11.浅层地热能在建筑中的利用(新)

欧洲热泵使用总数
国家
德国 奥地利 比利时 西班牙 芬兰 英国 意大利 挪威 荷兰 瑞典 瑞士 3000 295000 37000 67000 15000 3000 2000年总量 63000+3700 0热水机组 149000 6500 热泵类型
地源
72% 80% 30%
水源
11% 16% 0%
空气源
浅层地热能
在建筑节能中的利用
浙江省地质学会
2008.9
前言
在《建设部关于贯彻(国务院关于加强节能工 作的决定)的实施意见》中提出： “太阳能、浅层地能等可再生能源应用 面积占新建建筑面积比例达25％以上。” 各省市也分别提出了“十一五”期间地 源热泵技术具体规划应用和发展目标。 在建筑中浅层地能的利用已迅速普及。
地源热泵的技术思路
地源热泵技术是一种利用浅层地热资源的既可 供热又可制冷的高效节能的空调技术。热泵的理论 基础源于卡诺循环，与制冷机相同，是按照逆循环 工作的。 由于全年地温波动小,因此利用热泵技术，用少 量高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位 转移。可分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空 调的冷源，即冬季从地下采集热量，提高温度后供 给室内采暖；夏季从地下采集冷量，把室内多余热 量取出释放到地能中去。
国外应用现状欧洲热泵使用总数国家2000年总量热泵类型应用水源空气源德国6300037000热水机组72111795用于住宅63000台用于供暖带或不带热水供应奥地利1490008016490用于住宅33000台用于供暖11400台用于生活热水比利时65003007030用于住宅西班牙没有使用热泵基本都用普通单冷空调芬兰150005247用于供暖英国3000ns40用于住宅游泳池加热意大利没有使用热泵基本都用普通单冷空调挪威30001728183用于住宅供暖荷兰295000瑞典3700072121690用于住宅供暖及制取热水瑞士670004055591用于住宅供暖带或不带热水供应法国30000158595用于住宅供暖国内应用现状根据对国内160余项典型工程的统计显示


国标《地源热泵系统工程技术规范》 GB50366-2005 国土资源行业标准《浅层地热能勘查评 价技术规范》
• 地源热泵的研究发展趋势 地源热泵的研究主要集中在三个方面：
表现在研究如何科学 •浅层地热能换热能力的研究 的管理系统，如何使 系统的运行更加节能， •地源热泵系统的研究 怎样实现系统的冷热 在不同的地质条件下地 同供，并注意选用可 下耦合交换器的热传导 再生能源(如太阳能、 性能的研究和对地下含 •地源热泵部件的研究 风能、生物能等 )作为 机械的研究则表现在研究 水层特性的研究。 热泵系统的高位热源， 如何减少换热器热阻， 使 从而减少传统能源的 用更高效的无污染的新型 •地源热泵系统辅助设计软件的研究。 消耗并全面综合的使 制冷剂，对压缩机性能的 用系统等问题。 改善等问题。 在开发新的地源热泵 的系统模型同时在模 型中考虑更多的对系 统有影响的因素。


地下水地源热泵系统 示意图

地表水地源热泵系统由潜在水面以下的、多重
并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土 壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它 们被连接到建筑物中。
地表水地源热泵系统示意图
·地源热泵系统的能效性及经济技术分析
地源热泵利用的能量是浅层地热能，这属于地热能的浅层低 温利用。这种形式的热泵是吸收地下土壤、岩石、地（表）下水 中蕴藏的热量。由于离地面一定深度的土壤（岩石）、地下水受 外界环境影响较小，全年温度基本稳定，一般接近该地区的年平 均气温， 夏季地下的温度低于室外空气温度，冬季地下的温度高 于室外空气温度，因此地源热泵的性能系数（或能效比）较高。 浅层地热能可重复循环
·属可再生能源利用技术
·属经济有效的节能技术 ·环境效益显著 ·用途广泛，一机多用 ·系统运行稳定，维护费用低
集采暖、空调制冷和提 使用 能效比（cop） 供生活热水于一身。 可达4－5 地源热泵的污染物排放较 可适用于住宅、楼堂馆 可以节约 30％～40％甚 其他形式供热空调系统减 所、办公、别墅等。 由于地源热泵本身 少40％－70％以上， 至更高的供热制冷空调 的特点，运行工况 综合运行费用。 较为稳定，故障率 低，使用寿命长， 维护费用低。
Värtan Ropsten—世界最大的海水热泵供热站
斯德哥尔摩海水区域供热系统 1984年和1986年之间，一个 具有制热量180MW，世界上 最大的基于海水的热泵在斯德 哥尔摩供热站安装。整个系统 共有6台瑞士AXIMA制冷公司 生产的整机离心热泵机组 技术数据
单机供热能力 单机耗电量 30 MW 8 MW
地埋管地源热泵系统示意图

地下水地源热泵系统（水源热泵系统）分为两种， 一种通常被称为开式系统，另一种则为闭式系统。
开式地下水地源热泵系统是将地下水直接供应到 每台热泵机组，之后将井水回灌地下。开式系统 在适当的地下水条件和建筑物参数下，是一个有 吸引力的选择方式。 闭式系统是将地下水抽取上来，通过中间换热系 统进行能量交换之后再回灌含水层中，地下水与 热泵机组不直接交换。
·利用浅层地热能资源的
地源热泵系统基本原理
热泵：
是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的 节能装置。是以冷凝器放出的热量来供热的采暖系 泵系统：
利用热泵把不能直接利用的低位热能（土壤,水中所 含的热能，工业废热等）转换为可以利用的高位热能。 以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由地源热泵 机组、地热能交换系统、建筑物内末端系统组成的供 热、空调系统。
地埋管式地源热泵系统
国 外 工 程 案 例
美国的Oklahoma(俄克拉何马)州是美国地源热泵应用最广泛 的地区，其州政府大楼是一座六层总面积约为40000m2 的历史建 筑。最初此大楼由窗式空调提供冷量， 由临近的蒸汽发电机提供 热量。改造后，重新装配了地源热泵系统，系统地下部分由373个 孔，深77m 的垂直孔组成，循环水由既有的蒸汽管道传送至布置 在建筑物周围的325个热泵系统中，2台91.94kW (125马力)的水泵 带动8316L／min(2200加仑／min)的水流循环于地下换热器与热 泵主机系统之间。 系统经测算在全生命周期内比传统空调系统节约100万美元，而 且比传统中央空调系统的效率提高18％。 模拟计算此系统全年运行COP可达4.0，但实际运行的系统COP 为4.74，其大部分原因为地下土壤温度并没有随着系统运行而降 低，始终保持较高温度。
地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、
地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统。

地埋管地源热泵（地下耦合系统）系统包括
一个土壤岩石耦合地热交换器，它或是水平 地安装在地沟中，或是以u-形管状垂直安装 在竖井之中。不同的管沟或竖井中的热交换 器成并联连接，再通过热泵机组进入建筑中 与建筑物内的水环路相连接。地埋管地源热 泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的 地源热泵系统，它通过循环液(水或以水为主 要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动， 实现系统与大地之间的传热。
17% 4% 70%
应用 95%用于住宅，63000台用于供 暖（带或不带热水供应） 90%用于住宅，33000台用于供 暖，11400台用于生活热水 30%用于住宅
没有使用热泵，基本都用普通单冷空调 52% ns 47% — — 用于供暖 40%用于住宅游泳池加热
没有使用热泵，基本都用普通单冷空调 17% — 72% 40% 2% — 12% 5% 81% — 16% 55% 83%用于住宅供暖 43%用于住宅供暖和/或制取热 水 90%用于住宅供暖及制取热水 91%用于住宅供暖（带或不带 热水供应）
国内外地源热泵技 术发展及工程应用
• 地源热泵的应用与研究发展趋势
• 国内外工程案例
地源热泵应用现状
国外应用现状 进入二十世纪九十年代，地源热泵的应用与发展进入了 一个全新快速发展的时期，地源热泵在欧洲和北美迅速 普及。根据国际地源热泵协会（IGSHPA）的参考报告， 在美国，至2005年，地源热泵的安装已经超过400万套。 在过去的几年，每年的成长速度均超过25%，其中2005 年成长约为50%。地源热泵因其节能性、舒适性正在大 力推广； 而2005年加拿大的地源热泵市场几乎翻了一番，在中欧 和北欧地区，地源热泵已成为家用热泵的主要热源，据 1999年的统计，在家用供热装置中，地源热泵所占的比 例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。
地温变化曲线表
·浅层地热能的特点
浅层地热能不是传统概念的深层地热，是地 热可再生能源家族中的新成员，它不属于地心 热的范畴，是太阳能的另一种表现形式，广泛 的存在于大地表层中。它既可恢复又可再生是 取之不尽用之不竭的低温能源。以往这种低温 能源，属于低品位的能源（通常温度﹤25℃， 区别于石油、煤炭等一次性高品位能源），往 往被人们所忽视。随着制冷技术及设备的进步 和完善，成熟的热泵技术使浅层地热能的采集、 提升和利用成为现实。
·浅层地热能 (Shallow geothermal energy)的定义
：
是指地表以下一定深度范围内，温度一般低 于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价 值的地球内部的热能资源。浅层地热能是地热资 源的一个组成部份。
浅层地热能资源主 要来自于太阳的辐射 能，储量巨大。主要 赋存于地下数百米以 上至地表冻土层以下 的恒温带中。
国 外 工 程 案 例
地表水地源热泵系统
国 外 工 程 案 例 北欧在海水热泵方面的应用比较领先，现在整个北 欧有180多台大型热泵在运行，其中瑞典和挪威已经 达到规模化应用的程度，瑞典自1995年至今建设了 总量约为500MW 的海水源热泵应用于城市和工业生 产的区域供冷，冷源采用免费制冷。瑞典首都斯德哥 尔摩建设了总能力为180MW 的世界上最大的海水热 泵站，用于区域供热，其供热量占城市中心网输送总 量的60％。
地下水地源热泵系统
美国的GaitHouseHotel为目前世界最大地下水地源热泵项目 之一，配置了总装机容量为16529．9kW(4700冷吨)的GSHP系统， 为89000m 的办公楼和70000m 的旅馆提供热量，运行15a无任何 问题。系统包括四个39．6m(130英尺)深的井，每个井以2646L／ min (700加仑／min)的流量从地下含水层中提取地下水，地下水进 入蓄水池并在此通过板式换热器与建筑物闭式热泵循环系统内的水 进行换热，换热后地下水流入Ohio河。闭式循环系统中总循环水 量为245700L(65000加仑)，其中94 500L(25000加仑)为办公楼服 务，剩余为旅馆提供冷、热量。 经过计算，系统每年可减少排放817吨CO2、9.97吨SO2、2.49 吨固体微粒。
法国
30000
15%
85%
95%用于住宅供暖
国内应用现状


根据对国内160余项典型工程的统计显示：办公楼40%、宾 馆、酒店19%、住宅12%、厂房9%、别墅、度假村7%、商 场6%、学校建筑5%、医院建筑3%，可以看出，地源热泵 技术已经在多种类型的工程中应用。调查显示，从空调供热 （制冷）面积来看，面积在5万平方米以上的项目约占4%； 在1～5万平方米的约占48%，1万平方米以下的约占39%。 其中大的在几十万平方米，像北苑家园小区面积达80万平方 米。小的是一些私家别墅只有约二三百平方米，像北京如茵 小筑别墅10号地源热泵供暖空调工程仅220平方米。 从项目上看，1000万以上的项目占14%；500～1000万元以 上的项目占21%，500万以下的项目占65%。可见目前实施 地源热泵技术的工程中还是中小项目居多。从竣工的时间看， 2000年2项、2001年4项、2002年11项、2003年21项、 2004年43项、2005年83项，从中不仅可以看出近年来地源 热泵工程应用日益增多，而且呈现成倍增长的趋势。
国 外 工 程 案 例
蒸发温度/冷凝温度
海水进/出口温度 供水温度/回水温度 调节能力
–3 °C /+82 °C
+2.5/+0.5 °C +57 °C/+80 °C 10–100%
河北省晋州滨河花园东苑住宅小区 地源热泵系统
国 内 工 程 案 例
基本情况：
国 内 工 程 案 例




晋州市滨河花园东苑，建筑面积45000平方米， 有多层住宅12栋。该市第一个采用了先进的外 墙外保温系统，省内第一个采用了地埋管地源 热泵地板辐射供暖系统的小区，成为石家庄市 建筑节能的典范。 设计热负荷36w/m2 ；总热负荷1800kw 垂直埋u-型管量：60400m；孔深：102m 地层：第四系粉砂质土；地下水位：12m
·浅层地热能资源及利用形式
浅层地热能由于其温度较低不易提取，而不 被人们所利用。随着科学技术的进步和对自然环 境影响的重视，作为一种可再生的、清洁的、能 量巨大的新型能源受到广泛的重视，在全球范围 内开始对浅层地热能利用和运用的研究。 目前利用浅层地热能的主要方面主要是运用 在建筑物的空气调节中。其方法就是通过热泵技 术将地下低品位的浅层低温热源提取上来加以利 用。