳能热水系统、高效地源热泵及其配套系统”。建设部建筑节能“十五”计划纲要中列出的18项拟重点开展的科技项目其中的第13项指出：“地源热泵及水源热泵技术系统开发与工程应用”。2005年11月30日，中华人民共和国国家标准GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范发布。地源热泵国家政策江苏省相关政策江苏省于2010年1月1号颁布了公共建筑节能标准设计，提出甲类公共建筑至少使用一种可再生能源，即两万平方米以上采用集中空调的建筑，至少要采用一种可再生能源，包括地源热泵、太阳能光热以及光电。

6、如果是地源热泵，地源热泵提供的能量应占总系统空调用能的20%；用太阳能光热，必须要由太阳能光系统提供50%以上的热水负荷需求；如果是光电，要求光电相当的发电能力，要占总的建筑能耗的千分之二以上。江苏省政府前后出台了许多的规定：专项引导资金管理办法规定从08年到2010年，财政每年拿出一个亿，2010年以后，这个政策只会增加，不会取消。目前的补助标准见下表江苏省相关政策土壤源地源热泵系统国际能源大会国际能源大会WEC国际能源署国际能源署IEA,国际制冷国际制冷学会学会IIR等等国际组织及从事热泵的研究者都普遍认为土壤源热泵是：国际组织及从事热泵的研究者都普遍认为土壤源热泵是： 在目前和将来在目前

7、和将来最有前途的节能装置和系统最有前途的节能装置和系统 国际空调和制冷行业前沿课题之一国际空调和制冷行业前沿课题之一 地热利用的重要形式地热利用的重要形式1998年美国暖通空调工程师学会年美国暖通空调工程师学会ASHRAEASHRAE技术奖技术奖就授予土壤热源热泵系统就授予土壤热源热泵系统冷冷热热热热热热冷冷热热冷冷热土壤源热泵夏季示意图土壤源热泵冬季示意图 温温 暖暖冷冷温暖温暖温暖温暖冷冷 寒寒 冷冷温暖温暖温暖温暖温暖温暖土壤源热泵与普通空调比较土壤源热泵的组成土壤换热器土壤换热器热泵热泵机组机组用户末端用户末端水循环水循环水或空水或空气循环气循环 1.土壤换热器土壤换热器 2.水水热泵

8、主机水水热泵主机 3.用户末端用户末端土壤源热泵系统图压压缩缩机机U型埋管型埋管膨膨胀胀阀阀空空调调末末端端水泵水泵水泵水泵蒸发器蒸发器回热器回热器冷凝器冷凝器土壤源热泵的特点可再生能源利用技术可再生能源利用技术经济有效的节能技术经济有效的节能技术 环境效益显著环境效益显著 一机多用，应用范围广一机多用，应用范围广系统维护费用低，运行可靠系统维护费用低，运行可靠运行稳定，使用舒适运行稳定，使用舒适 土壤源热泵的特点1.1.可再生能源利用技术可再生能源利用技术地表土壤和水体，收集了地表土壤和水体，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的用能量的500倍还多。倍

9、还多。地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡。地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡。对太阳能二次利用，符合可持续性发展趋势对太阳能二次利用，符合可持续性发展趋势 不受地域、资源等限制不受地域、资源等限制 土壤源热泵的特点2.2.经济有效的节能技术经济有效的节能技术全年土壤温度（全年土壤温度（5m以下）相对稳定，夏季土壤中的温度低于对以下）相对稳定，夏季土壤中的温度低于对应气候条件下空气温度，冬季土壤温度高于空气温度应气候条件下空气温度，冬季土壤温度高于空气温度 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，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，

10、达到节能的效果达到节能的效果 土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟，在耗电量相同的条件土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟，在耗电量相同的条件下，分别提高夏季供冷量或冬季的供热量下，分别提高夏季供冷量或冬季的供热量土壤源热泵的特点3.3.环境效益显著环境效益显著污染物排放与空气源热泵相比减少污染物排放与空气源热泵相比减少40%以上，与电供暖相比减以上，与电供暖相比减少少70%。没有燃烧、排烟，也没有废弃物，且不用远距离输送热量，是没有燃烧、排烟，也没有废弃物，且不用远距离输送热量，是真正的环保型空调，没有风扇的能耗和噪声。真正的环保型空调，没有风扇的能耗和噪声。 夏季不会向建筑周围空气放热，冬季不

11、会从建筑物周围空气吸夏季不会向建筑周围空气放热，冬季不会从建筑物周围空气吸热。机组的埋地换热器可以布置在花园、草坪及建筑物周围地热。机组的埋地换热器可以布置在花园、草坪及建筑物周围地下，不占建筑面积。下，不占建筑面积。土壤源热泵的特点4.4.一机多用，应用范围广一机多用，应用范围广可供暖、空调，还可供生活热水可供暖、空调，还可供生活热水 一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统 可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑 更适合于别墅住宅的采暖、空调。更适合于别墅住宅的采暖、空调。土壤源热泵的特点5.5.

12、系统维护费用低，运行可靠系统维护费用低，运行可靠地源热泵非常耐用，机械运动部件非常少地源热泵非常耐用，机械运动部件非常少 所有的部件埋在地下或是安装在室内，从而避免了室外的恶劣所有的部件埋在地下或是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候气候地下部分可保证地下部分可保证50年年 维护少，节省维护费用维护少，节省维护费用土壤源热泵的特点6.6.运行稳定，使用舒适运行稳定，使用舒适机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响。机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响。寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。在耗电量相同的条件下，能提高夏季供冷

13、量或冬季或供热在耗电量相同的条件下，能提高夏季供冷量或冬季或供热量。量。 系统末端亦可作多种选择，空调效果稳定舒适系统末端亦可作多种选择，空调效果稳定舒适 。土壤源热泵的发展早在早在1912年瑞士人年瑞士人H. Zoe11y就提出了土壤源热泵应用的思想，但大规就提出了土壤源热泵应用的思想，但大规模应用直到二战结束后，才在欧美兴起模应用直到二战结束后，才在欧美兴起地下埋管换热器的研究真正开始于地下埋管换热器的研究真正开始于1946年。年。20世纪世纪50年代初，英国的年代初，英国的Sumner和和von Cube 安装了用于住宅供暖的安装了用于住宅供暖的地源热泵地源热泵1973年年“能源危机能源

14、危机”以后，土壤源热泵的研究安装在欧美等国大量出现以后，土壤源热泵的研究安装在欧美等国大量出现进入进入20世纪世纪90年代，土壤源热泵的应用和发展进入了一个新发展阶段。年代，土壤源热泵的应用和发展进入了一个新发展阶段。目前，土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有份额大约是目前，土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有份额大约是3。1993年成立了国际土壤源热泵协会（年成立了国际土壤源热泵协会（IGSHPA）。）。土壤源热泵的发展在美国：在美国：截止截止1985年全国共有年全国共有14,000台地源热泵台地源热泵1997年就安装了年就安装了45，000台台到到1999为止已安装了为止已安装了400，0

15、00台台每年以每年以10的速度稳步增长的速度稳步增长1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19，其中，其中新建筑中占新建筑中占30。1998年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地下耦合热泵供热空调系统。美国总统布什在他的得克萨斯州的应用地下耦合热泵供热空调系统。美国总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中也安装了地源热泵空调系统。宅邸中也安装了地源热泵空调系统。土壤源热泵的发展中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德

16、国等国家主要利用浅层地热资源，（埋深热资源，（埋深400米深）的地源热泵用于室内地板辐射供暖米深）的地源热泵用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。及提供生活热水。据据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为瑞士为96，奥地利为，奥地利为38，丹麦为，丹麦为27 。土壤源热泵的发展国内的地源热泵起步较晚，近几年已开始产业化起步，而且处在高国内的地源热泵起步较晚，近几年已开始产业化起步，而且处在高速发展阶段。速发展阶段。1980年年1998年主要以天津大学和天津商学院为主进行土壤热泵模年主要以天津大学和天津商学院为主进行土壤热泵模

17、拟实验。拟实验。 1998年至年至2004年重庆建筑大学、湖南大学、天津大学、山年重庆建筑大学、湖南大学、天津大学、山东建工学院、清华大学等单位在理论研究和实验研究方面有了一定东建工学院、清华大学等单位在理论研究和实验研究方面有了一定的成果。的成果。 最初的地源热泵工程主要是国内一些工程公司代理国外产品做的，最初的地源热泵工程主要是国内一些工程公司代理国外产品做的，近些年国内也出现了很多设备厂商和越来越多工程公司。近些年国内也出现了很多设备厂商和越来越多工程公司。土壤源热泵的适用性适用于： 别墅和容积率不太高的公共建筑和办公楼等 附近有足够打孔或埋管的区域，和适宜打孔 或埋管的地质条件不太适用

18、于：建筑密度很大的地方 地质条件比较恶劣的地区（如：地下岩层比较厚和硬） 土壤源热泵推广的限制地埋管的应用可能会受到当地地质条件的制约打孔和埋管要占用部分面积一次性投资费用比其他系统高，主要是额外增加地下埋管打孔费用地质情况的不确定性系统设计的技术要求比较高政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解冷却塔辅助冷却复合地源热泵冷却塔辅助冷却复合地源热泵在冷负荷大于热负荷时，若以夏季冷负荷设计埋管会大大增加初投资，冬季又浪费能源，因此可以采用冷却塔辅助冷却，减少埋管尺寸，降低安装费用。这种形式的系统已成功运用在了多个商用建筑中。冷冷却却塔塔补补偿偿系系统统太阳能辅助加热复合地源热泵太阳能辅助加热复

19、合地源热泵在北方，热负荷大于冷负荷，采用太阳能板辅助加热，可以减少土源热泵的尺寸，提高热泵效率。夏季还可以提供生活用热水。土壤换热器种类土壤换热器种类土壤换热器种类土壤换热器种类1.垂直(推荐)2.水平(用于建筑面积较小)3.螺旋垂直埋管垂直埋管垂直管路闭式系统垂直管路闭式系统特点特点不需要直接抽取地下水，不会对本地区地下水的平衡和品质造成任何影响，不会受到国家地下水资源政策的限制。占地比水平埋管少，热交换比较稳定，打孔的费用比较高。水平埋管水平埋管特点：特点：施工比垂直埋管简单，占地较垂直埋管大，当埋深较浅时，换热易受环境的影响，土方开挖量比较大。螺旋闭式螺旋闭式系统螺旋闭式系统特点：特点：

20、水平埋管的变种，比水平埋管占地小，单位管长换热比水平埋管小，管用量比较大。埋深、管径和最小钻孔孔径对应表埋深、管径和最小钻孔孔径对应表垂直土壤换热器垂直土壤换热器垂直土壤换热器垂直土壤换热器1.深度,一般为50m120m2.占地面积,由孔数和孔距决定3.孔的直径,一般为100mm150mm4.孔的距离一般为4m8m5.孔内的管束: 单U, 双U6.U形管的材质直径,一般为1PE管孔内管束孔内管束孔内管束孔内管束1. 单U一般用于打孔成本较低(粘土,沙土等)2. 双U一般用于打孔成本较高(漂石,花岗岩等)单位长度的换热量单位长度的换热量1.例如：上海地区，夏天放热量6080W/米孔深；冬天吸热量

21、4060W/米孔深2.管距, 推荐使用 “弹性分离器”3.填料早期使用膨润土(0.660.74W/MK)改进后为膨润土+石英砂现在根据现场情况选用导热性较好的填料 地表水淹没环路地表水淹没环路淹没环路闭式系统淹没环路闭式系统地表水淹没环路参考图片土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析1.投资成本分析包括：钻井、埋管、地源热泵机组和末端空调系统。Cane等（1996）的调查，在整个系统总投资中，地源部分（包括钻井、回填、埋管）的材料、安装与施工等费用约占20%-60%，平均占30%2.运行能耗分析：Mancini等（1996）通过

22、对加拿大和美国的12个地源热泵系统的调查表明，地源热泵的年能耗指标远低于常规空调系统冷热源平均年能耗指标。一个经过精心设计、安装和运行维护管理的地源热泵系统，在满足同样舒适性标准的前提下，其年运行能耗可仅为常规空调系统的50%。运行费用运行费用运行费用运行费用1. 和水源热泵相比增加5-20%2. 和风冷热泵相比减少20-40%3. 夏季提供免费的卫生热水土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析3.维护和维修费用：不同的建筑物形式，其地源热泵的维护维修费用也不同：在所调查的建筑物形式中：学校类建筑的维护维修费用最低办公类建筑最高住

23、宅公寓类建筑介于以上两者之间土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析土壤源热泵空调的经济性分析地源热泵系统设计地源热泵系统的设计根据地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005（2009版）的强制性条文：3.1.1地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察。工程勘察应由具有勘探资质的专业队伍承担。工程勘察完成后，编写工程勘察报告，并对资源可利用情况提出建议。地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在30005000m2时，宜进行岩土热响应试验；当应用建筑面积大于等于5000m2时，应进行岩土热响应试验地表水地源热泵系统方案设计

24、前，应对工程场区地表水源的水文状况进行勘察。设计前的准备工作正式设计内容确定系统的制热量，制冷量根据岩土热响应试验的成果进行地埋管换热器的设计确定孔径,孔距和埋管直径,钻孔深度单位长度地埋管的换热量钻孔数量开槽图和钻孔分布图系统冷热平衡计算及措施地源热泵系统的设计地源热泵系统施工地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺一一 施工准备施工准备二二 竖孔施工（水平埋管等）竖孔施工（水平埋管等）三三 地下换热器系统连接地下换热器系统连接一一 、施工准备、施工准备 1.分析地质资料，进行地下换热器的计算，确定施工方案； 2.分析方案，依据

25、图纸、方案明确任务目标；前期准备，需打测试孔，获得相关参数） 3.准备专用施工机械：钻孔机，回填泵等； 4.准备专用管材专用回填料（按地质特征进行配方）等； 5.按图纸要求放线定位，明确打孔位置地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺现场调查与地质咨询现场调查与地质咨询现场调查与地质咨询现场调查与地质咨询(1)现场调查建筑周围是否有树和高架设施有哪些地下服务设施实际可用的场地形状和面积是否便于就近大量排水附近是否有地表水等水源(通常为200m以内)以供钻井使用是否能提供380伏电源(2)地质咨询向地质有关部门咨询有关这个地区各地层

26、地质构造了解其岩石硬度地下水的分布情况(3)将以上两点综合起来加以分析解决确定其可行性与经济性地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺地源热泵地下换热器施工工艺二二 竖孔施工竖孔施工1.放线，定位，对点开钻；2.掘进3.提起钻杆准备埋管；4.下管直至要求深度。5.完成打孔施工。6.试压7.合格后，回填三三 地下换热器系统连接地下换热器系统连接1开挖管沟；2管沟挖好后，铺垫回填材料；3按要求将各井内的U形管连接成一个或几个系统，并分别引至机房主机安装位置；4注水冲洗、排气；5按要求试压，试压合格后继续将系统密封、保压；6回填；7系统准备与主机对接。地源热泵地

27、下换热器施工工艺地下换热器系统连接形式集管式非集管式分分水水器器 集集水水器器二次试压和回填二次试压和回填两种回填方法：第一种，用混和浆通过灌浆管将混和浆灌入孔中，回灌时根据灌浆的快慢将灌浆管逐渐抽出，使混和浆自下而上回灌、封井，确保钻孔回灌密实无空腔。第二种，采用人工回填的方法，回填物中不得有大粒径的，粒径回填过程必须缓慢进行以保证充实度，减少传热热阻。前一种回填方法能保证钻井回填紧密，后一种回填方法可以充分增加回填材料的热传导率。在回填结束一段时间后，须采用加热器（制冷）装置通过对土壤加热(制冷）1012小时，来测定土壤传热情况，在分析的基础上对原设计进行修正。施工参考图片施工参考图片施工参考图片施工参考图片施工参考图片施工参考图片施工参考图片施工参考图片施工参考图片施工参考图片