咨询工程师继续教育通过试卷地源热泵

地源热泵地源热泵 可再生清洁能源 地源热泵 1 概述 2 定义和特点 3 发展历程 4 我国地源热泵产业发展 5 相关标准规范 6 浅层地温能资源勘查 7 习题 人类社会的发展过程是一部开发 利用能源的历史 原始时代 四五十万年前 火的利用 揭开了人类利用能源的序幕 化石能源时代 18 世纪蒸汽机的发明 引起世纪性的工业革命 电能时代 19 世纪电能的广泛使用 将人类社会推进到现代文明时代 多能源时代 20 世纪初太阳能 核能发明和利用 为人类的明天描绘出了灿烂的蓝图 概述 能源是国民经济的命脉 也是制约人类社会持续 稳定发展的最关键因素之一 自 20 世纪 50 年代以来 人类所面临的人口猛增 粮食短缺 能源紧张 资源破坏和环境污染等问题 日益恶化 导致 生态危机 逐步加剧 20 世纪 70 年代 由于世界范围内能源危机的爆发 自然环境的日益恶化和传统能源储量日渐衰减 人们逐渐认识到把经济和社会的发展与环境割裂开来 只能给地球和人类社会带来毁灭性的灾难 能源危 机和环境问题凸显 因此为有效地解决能源问题 除了要尽可能节约利用能源和提高现有能源的利用效率之外 最根本的 途径是不断地谋求新的可再生能源 为了解决能源危机和环境问题 能源结构的调整势在必行 截止 2014 年我国能源结构调整初见成效 非化石能源占比 9 1 其中可再生能源占比 1 2 但是可 再生能源占比仍旧较小 能源结构调整任重而道远 发展可再生能源 促进可再生能源的开发利用 增加能源供应 是改善能源结构 保障能源安全 保 护环境 实现经济社会的可持续发展的重要途径 2005 年 2 月 28 日由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次通过了 中华人民 共和国可再生能源法 2009 年 12 月 26 日由中华人民共和国第十一届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议审议通过 全国人民代表大会常务委员会关于修改 中华人民共和国可再生能源法 的决定 自 2010 年 4 月 1 日起施行 中华人民共和国可再生能源法 的通过实施大力促进了可再生能源利用发展 中华人民共和国可再生能源法 所称可再生能源 是指风能 太阳能 水能 生物质能 地热能 海洋能等非化石能源 地热能 传统意义上的地热能是指从地壳抽取的天然热能 来自于自地球内部的熔岩 并以热力形式存在 透 过地下水的流动和熔岩涌至离地面 1 至 5 公里的地壳 热力得以被转送至较接近地面的地方 浅层地 温 能 区别于地球深部的地热资源 人们把分布在地表浅层 包括土壤 地下水 河流 湖泊中的低品位热 能 25 称之为浅层地温能 浅层地能是指在太阳辐射和地心热产生的大地热流的综合作用下 存在于地壳下近表层数百米内的恒 温带中的土壤 砂岩和地下水里的低品位 25 的可再生能源 地球内的温度 浅层地 温 能的能量资源 一年内地球受太阳辐射量平均为 7 03 1021KJ a 其中地球获太阳辐射份额可达 60 地球地表面积 5 1 108km2 其中陆地占 29 2 海洋占 70 8 地下深 400 米以内土壤砂石固体份 额约 1 29 1017m3 地下深 100 米以内土壤砂石固体份额约 0 32 1017m3 可见这么大的恒温体积内蕴 藏的低温能量相当于几十万亿吨标准煤 定义 最早于 2005 年发布的 地源热泵系统工程技术规范 GB50366 2005 规定地源热泵系统以岩土体 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 特点 1 地源热泵技术属可再生能源利用技术 是清洁的可再生能源一种形式 地表浅层是一个巨大的太阳能集热器 收集了 47 的太阳能量 比人类每年利用能量的 500 倍还多 它不受地域 资源等限制 真正是量大面广 无处不在 这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源 使 得地能也成为清洁的可再生能源一种形式 2 地源热泵属经济有效的节能技术 与锅炉 电 燃料 供热系统相比 锅炉供热只能将 90 以上的电能或 70 90 的燃料内能为热量 供用户使用 因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能 比燃料锅炉节省约二分之一的能量 由于地源热泵的热源温度全年较为稳定 一般为 10 25 其制冷 制热系数可达 3 5 4 4 与传统的 空气源热泵相比 要高出 40 左右 其运行费用为普通中央空调的 50 60 水源热泵系统与其他系统的运行费用比较 3 地源热泵环境效益显著 其装置的运行没有任何污染 可以建造在居民区内 没有燃烧 没有排烟 也没有废弃物 不需要堆 放燃料废物的场地 且不用远距离输送热量 系统组成及工作原理 地源热泵是一种利用地表浅层低温位能 地能 既可供热又可制冷的高效节能空调系统 热泵实质上是一种热量提升装置 通过消耗少量的高品位能源 如电能 实现低温位热能向高温位 转移 冬季把地能中的热量 取 出来 供给室内采暖 此时地能为 热源 夏季把室内热量取出来 释放到地下水 土壤或地表水中 此时地能为 冷源 地源热泵系统主要分三部分 室外地能换热系统 地源热泵机组和室内采暖空调末端系统 其中地源 热泵机主要有两种形式 水 水式或水 空气式 三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递 地 源热泵与地能之间换热介质为水 与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气 地源热泵机房 地源热泵的分类及特点 地表水地源热泵系统 以地表水作为冷热源 由潜在水面以下的 多重并联的换热管组成的热交换器 直接抽取或者间接换 热的方式 利用包括江水 河水 湖水 水库水以及海水作为热泵冷热源 优点 系统简便易行 初投资较低 水泵能耗较低 可靠性高 低维修要求 低运行费用 缺点 地表水地源热泵系统受到自然条件的限制 由于地表水温度受气候的影响较大 与空气源热泵 类似 环境温度越低热泵的供热量越小 而且热泵的性能系数也会降低 地下水地源热泵系统 以地下水作为热泵系统提取地下地能的介质 采用井的方式抽取和回灌地下水 地下水的使用采用封 闭循环方式 抽取的地下水经过与系统交换能量后 又通过回灌系统回灌到地下 整个过程仅以地下水作 为热交换介质 不消耗地下水资源 根据提取和回灌的方式不同又可分为 单井抽灌 和 抽灌分离 2 种方式 单井抽灌 方式 是在同一口井内完成抽水和回灌两种功能 优点 所需水井数量少 占地面积小等优点 缺点 由于采用同井抽灌 回灌水在地层中运移路径短 在不同结构的含水层地区 回灌水的温度对 抽水的温度影响程度不同 抽水段温度在系统运行一段时间后通常将发生热突破现象 进而影响到热泵机 组的功效 抽灌分离 方式 也叫 多井方式 通过建造抽水井和回灌井 采用 1 眼井抽水 1 眼或多眼井 回灌的方式 来完成采集和回灌地下水 优点 1 可以针对供暖和制冷两种不同的模式采用两口井季节性交替的工作方式 从而有效地提高热泵 机组的功效 2 采用季节性交替的抽灌方式 达到回灌井定期反扬的目的 能有效地提高回灌井的回灌率 3 可以根据实际的地质条件 合理布局两口井的井位 预防采 灌井对之间强烈的温度干扰 缺点 相对于 单井抽灌 方式而言 多井方式 具有所需水井数量多 占地面积大 前期费用高 等缺点 地埋管地源热泵系统 以土壤作为冷热源 也叫土壤源热泵系统 采用地下埋管的方式 通过土壤耦合地热交换器提取和利 用土壤中的低品位能 这是一闭式系统方式 通过中间介质 通常为水或者是加入防冻剂的水 作为热载体 使中间介质在 埋于土壤内部的封闭环路中循环流动 从而实现与大地土壤进行热交换的目的 根据埋管方式不同 又可 分为水平埋管和垂直埋管 2 亚类 水平埋管地源热泵系统 在地表浅部通过开挖水平沟槽方式埋设水平管或螺旋管 主要提取和利用地表浅层土壤中的能量作为 空调系统的冷热源 垂直埋管的地源热泵系统 采用竖井的方式埋设螺旋盘管套管或 U 形管 竖井中的热交换器成并联连接 再通过集管进入建筑中 与建筑物内的水环路相连接 地埋管地源热泵系统的形式 水平埋管占地面积较垂直埋管大 效率较垂直埋管低 故现在大多采用垂直埋管 根据埋入换热孔内 U 形管的数量 系统又可分为单 U 和双 U 埋管系统 与周围岩土体换热方式传导 为避免换热孔之间的相互干扰和节省占地 地埋管孔设计间距一般 4 6m 根据设计要求的不同 地埋管 内的循环液 换热介质 可以是水或防冻液 单 U 竖直埋管地源热泵换热系统 双 U 竖直埋管地源热泵换热系统 地源热泵根据水的循环方式不同 分为开式回路和闭式回路两类 1 开式回路 是将地下水 或地表水 直接供应到每台热泵机组 水与空调系统工质完成热交换 后 通过回水系统回灌到地下 或水库中 2 闭式回路 地下水 或地表水 与空调系统循环工质之间是用板式换热器分开 1 开式回路 由于可能导致管路阻塞 更重要的是可能导致腐蚀发生 通常建议在地源热泵系统 不直接将地下水供应到每台热泵机组 2 闭式回路 板式热交换器采取小温差换热的方式运行 根据温度和地下水深度的不同 可以在 很大程度上抵消开式系统在性能上的优势 为了保护水资源 目前多数水源热泵采用闭式回路 地下水在 蒸发器与热泵系统工质进行能量交换 或通过井口直埋的螺旋板式换热器系统工质进行能量交换 完成能 量交换后又通过回水系统回灌到地下 或水库中 地埋管地源热泵系统采用闭式回路方式 中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动 水源热泵机组设置 集中式 集中式热泵系统比分散式系统具有更好的节能效果 集中管理更方便 系统运行更为可靠 机组整体 寿命更长 分散式 无须主机房 分户计费 控制灵活等优势 适用于宾馆 酒店 写字楼 商场 医院 体 育场馆等功能建筑物 特别适合内外分区建筑物 是环保节能中央空调最优先考虑的系统形式 末端采暖方式 低温地板辐射 风机盘管 3 发展历程 国外 总体过程 国外 自 19 世纪初 热泵开始发展 至 1960 年 在瑞士 英国等地利用空气 湖水 河水等低温位能供暖 热泵有 20 余项 施工年份国别 地点低位热源功率 KW 备注 1912 瑞士 苏黎世河水 7000 供热 1939 瑞士 苏黎世河水 175 供热 1939 瑞士 苏黎世空气 58 空调调节 1941 瑞士 苏黎世河水 1500 游泳池加热 1941 瑞士Skeckborn湖水 1950 供热 1941 瑞士Landquart空气 122 供热 1943 瑞士 苏黎世河水 1750 供热 1943 瑞士Schoncnwerd河水 250 空气调节 1945 瑞士 诺里季电力公司河水120 240供热 1949 英国 皇家节日大厅河水 2700 1950 英国 诺里季旅馆混凝土地板 3 74 1951 英国 伦敦河水2 3 2 6 1951 英国 英国电机及有关工业研究协会河水7 15 1952 英国 英国电气研究协会污水 25 1973 年世界性第一次 石油危机 促进了热泵工业的迅速发展 至 20 世纪 80 年带 在德国 法国 丹麦 罗马尼亚 瑞典 苏联等国重视大容量热泵在区域供热的 应用 20 世纪 80 年代至今 在世界能源组织成立的国际热泵委员会的努力下 热泵技术快速发展 热泵装 置逐渐增多 欧洲热泵使用情况 国别2000 年总量地源水源空气源 德国 72 11 17 奥地利 80 16 4 比利时 650030 70 芬兰 1500052 47 英国 3000 挪威 300017 2 81 荷兰 瑞典 3700072 12 16 瑞士 6700040 5 55 法国 3000015 85 国内 起步阶段 国内 推广阶段 国内 发展阶段 2005 年之后 我国对可再生能源应用与节能减排工作的不断加强 可再生能源法 节约能源法 可再生能源中长期发展规划 民用建筑节能管理条例 等法律法规的相继颁布和修订 财政部 建设部两部委 建设部 财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见 的逐步实施 各省市陆续出台相关的地方政策 产业现状 我国地源热泵事业起步较晚 进入 21 世纪 受国际地源热泵开发的影响 我国才开始地源热泵工程 的实践 在 2004 年之后进入大发展时期 地源热泵应用面积增长情况 目前我国地源热泵行业的市场特点如下 1 地热能应用市场潜力巨大 增长速度加快 2 行业进人者增加 竞争日趋激烈 3 工程体量逐步变大 4 全国各区域发展程度不同 5 品牌格局多 单并无全国影响力的品牌 1 地源热泵制造厂商的发展 我国生产热泵机组的厂商由本世纪初的几家 已经发展超过上百家 世界银行 2006 年发表的 中国 地源热泵技术市场调查与发展分析 显示 注册资本 5 千万元以下的企业占到 60 以上 但还是以中 小 企业居多 2 实施地源热泵项目的设计和工程队伍壮大 地源热泵的发展促成了许多新建队伍 巨大的市场需求也锻炼了设计及施工队伍 使得我国的地源热 泵技术不断发展 所能利用的低温位能资源也日趋丰富 根据中国建筑业协会地源热泵工作委员会对其组 成单位相关工程信息的统计 土壤源及地下水源热泵占比较大 3 利好政策不断推出 时间发布机关名称 2005 年建设部和国家质检总局地源热泵系统工程技术规范 2006 年中华人民共和国主席令中华人民共和国可再生能源法 2006 年国家财政部可再生能源发展专项资金管理暂行办法 2008 年国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知 2009 年国土资源部浅层地热能勘查评价技术规范 2009 年财政部 住房和城乡建设部可再生能源建筑应用城市示范实施方案 2011 年财政部 住房和城乡建设部关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知 部分城市推广地源热泵技术补贴标准 4 浅层地热 温 能的调查与评价 2008 年国土资源部在 29 个省会级城市启动浅层地温能调查评价和开发利用工作 据测算 通过规划 实施 我国每年探明的浅层地温能可以替代 2 6 亿吨标准煤 对解决城乡居民取暖问题 减少排放意义重大 北京地区浅层地温能资源开发利用工程现状 截止到 2007 年 9 月底 据不完全统计 项目数量已达到 479 个 服务面积已达 10 52 万 m2 项目数量 个 服务面积 m2 年份 地下水式地埋管式地下水式地埋管式 2000 年 800 2001 年 232 5917087 2002 年 440 10 2003 年 764 7564509 2004 年 759 8398483 2005 年 648 81 2006 年 8015 95 5 2007 年 4526 86 5 分项合计 415648 522 384 892 004 685 总计 47910 527 069 89 图 4 1 北京地区浅层地温能资源开发利用工程服务面积增长示意图 发展问题与解决方法 发展前景 1 科技为先导 科研技术人员十几年来不断努力创新取得的成果为推广地源热泵奠定了良好的技术 研发基础 2 行业的推动为地源热泵在中国的推广和应用助一臂之力 相关政府部门也已经制定和出台了一些 相关管理条例和办法 3 政府的支持力度很大 有利于开展全国范围内的推广 4 市场的选择起决定性作用 这取决于地源热泵的自身特点 可让开发商和建设单位有多样选择 基于以上原因 可以预见的未来若干年 中国地源热泵行业仍将快速发展 预计到 2020 年 我国 的地源热泵市场规模将比目前增长 5 8 倍 产品标准 水 地 源热泵机组 GB T19409 2013 产品标准 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 1 2007 产品标准 制冷和供热用机械制冷系统安全要求 GB9237 2001 冷水机组能效限定值及能源效率等级 GB19577 2004 设计标准规范 公共建筑节能设计标准 GB50189 2005 设计标准规范 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50736 2012 室外给水设计规范 GB50013 2006 工程规范 地源热泵系统工程技术规范 GB50366 2009 埋地聚乙烯给水管道工程技术规程 CJJ101 2004 给水排水管道工程施工及验收规范 GB50268 2008 通风与空调工程施工质量验收规范 GB50243 2002 浅层地温能资源勘察 国家规范中明确规定 地源热泵系统方案设计前 应进行工程场地状况调查 并对浅层地热能资源进 行勘察 地下换热系统设计与施工的依据是场区工程勘察 1 工程场地现状调查 2 浅层地热能资源勘察 3 项目冷 热负荷及运行状况 浅层地热能场地勘察 1 岩土层的结构 2 岩土体热物性 3 岩土体温度 4 地下水静水位 水温 水质及分布 5 地下水径流方向 速度 6 冻土层厚度 原始地温 在测试深度内 处在自然状态未受到人工干扰的地层原始温度 土壤热物性测试 综合考虑了地埋管内水的流动 管壁 管外回填料 岩土层及地下水渗流对于传热的影响 测试孔换 热影响半径内土壤综合有效导热系数 通过测试 获得埋地换热器与周围土壤间的换热规律 每延米井深 的换热量 地下岩土的热物性参数等 为设计地源换热系统以及整个热泵系统提供依据 土壤的初始温度 类型 传热特性以及密度和湿度等参数是影响埋管换热器设计的重要参数 做好施 工场地的地层勘察和土壤热物性测试工作非常关键 判断题 1 地源热泵系统是一种利用地下热能供暖的空调系统 2 我国现行的 地源热