地源热泵系统工程技术规范

地源热泵系统设计技术交流,二九年十一月,北京市地质勘察技术院 北京华清集团,目 录,一、热泵简介一）什么是热泵二）热泵节能与政策三）热泵系统的分类四）热泵系统的特点五）热泵的发展二、国内相关研究及典型项目设计要点,一）什么是热泵,1.热泵概念及原理,低温热能：大气、土壤、地下水、地表水、城水污水、再生水、工业余热（废热）等自然界存在和生产、生活产生的低温热能。这些热能储量巨大，分布广，品位低，大多不能直接利用。热力学第一定律能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量不变。热力学第二定律：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(第二类永动机是不可能实现）。热泵（Heat Pump)：是通过消耗机械功从低温热源吸热然后放热至高温热源的装置，是以冷凝器的热量来供热的制冷设备。,原理示意图,一、热泵简介,热泵与水泵的类比,水泵,热泵,2.热泵系统冬季工作原理示意,一）什么是热泵,一）什么是热泵,3.热泵系统夏季工作原理示意,4.热泵系统原理示意图,一）什么是热泵,低温热源系统换热循环系统热泵机房系统换热循环系统室内末端系统通过介质循环流动完成热量传递,一）什么是热泵,5.地源热泵系统组成,6.热泵的用途,一）什么是热泵,目前主要用于供暖、供冷、制取生活热水,能源与环境已经成为中国经济发展的瓶颈，我国经济比重不同与发达国家，对能源依存度高，单位GDP能耗远高于发达国家。节能与环保并重是解决能源与环境的唯一出路。温家宝总理在政府工作报告中指出：“中国“十一五”规划纲要提出年期间单位能耗降低左右、主要污染物排放总量减少的约束性指标只能实现，不能改变”。热泵以其绿色环保、高效节能的显著特点被评为21世纪十大工程技术成就之一，是实现节能减排目标的重要技术手段之一。,一、热泵简介,1.节能与热泵,二）热泵节能与政策,2.热泵效率性能系数COP和能效比EER,二）热泵节能与政策,21世纪十大工程技术成就,3.热泵lnp-h图及计算,二）热泵节能与政策,4.供暖一次能源利用率,二）热泵节能与政策,5.相关政策,二）热泵节能与政策,热泵绿色环保高效节能是节能减排的重要措施之一，已成为优先发展的能源系统，国家、各省市相继出台的支持热泵的法规、政策主要有：2007年6月3日，中国应对气候变化国家方案；2007年10月28日，中华人民共和国节约能源法；2005年2月28日，中华人民共和国可再生能源法；2006年8月6日，国务院关于加强节能工作的决定；2007年6月3日，国务院颁布节能减排综合性工作方案；2007年9月，国家发改委颁布可再生能源中长期发展规划；2004年11月，国家发改委颁布节能中长期专项规划；2008年8月1日，国家法制办颁布民用建筑节能条例；2006年7月，国家发改委、科技部、财政部、建设部颁布“十一五”十大重点节能工程实施意见；2005年6月23日，建设部发布了建设部关于建设领域资源节约今明两年重点工作的安排意见；2006年8月25日，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；,5.相关政策,二）热泵节能与政策,2006年9月4日，建设部、财政部颁布可再生能源应用专项资金管理暂行办法；2005年11月，建设部批准颁布地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）国家标准； 其中2006年8月颁布的建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见对全国热泵发展起到了重要推动作用（26508000）二北京市出台的鼓励、支持热泵发展的法律、法规、规范主要有：2005年1月，北京市城市总体规划（2004-2020年）；2006年6月，北京市“五局四委”出台关于发展热泵系统的指导意见2006年12月，北京市“十一五”时期能源发展及节能规划； 2006年9月8日，北京市“十一五”时期建筑节能发展规划；2007年2月13日，北京市“十一五”时期供热发展规划； 政策导向有效促进了市场的发展，形成了长效激励机制，截止到2006年底，北京市热泵系统的服务面积约为850万平方米，2006年6月我市“五局四委”关于关于发展热泵系统的指导意见出台后，2007年热泵系统服务面积迅速发展到近1200万平方米，增长速度明显加快；对北京市热泵的持续快速发展起到了关键性的促进作用。,热泵技术的关键之一：找到一个合适的低位热源,余废热水,浅层地热能地下水地源热泵系统地埋管地源热泵系统深层地热能地热热泵系统,空气热能空气源热泵,地表水低温热能生产、生活产生的余、废热能地表水热泵系统江（河、湖、海）水源热泵系统污水源热泵系统再生水热泵系统工业循环水热泵系统,一、热泵简介,按国家标准地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）中的分类方法,三）热泵的分类,中国建筑气候区划图,三）热泵的分类,热泵利用的能源、低温热源、热泵用途,1.可再生能源利用自然界存在的低温热能，热能可再生，是可再生能源利用技术；或是生产、生活产生的余热、废热，是余热回收利用技术。2.绿色环保热泵系统供暖，热量70以上热量来源于低温热能。使用过程中无燃烧过程，“零排放”，无废弃物，不需要堆放燃料废物的场地。与燃料锅炉比，CO2、SO2、NOx、粉尘等排放量可减少60%，环境效益非常显著。3.高效节能热泵机组制热能效比可达46，一次能源利用效率高达120%（电锅炉为33%左右，燃煤、燃油、燃气锅炉为5085%）；节能优势显著。4.运行成本低热泵系统用少量的电“搬运”了大量的低温热能为建筑供热，供热能效比高，系统功耗低，自动化程度高，可实现按需供热，运行费用低，维护费用低。5.一机多用、应用范围广可供暖、供冷、供生活热水，一套系统代替传统锅炉加制冷设备。适用于宾馆、商场、办公楼、学校、住宅、别墅等。6.安全可靠、自控运行热泵系统运行，无燃烧设备，不存在爆炸、燃烧等安全隐患。系统自动控制程度高，运行安全可靠、稳定。供热过程为连续供热，用户舒适度高。,四）热泵系统的特点之一,项目实施依赖于资源条件，需根据资源条件、禀赋，负荷需求及特性、场地条件、各种能源比价、国家能源政策等，因地制宜 、量身定做；各种热泵系统均需专门研究；热泵是节能技术，具体到项目是否节能取决于系统集成商的技术实力；须与建筑进行一体化设计，采用成套技术，需要丰富的经验；当地气候条件；负荷需求及特性的分析比较；资源条件；项目的场地条件；各种能源比价；国家能源政策等；需要从技术、经济、安全、系统维护、使用寿命、设备效率等多方面、多角度作综合平衡。特别是能源投资项目，要求更高,四）热泵系统的特点之二,一、热泵简介,世界发展：热泵起源于上世纪初，发展至今已经有100多年的历史。第二次世界大战和七十年代能源危机推动了热泵在世界范围的快速发展；中国热泵发展：中国的热泵发展较晚，但发展速度很快，形成世界热泵看中国的形势；我国热泵的发展经历了几个阶段： 起步阶段：上世纪50年代到上世纪末。相关的研究及学术交流，早期的实 践（1995），1997年中国科技部和美国能源部签署的中美能源效率及可 再生能源合作议定书是起步阶段的标志性事件。 推广阶段：2000年至2004年左右。以北京奥运申办成功为契机，为落实绿 色、科技、人文奥运的三大理念，北京市1999年9月下发了关于推广使 用清洁能源加快燃煤锅炉改造有关事项的通知，真正推动热泵的市场化 发展；至2004年底北京热泵服务面积约为500万平方米，占全国40%; 快速发展阶段：2005年至今。截止2007年底，国内各类地源热泵系统总服 务面积约为8000万平方米；其中北京是发展最早、发展最好的城市，服务 面积约为1500万平方米；北京十一能源规划提出了4000万平方米的目标， 约占城市总供热面积的6。我国热泵发展特点：形成了覆盖面广（住宅、公建、工业建筑、农业应用）、北方城市居多、各种热泵形式都有应用的发展特点。,五）热泵发展,热泵装置,利用能量,世界地热直接利用,一、热泵简介,清洁发展机制，简称CDM(CleanDevelopmentMechanism)，是京都议定书中引入的三个灵活履约机制之一。根据“共同但有区别的责任”原则，已完成工业革命的发达国家应对全球变暖承担更多的历史责任；因此,京都议定书给工业化国家制定了减排任务，没有对发展中国家作这个要求。2005年2月16日，京都议定书生效。按其规定，发达国家缔约方为实现温室气体减排义务，从2005年开始至2012年间必须将温室气体排放水平在1990年的基础上平均减少5.2。由于发达国家减排成本是发展中国家的几倍甚至几十倍。发达国家通过在发展中国家实施具有减排效果的项目，把项目所产生的排放量作为履行京都议定书所规定的一部分义务。对发达国家，给予其履约灵活性，使其得以较低成本履行义务；对发展中国家，协助发达国家利用减排成本低的优势能够从发达国家获得资金和技术，促进其可持续发展；对全球，可在实现共同减排目标的前提下，减少总减排成本。因此，CDM是一种双赢（Win-Win）的选择。,六）清洁发展机制,1.CDM规定减排的温室气体 CDM规则中的温室气体：CO2、CH4（甲烷）、N2O（氧化亚氮）、HFCs（氢氟碳化物）、PFCs（全氟化碳）、SF6（六氟化硫）。其中排放一吨CH4相当于排放21吨CO2、排放1吨N2O相当于310吨CO2，排放一吨HFCs（氢氟碳化物）相当于排放140-11,700吨CO2。2.CDM分布的行业和领域 能源工业（可再生能源/不可再生能源）、能源分配、能源需求、制造业、化工行业、建筑行业、交通运输业、矿产品、金属生产、燃料的飞逸性排放、碳卤化合物和六氟化硫的生产和消费产生的逸散排放、溶剂的使用、废物处置、造林和再造林、农业。3.CDM项目技术 任何有益于产生温室气体减排、回收或吸收的技术，都可以作为CDM项目的技术。例如：提高能源效率的技术，包括提高供能和用能效率方面的技术；新能源和可再生能源技术；温室气体回收利用技术如煤矿甲烷、垃圾填埋沼气回收技术；废弃能源回收技术等。,六）清洁发展机制,以上数据来源国家环保总局。,2008年全球二氧化碳排放量超过了400ppm, 接近联合国国际气候变化委员会（IPCC）界定的危险气候变化底线445ppm-535ppm的临界点,全球平均温度的升幅将接近3摄氏度，全球范围内将发生重大的气候和环境灾难。中国2013年至2018年间将发生干旱、洪水、冻土变化、青藏高原的冰川融化、海平面上升、周边洋流变化等直接灾难，以及粮食减产、疾病多发等间接挑战。为此必须有一套有效的约束机制来制止全球气候和环境灾难的整体爆发。,中国主要污染物排放量,二 、国内相关研究及典型项目,深层地热能 浅层地热能 地表水、污水、再生水等 热能,深层地热能的开发利用,一、历年地热规划及基础研究成果：勘察确定北京十大地热田（上世纪70年代）；北苑北小区奥体中心一带地热物探普查（1999.12）；北京市城区地热资源潜力评价与供暖规划研究（ 2000.8-2001.5）奥运公园地区地热资源勘查钻井可行性论证（2002.11）；北京市延庆县地热资源地质及物探调查（ 2001.112002.7）；北京市朝阳区亚运村地区地热资源勘查（ 2003.52003.7 ） 延庆新城六百万平方米地热热泵调峰供暖规划（2007年）； 二、典型项目实践 近年来，共钻凿地热井40多眼，实施地热热泵综合利用项目数十个。,典型开发利用项目实践,北京市第一个地热供暖项目地质勘察技术院；亚洲最大的地热供暖项目北苑家园（40万 ）延庆新城地热供热示范项目规划郭庄北里地热热泵供暖工程北京市崇文区冶金印刷厂地热供暖改造工程北京市崇文区好运物业住宅楼地热供暖工程延庆监狱地热热泵供暖系统工程数十个地热热泵供暖项目。,实施好地热项目的前提和保障,须具备丰富的地热资源普查、勘察经验；须具备丰富的地热资源利用规划研究经验；需要丰富的地热利用的项目实践经验；深层地热勘察及热储建模分析和资源预测；需要有丰富的地热与其它能源方式相结合的利用经验；需要掌握、拥有关键技术回灌技术、梯级利用技术等；最终利用规划应做到技术、经济、安全可靠性的综合平衡。,北京十大地热田,1.项目概况,北苑家园位于京北北苑地区，西临奥运公园、国家森林公园，由北京城建集团兴华地产公司开发兴建，总建筑面积210万平方米，原设计全部采用天燃气供暖。为推动可再生能源的开发利用，在市政府有关部门和开发商的支持下，成立了北京市天银地热开发有限责任公司，专门从事新能源的项目开发、投资建设、运行管理。北苑家园分为六个区，地热热泵为其中的6区供热，供热建筑面积40.6万平方米，设计供暖总负荷为25MW；温泉洗浴设计供应55万平方米，实际用量为100立方米/天；制冷负荷4.5 MW。,一、北苑家园地热热泵供暖项目介绍,2.资源条件及地热井,项目实施前，进行了地热资源评价，该区域临近黄庄高丽营深大断裂，地热资源补给、回灌条件良好。区域内70左右地下热水可采资源总量4.41107立方米，热量总量1.011013KJ，目前地热采暖最大日用水量3000立方米，全部等量回灌，年地热用水量占可采资源量的0.75 ，实现了地热资源的可持续利用。该项目共打了三眼地热井，1眼抽水井，2眼回灌井。地热井主要参数见下表：,北苑地区地质构造及井位分布图,地热水同层回灌,地热井特点,地热水的抽灌结合采用斜井技术、拓宽地热资源的开采范围。,负荷需求,16栋25层的塔楼和2栋14层板楼；采暖系统末端：居民地板采暖；底商部分散热器；根据高层和散热末端的不同方式分为三个采暖区：高区：塔楼的15-25层，地板辐射、供暖负荷8MW、50/40；低区：塔楼的3-13层和板楼，地板辐射、供暖负荷14MW、50/40；底商1-2层、车库等部分：散热器、供暖负荷3MW、60/50。,3.项目负荷,建筑条件,项目负荷,热源设计：基础负荷热源调峰：,采用地热、热泵系统提供基础负荷，引入热力厂燃气锅炉热源作为调峰。,4.系统流程图,北苑家园地热+热泵系统改造,改造前后热负荷时间延续图比较,5.初投资与运行成本,项目建设费用项目总投资6582万元，其中：地热井2127万元；机房土建830万元；一、二次管网1650万元；中心机房设备、安装、配电、控制1975万元。冬季采暖运行能源费2004年，11.2元/平方米；20052006年，约10.88元/平方米；2007至今，约6.7元/平方米；2008年，约6元/平方米。,系统特点,系统特点：地热热泵为系统提供基础负荷，燃气作为调峰热源。地热水的梯级利用：采用热泵技术对地热尾水的余热回收利用供暖地热水100%同层回灌。作为清洁可再生能源利用的典型示范项目备受关注！,地热管理,二 、国内相关研究及典型项目,深层地热能 浅层地热能 地表水、污水、再生水等 热能,浅层地热能简介：1.浅层地热能的定义 浅层地热资源是指地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200米埋深），普 遍存在于地下土壤、岩石、地下水中的低品位热能，温度低于25，在当前技术 经济条件下具备开发利用价值的地热能。2.浅层地能的来源： 外热：来自太阳辐射，影响深度地表以下1520米； 内热：岩石中放射元素蜕变产生的热量； 其它来源：重力分异、潮汐摩擦、化学反应。 地球内热除以火山爆发、地热温泉等集中方式凸现外， 更多以热传导方式传输 到地表，最终散发到大气中。评价参数：大地热流密度：4080mW/m2 。3.浅层地能的特点： 具有分布广、埋藏浅、储量巨大、开发利用容易、可再生的特点。存在于浅表地 层的恒温带中，受四季气候的影响较小，土壤温度相对恒定。华北地区浅层地热 为1418，属于低位热能，适合采用热泵技术加以利用。4.浅层地热能的利用形式： 地下水地源热泵系统； 地埋管地源热泵系统。,浅层地热能的利用,浅层地热能的利用方式,浅层地热能的利用方式,地下水源热泵项目实施应遵循的原则：水文地质条件必须适合于100%同层回灌；应避开地下水水源地保护区；避开已发生地面沉降、地下水严重污染等环境地质问题的区域；严禁利用深层承压水作为热泵系统的水源，抽水井和回灌井利用 的含水层埋深不应超过100米。地下水源地源热泵系统适合在有条件的地区采用。需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件；需要对地质水文条件加以科学、合理利用；成熟、可靠、低成本的地下水回灌技术：要避免因含水层颗粒重组，可能引起地面沉降的问题发生。要避免不同含水层之间的水质污染、热污染问题的发生。,地下水地源热泵系统的适用条件,地埋管热泵的适用条件适用范围：原则上适用于任何地质条件的地层和任何使用功能的建筑（有热需求）。经济性有区别；灵活的实施措施：地埋管换热器可布设于道路、绿化带、 停车场等下面，也可布设于建筑基础下。场地条件：地埋管地源热泵系统,每100平方米场地约可提供1624KW.H的能量,加上输入的610KW.H的电能，共可提供热量2234KW.H，约可为480750的住宅(热负荷指标45W/)供暖，结合调峰热源，供暖面积可扩大为8001200。(孔间距5m，孔深100米150米）。单个换热孔的换热区面积在1625平方米，一万平方米的住宅约需要13002000的场地空间。建设费用地埋管地源热泵冷热源建设费用一般为：150450元/。在岩石和砂卵石地层中钻孔成本在150元/米以上，而在土层为主的地层中钻孔只有2030元/米。,地埋管地源热泵系统的适用条件,浅层地热能开发利用实践,一、开发利用规划及科研： 地质、水文地质基础工作成果；地源热泵系统工程技术规范编写； 北京市平原区浅层地热资源利用规划研究； 上海世博会主体工程世博轴地源热泵江水源热泵深化设计项目； 国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知； 中国地质调查局浅层地热能研究与推广中心 可研实验基地；地源热泵系统工程技术规范修编（2008年）；二、典型项目实践用友软件园大型地源热泵结合冰蓄冷的复合式调峰项目 ；上海世博会世博轴桩基打孔地源热泵+江水源热泵项目； 天津工业大学地热+地源热泵项目顺义鲜花港大型地热+地下水源+地埋管热泵综合项目其他,北京地区第四系厚度分布图,浅层地热能利用的基础工作,北京市城近郊区水文地质图,北京市自西向东典型水文地质剖面示意图,（水文地质联合剖面）,北京市地下水赋存地质条件辅图,国土部关于大力推进浅层地热能开发的通知,用友软件园地源热泵冰蓄冷中央空调系统,大型科技园区总建筑面积：47万，一期18.5万；二期28.5；一期方案：复合式系统，地源热泵+冰蓄冷系统燃气锅炉调峰；二期方案：进一步优化，项目正在施工中。,系统方案原理示意：一期的复合调峰系统：冰蓄冷三工况热泵机组；高效离心式冷水机组；地源热泵为基载；燃气锅炉调峰。,用友软件园系统方案原理示意图,地温场监测系统需要监测平衡,工程实施后的监测工作,天津工业大学地热热泵系统工程,地热热泵中央空调系统简介：I区：学生公寓采用地板辐射采暖，公共教学楼及餐厅采用风机盘管系 统，冬季供热以地热热泵为主，辅以燃气锅炉调峰；夏季供冷系统由水源热泵机组加室外冷却塔提供。II区：大学生活动中心及预留公建末端采用风机盘管系统，供热系统以土壤源热泵为主，水源热泵调峰。,能源中心,I区水源热泵空调系统组成,II区地源热泵空调系统组成,系统原理示意图,项目建筑类型：温室和公建，总建筑面积22万平米；采用地热热泵、地下水源地源热泵及地埋管热泵地源系统，具体配置如下： 4口地热井（2抽2灌） 33口水源井（11抽22灌） 1900个150m的换热孔 4台6吨燃气锅炉该项目正在实施完成，投入运行,第七届花博会主会场北京国际鲜花港,二 、国内相关研究及典型项目,深层地热能 浅层地热能 地表水、污水、再生水等 热能,污水、再生水热能利用,一、污水、再生水热能利用等相关研究,再生水热能利用综合技术研究（2005年国家科技部立项， 华清和清华大学共同完成，完成时间2008年12月，获得了 两项国家发明专利及其它技术）直接式污水源热泵系统应用中关键技术的研究（市人事局 百千万人才培养，华清李文伟，完成时间2008年）；上海世博会世博轴江水源热泵现场实验研究（上海世博土 地控股有限公司和华清公司共同完成,2008年）；北京市城八区供热资源整合控制性规划地热、浅层地热 、城市污水部分发展应用与研究（20092020）（北京市 市政管委主持，煤热院主要实施；市规划院、华清等参与， 2009年结题）中国建筑科学研究院环境与能源研究院的相关课题（未结 题）。,2004年至今国内实施的污水热泵项目部分统计,二、污水、再生水热能利用等相关项目实践,国内有影响的同类项目,燕山世博奥运,20002004年之间国内实施的污水热泵项目,二、国内污水热泵早期项目,国内有影响的同类项目,奥运村再生水热泵冷热源项目介绍,举世瞩目的第二十九届奥运会和第十三届残奥会已经胜利闭幕，奥运村在奥运会、残奥会期间，迎来了1.6万名奥运会运动员、教练员、体育官员和7000名残奥会运动员、教练员、体育官员。奥运村总建筑面积51.7万，需要采暖、制冷的面积41.3万。奥运赛时制冷负荷28.2兆瓦，赛后制冷负荷19兆瓦，赛后冬季采暖负荷21兆瓦。奥运村建筑全部由再生水热泵冷热源系统供冷和供暖。奥运村再生水热泵冷热源系统在奥运期间为奥运村供冷。在炎热的夏季为“奥运村民”送去了“清凉和舒适” 。,一、项目概况,2005年11月20日，最终通过了市发改委主持召开的 “奥运村再生水热泵冷热源项目方案专家论证会”。,专家会论证会,1.再生水源热泵系统流程示意图,2.项目工程示意图,1）再生水引退水工程：清河排水口建取水构筑物一座，自流引入清河南岸换热站的引水管线700米与退还清河的退水管线400米；2）清河南岸换热站土建及设备安装工程：换热站建筑面积1227平方米，地上地下各一层，主要设备有4000立方米的调蓄水池、换热器及变配电设备；3）从换热站到奥运村中心机房的循环水管线工程：全长2900米，DN800的夹砂玻璃钢管；4）奥运村内中心机房、二次泵站的工艺设备安装工程: 主要设备有热泵机组和冷水机组各4台、循环泵及变配电设备和自控系统。5）奥运村业主方提供中心机房和二次泵站的土建及附属设施、承担二次管网、采暖、制冷末端的建设。,5.建设内容,6.1.项目投资：12000万元,6.2.系统能效比：,热泵机组、水泵配电容量比例如右图产能系统制热效率（热泵水源侧水泵）：3.67；全系统综合效率：3.29；一次能源利用率：121%(煤电转化效率33%),系统总配电功率6392.5 kW，,6.3.项目能源费用：21.65元/年（含制冷）,6.项目主要技术经济指标,6.4.节能：机组效率5.6,热源效率3.67,系统综合3.285。一次能源利用率121%。比常规家用空调节能40，比常规集中空调节能25，业主是系统节能最终受益者。6.5.环保减排：每年冬季从再生水中提取能量折合标煤约3600吨，占奥运村采暖总能耗的82，折合天然气约270万立方米，比燃煤采暖可就地减排CO28600吨，SO2、NOx148吨，粉尘40吨。,6.项目主要技术经济指标,6.项目主要技术经济指标,6.6.推广示范意义：实现了奥运承诺，是奥运最大的亮点、重点、难点工程；为奥运村创造了“凉爽、整洁、安静、舒适的环境；没有 室外机或的观瞻污染及噪声,没有冷却塔的飘水；圆满完成了奥运赛时制冷保障工作，受到了众多国家运动 员和体育官员的称赞；实施