我国地源热泵技术的应用与产业发展探讨

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Louis027
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   摘要:地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源,既可供热又可制冷的高效节能空调系统。正是因为地源热泵技术的这些优势,使其在全世界普遍应用。地源热泵技术虽然在我国发展的时间较短,但是目前其已经在我国广泛应用。随着地源热泵在我国的普遍应用,地源热泵技术的相关优势越来越突出,并且地源热泵技术在我国发展的制约因素也体现出来,与此同时地源热泵的发展前景也显得非常广阔。本文主要对地源热泵技术及其在我国应用现状、地源热泵技术优势、制约地源热泵技术发展的因素以及我国地源热泵技术发展前景展望进行了分析。
  关键词:地源热泵;应用;发展
  Abstract: the ground source heat pump technology is a use of underground geothermal resources, can both heat and be cooling air conditioning system of high efficiency and energy saving. It is for the ground source heat pump technology of these advantages, the widely used in the world. The ground source heat pump technology, while the development of our country in a relatively short time, but now it has been widely applied in our country. As the ground source heat pump the commonly used in our country, the ground source heat pump technology related advantage more and more prominent, and the ground source heat pump technology in our country factors restricting the development of also come out now, and at the same time the prospect of the development of ground source heat pump is very wide also. This paper mainly of ground source heat pump technology and its application in our country present situation, the ground source heat pump technology advantage, restrict the ground source heat pump technology development and the factors in the ground source heat pump technology development prospects for the analysis.
  Key words: the ground source heat pump; Application; development
  
  
  中图分类号:TH3文献标识码:A 文章编号:
  地源热泵技术优势众多,在我国发展历史不太长,但是在国外已经发展几百年了。近些年,地源热泵已经在我国一些地区应用起来,其优势也充分地在我国体现出来,如能量的大量节省、设备的初投资少。目前在我国很多建筑都普遍应用地源热泵技术,如宾馆、公寓、住宅区、商场、商业楼、学校等建筑。虽然地源热泵技术在我国普遍应用,但是其在发展过程中还存在一些制约因素,致使地源热泵在我国发展受到阻碍,无法与国外地源热泵发展相比。因此深入研究我国地源热泵技术的应用和发展显得非常重要。
  1. 地源热泵技术及其在我国应用现状
  1.1地源热泵技术
  地源热泵技术涉及的学科综合性较强,它包括制冷与暖通空调技术、岩土工程技术、钻探技术、工程传热传质、环境地质工程、岩土与建筑材料科学等。地源热泵技术就是利用高位能将热量从低位热源流向高位热源的节能装置,即可以把不能直接利用的低位热能(如空气、岩土、水中所含的热能,生活和生产废热,以及太阳能等)转换为可以利用的高位热能,从而达到节省高位能(如煤、燃气、油、电能等)的目的。地源热泵是地热能应用的一种重要技术,地源热泵制热要比常规的电制热或燃油、燃气制热经济,通常制取相同的热量,地源热泵的耗电量只有电热耗电量的1/4到1/5。地源热泵系统是包括使用岩土、地下水和地表水作为低位热源(或热汇)的热泵空调系统,即以岩土为热(冷)源的热泵系统,也称地下埋管换热器地源热泵系统;以地下水为热(冷)源的热泵系统,称之为地下水热泵系统;以地表水为热(冷)源的热泵系统,称之为地表水热泵系统。地球浅层地表是一个巨大的太阳能集热器,它收集了47%的太阳能,其能量储存超过全球年能耗的数百倍。这种能源基本不受地域限制、不受气候影响,是人类可以利用的可再生清洁热能。地源热泵冬季供暖时,提取地表中的热量供给室内采暖,同时向地下蓄存冷量,以备夏用。夏季空调时把室内热量取出来,释放到地表中,并向地下蓄存热量,以备冬用。地源热泵是可再生能源利用技术。地埋管式地源热泵系统的特点是只提取地下低热不取地下水,没有地下水位下降和地面沉降问题,也没有腐蚀和开凿回灌井问题,不会对大气排热、排冷的热污染和排烟、排尘、排水等污染,是比较理想的绿色能源利用方法。因此地埋管地源热泵系统的研究具有较高的经济和社会价值。应用热泵技术可以有效地降低资源的耗散速度,因此人们可以通过热泵技术,将贮存在岩土层、地下水、地表水或空气中的太阳能用于建筑物采暖和热水供应,从而有效地降低高位能的耗散速度。此外,热泵利用部分高位能作能源,使动力机驱动工作机做功,将低位热能输送至高位并向用户供热,实现了合理有效利用能源、利用废弃能源、控制递增速度,达到科学配置能源的目的。
  1.2地源热泵技术在我国应用现状
  盡管地源热泵在北美和欧洲等许多发达国家是一个较为成熟的产业,得到广泛应用,但在我国的应用还刚刚起步。近几年,国家对于可再生能源的开发利用逐渐重视,并出台了一系列的相关政策法规,在此背景下,作为可再生能源利用的一种重要方式,我国地源热泵产业的发展日益加快。我国对地源热泵的研究起始于20世纪80年代,最近5年成为国内建筑节能及暖通空调界的热门研究领域。最早应用地源热泵系统的是我国上海,那时由美国提供地源热泵技术的相关技术和设备,经过多年运行,总体良好。这个系统有深35m的垂直竖管井135个,埋管采用聚丁烯管。从此之后,我国很多科研机构和相关院校都对地源热泵做了相关的试验,并建立了地埋管的传热模型,产生了很多的实验资料和数据。北京、辽阳、济南、宁波等地开始了一些试点工程。到2007年我国已达约1900MWt装机容量,这个数字已经进入世界五强之列。在全国地源热泵的大发展中,目前国内已有多家大中型企业参与投资开发地热资源,并已有多个大型地热资源开发项目取得实质性进展。例如,西藏自治区羊易高温地热资源发电项目,全部开发后可实现发电装机容量50兆瓦;河北省承德市隆化县高温地热资源发电项目,开发后可实现发电装机容量30兆瓦。地源热泵在我国华北、东北、西北、南方以及西藏高原都有应用,沈阳和北京市规模最大。它们组成了不同温度级别提取浅层地热能的应用,这些工程实例代表了地源热泵在不同地理位置和气候条件下的应用及适用性。
  2. 地源热泵技术优势
  地源热泵空调系统是利用低温热源进行供热制冷的新型能源利用方式,与使用煤、气、油等常规能源供热制冷方式相比,具有清洁、高效、经济、节能、环保的特点,且操控容易、安全性好。因地制宜发展热泵系统,有利于优化能源结构,促进多能互补,提高能源利用效率。传统的中央空调有空气源热泵(风冷机组) +辅助电加热和水冷冷水机组+锅炉两种形式。空气源热泵(风冷机组)和水冷冷水机组在制冷时都是把房间的热量向室外空气排放,受室外气温因素的极大影响,其制冷量随室外空气温度的升高而降低,尤其在高温、高湿地区,机组制冷性能极不稳定,且效率低下。在制热时,空气源热泵当室外温度降到零度以下时需增加辅助电加热装置,否则机组不能正常工作,这时空气源热泵耗电量大,效率很低。而水冷冷水机组+锅炉这种空调形式,在供热时需用电锅炉或燃煤、燃油锅炉,污染严重,运行费用昂贵且操控复杂,还存在一定的安全隐患。相比较而言,地源热泵空调系统目前技术成熟,工艺先进,系统操控简单,并且其仅和地下土壤进行热量交换,不受室外空气温度的影响,也没有锅炉等设备使用上的安全环保等问题。
  从经济角度分析,有试验数据表明,地源热泵与传统空调采暖方式相比,初期投资方面,地源热泵系统310元/M2,传统空调系统230元/M2;但全年运行费用方面,地源热泵系统26.76元/M2,传统空调系统可达42.39元/M2,明显低于后者,从而使用地源热泵能在6年内基本收回投资,传统空调系统的寿命一般可在15年以上,以此计算,地源热泵空调系统在全寿命周期内使用成本小于传统空调系统,经济效益十分明显。
  3. 地埋管地源热泵工程简介及施工工艺
  下面以我单位承建的北京市四惠交通枢纽项目为例,介绍一下地埋管地源热泵技术。该项目位于北京市四惠桥东南侧,为节能环保的立体交通枢纽,总建筑面积3.7万M2,夏季制冷负荷Q=2932.8KW,冬季采暖负荷Q=1955.2KW,综合考虑建筑负荷与热泵机组,共设计408眼100米深的室外换热孔,每个换热孔内下入直径为32MM的双U型HDPE管,孔径150MM,换热孔间距5*5米,各换热管采用同程连接。
   影响地源热泵换热效率的主要部分就是地下埋管,地下埋管热泵技术施工工艺流程如下:(1)钻孔。这是最重要的工序,如钻探成孔质量不好,出现孔斜、塌孔、缩颈等情况,将导致后续下管工作实施难度大,下管深度达不到设计深度及下管过程对PE管造成不可修复的破坏等,均影响地埋管换热性能。在施工过程中,护壁主要是使用汽车钻机泥浆来进行,成孔主要通过回转钻进方法来进行,等钻孔完毕后,要保证孔壁的完整性,施工要求钻孔深度误差要控制在5cm内,垂直度要控制在1%孔深以内,在选择钻进工艺时,要根据地层不同而进行,直到设计与要求的孔深相符。(2)U型管的制作。高密度聚乙烯塑料管使用寿命长达50a以上,与建筑物寿命可以相比。管接头采用热熔连接。(3)下U型管。U型管的下放目前采用人力下管,而并没有采用机械化施工。钻机成孔质量在一定程度上决定了下管工作是否顺利,因此,钻机成孔时,为了确保孔壁顺直的施工方法,主要采用泥浆护壁等来进行。另外,下放U型管时,要确保管道的正常性。(4)回灌填充材料。针对填充U型管与钻孔孔壁间的间隙要采用填充材料来进行,并且要求填充材料具有更好的传热性能。传热率的大小在一定程度上由填充材料来决定,一种热阻比较小的材料的使用,对于整个系统的效率有明显提高。
  3.制约地源热泵技术发展的因素
  地源热泵在我国发展时间较短,从目前情况来看,系统初期投资较高和缺乏必要的宣传推广活动是制约地源热泵在我国发展的两个主要因素。(1)系统初期投资较高。地源热泵系统初期投资中地下换热器的成本占较大的比例,而地下换热器的成本较高,这是导致地源热泵系统初期投资较其它传统空调采暖系统高的主要原因。而随着地源热泵技术逐渐推广应用,政府补贴的逐步完善,产业化规模的不断加大,生产厂家和集成商的逐渐增多,市场竞争逐渐加剧,地源热泵系统的初期投资还会进一步降低。(2)缺乏必要的宣传推广活动。目前,虽然地源热泵技术已经成为供暖制冷领域利用可再生能源实现节能、环保、供热低廉的主要技术手段,国家也出台了相关政策和法规支持地源热泵产业的发展,但由于对节约能源和保护环境的宣传教育不够,没有形成强大的公众舆论和社会环境,使用者对其缺乏全面的学习和掌握,使得社会各方面尤其是业主决策人对使用节能技术和设备缺乏积极性,直接影响地源热泵技术这项新型节能技术的推广使用。另一方面,地源热泵工程设计作为一项技术含量较高的技术,目前仅掌握在少数科研单位手中,还没有推广到各大设计院以及生产企业,缺乏各个专业、各个领域人们的共同配合,缺少从主机设计制造、系统的设计和运行管理等各方面的共同参与。解决这个问题可以从以下两个方面入手,一是积极开展国家级和城市级的地源热泵工程示范,以此來宣传推广地源热泵技术;二是加强科研机构和企业、设计院的横向合作,由企业和设计院等直接面向最终产品和工程的单位牵头,提出技术需求,提供研究经费以及硬件设施,研究机构发挥它们在科技研发方面的优势,将开发的技术尽快实用化,形成符合我国市场需求的产品。
  4.我国地源热泵技术发展前景展望
  从整体上看,我国地源热泵技术应用的面积越来越大,2007年增长了约1800万㎡,2008年增长了2400万㎡,2009年更增长了3870万㎡,全国地源热泵总利用面积已达1.007亿㎡。在2010年,我国地源热泵在世界上排名已经在第二位,我国已经连续两年增长率超过了一半。我国城乡既有建筑总面积约400亿m2,其中城镇约为160亿m2,在城镇中居住建筑面积约为105亿m2,其中能达到建筑节能标准的仅占5%,其余95%都是未来需要陆续进行节能改造的高能耗建筑;同时,我国每年新增房屋建筑面积约20亿m2,预计到2020年底,我国新增的房屋面积将近300亿m2,新增城镇民用建筑面积将为(100~150)亿m2。随着人民生活水平提高,我国采暖线也将逐步南移,采暖面积会逐步增大,新建建筑将有70亿m2以上需要供暖。有如此巨大的潜在市场需求,地源热泵技术作为一种受国家政策支持的新型节能环保空调采暖技术,发展前景广阔。作为一个在我国方兴未艾的产业,政府、企业和科研机构还有许多工作需要做,从而保证这个产业健康快速的发展。比如,开展国家级和城市级的地源热泵工程示范,以得到正确可靠的技术数据,指导工程设计、安装和运行,并帮助宣传推广这项新型节能环保技术;加强政府对地源热泵工程的质量监管,防止各公司一哄而起去做,竞相压价,损害整个行业利益,杜绝假冒伪劣;积极开发热泵复合能源系统技术,拓宽其应用范围和发展方向。
  5.结语
  从实践中可以看出,地源热泵技术具有很多优势,如运行费用低、节能效果好等,这也正是地源热泵技术在我国普遍应用的一个主要因素。在我国,可以充分利用地热能源,使节能效果达到最佳状态,并且可以节省40%的综合运行费用,地源热泵技术应用是值得被推广的,其应用价值不可低估。
  参考文献:
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