地源热泵研究现状与 发展趋势

1. 地源热泵研究现状与发展趋势 西南交通大学建环系 袁艳平 教授 电 话：138 808 71068 电子邮箱: ypyuan@swjtu.cn

2. 主 要 内 容 • 地源热泵简介 • 地源热泵的研究现状 • 地源热泵相关政策法规 • 地源热泵系统的设计 • 未来地源热泵的发展趋势 • 前期研究内容与成果

3. 地源热泵简介 • 地源热泵的基本原理 • 地源热泵的起源 • 地源热泵系统的分类 • 地源热泵系统的优、缺点 • 地源热泵系统在国内外的发展

4. 地源热泵的基本原理 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括 地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调 系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低 温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和 夏季空调的冷源。

5. 地源热泵的基本原理 在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内 采暖；夏季，把室内的热量“取”出来，释放到地下去。

6. 地源热泵的起源 • 地源热泵诞生于20世纪80年代中期。这是指地源热泵作为真正兴起的一门新技术，并开始获得了应用与发展的时期。 • 地源热泵的概念(或称新设想)最早出现在1912年瑞士佐伊利( H. zoelIy )的一份专利文献中。 • 土壤耦合热泵技术的提出始于英、美两国。20世纪40年代末50年代初，美、英开始采用地下盘管做热源的家庭用热泵，并开始研究土壤耦合热泵。

7. 地源热泵的分类 • 地埋管式地源热泵系统 • 地表水地源热泵热泵系统 • 地下水地源热泵热泵系统

9. 地源热泵的优点 • 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 • 一机多用，应用范围广

10. 地源热泵的优点 • 属可再生能源利用技术 　 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400 米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。 　　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。

11. 地源热泵的优点 • 属经济有效的节能技术 地能或地表浅层温度四季相对稳定，冬季比环境空气温度 高，夏季比环境空气温度低，地源热泵比传统空调系统运行效 率要高40%。地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可 靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。 　　据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来 说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。

12. 地源热泵的优点 • 环境效益显著 　 地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少 40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合 其它节能措施节能减排会更明显。制冷剂比常规空调装置减少 25％的充灌量；制冷剂泄漏机率大为减少。运行没有污染。

13. 地源热泵的优点 • 一机多用，应用范围广 地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，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，更适合于别墅住宅的采暖、空 调。此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空 间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。

14. 地源热泵的缺点 • 长期连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的 影响而发生波动。 • 土壤的热导率小使埋管换热器持续吸热率仅为20～40W／m， 一般吸热率为25W／m左右。因此，当换热量较大时，埋管换热器的 占地面积较大。

15. 地源热泵的缺点 • 地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。计 算表明，传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤中 的1／3，在胶状土中仅为它的1／10。 • 初投资较高。仅地下埋管换热器的投资约占系统投资的20％～ 30％。

16. 地表水源热泵在国外的发展 20世纪30年代，地表水源热泵系统问世，是地源热泵 中最早使用的热泵系统形式之一。欧洲第一台较大的热泵装置是 1938～1939年间，在瑞士苏黎世市政大厅投人运行的。它以河 水作为热源，供热能力175KW .

17. 地表水源热泵在国外的发展 • 20世纪80年代，美国、日本、罗马尼亚、丹麦、德国地表水源热泵也得到了迅速发展，单机容量甚至达到30MW，总装容量达到160 MW。 • 之后，大型地表水源在欧洲各国开始兴建。芬兰有6台MW级装置；荷兰有1套1.5MW装置；罗马尼亚有7.5MW的吸收式热泵15套，2.9MW的10套，8.7MW的1台，用于区域供热，连同其他约400套中型压缩式热泵一起，每年节约30000t煤当量。

18. 地下水源热泵在国外的发展 20世纪90年代以后，环保要求的进一步提高，美国地下水源热泵系统的应用一直呈上升趋势。美国能源信息部(Energy Information Administration，USA)的调查表明：美国地下水源热泵(ARI一325)的生产量1994年、1995年、1996年、1997年分别为5924台、8615台、7603台、9724台，除1996年外，基本呈直线上升趋势。在过去的10年内，地源热泵的年增长率为12%。 1997年欧洲发展基金会重新提出热泵发展计划.2000年，欧洲用于供热、热水供应的热泵总数约为46.7万台，其中水源热泵约占11.75%。

19. 地源热泵在国外的发展

20. 地源热泵在国外的发展 • 至 2002 年瑞士热泵在新住宅的占有率超过 1/3 。 • 日本建筑物的热泵占有率达到 20% • 据国际能源热泵组织（ IEA HeatPump Centre ）和欧洲热泵协 会（ EHPA ）统计的资料表明， 目前 欧洲有 450 万台热泵用于住宅， 150 万台用于第三产业， 2.5~3 万台热泵用于工业 .EHPA 的目标是到 2010 年在洲至少有 1500 万台热泵用于住宅，这相当于每年节省100TWh 的能源和减少4000 万吨的CO2 的排放.

21. 水源热泵在中国的发展 • 上海世博会的世博轴, 利用黄浦江水作为冷热源+地源热泵的系统； • 青岛东部开发区和高科技工业园区采用了大型海水热源热泵供热; • 辽宁大连星海假日酒店采用海水源热泵集中制冷和采暖, 在国内尚属首例, 是目前我国最大的海水源热泵工程; • 2008 年奥帆赛配套项目奥帆媒体中心也采用海水源热泵技术; • 青岛市正在进行规划, 准备在沿海一带实行海水供热供冷, 取代锅炉; • 在山东, 湖南等地, 也有湖水源热泵应用

22. 地源热泵在中国的发展 • 上海闵行经济技术开发区办公楼是中国第一项真正的采用 地源热泵系统工程。该建筑的空调面积为4305 m2的6层建筑1987年开始筹建，1989年10月投人使用。 • 1996 年至今，在北京、山东、河南、辽宁、河北、江苏、浙江、湖北、上海、西藏等地都有地源热泵工程建成.

23. 地源热泵在中国的发展 • 1997年，中国科技部与美国能源部签署了中美能源效率及 可再生能源合作议定书。中美两国确定在我国北京(代表北部寒 冷地带)、宁波(代表中部夏热冬冷地带)、广州(代表南部亚热带) 合作建立三个地源热泵的示范工程。 • 2001年建设部公布的212个可再生能源建筑应用示范项目中共有144个与地源热泵有关的项目. • 目前全国地源热泵系统的应用面积估计超过2000 万㎡，且每年在以超过15%的速度递增.

24. 地源热泵在中国的发展 2000~2003年四年间，专利总数287项，年平均为71.75 项．是1989～1999年专利平均数的4. 9倍。2000～2003年间发明 专利共119项，年平均29.75项，是1989—1999年发明专利平均数 的4.25倍。 2000～2003年中热泵文献数量剧增，如2003年文献数是 1999年文献数的5倍。全国高校有105名研究生以热泵技术为题 目，是90年代年平均数的7倍多。

25. 地源热泵的研究现状 • 地下埋管换热器的传热模型和传热研究. • 土壤热物性及土壤热导率的试验研究 • 瞬态工况数值模拟及动态性能研究. • 热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究. • 其他能源如太阳能、水能等与地热源联合应用的研究. • 地源热泵系统的经济性能、节能减排效果的研究. • 地下水源热泵回灌技术与实践 • 同井回灌地下水源热泵地下水运移数值模拟与实验研究 • 土壤蓄冷与土壤源热泵集成系统的应用基础研究 • 复合地源热泵系统

26. 地源热泵相关政策法规 • 中国科技部和美国能源部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中专门设有有关地源热泵的发展战略。 • 《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工作。 • 建没部《民用建筑节能管理规定》指出：国家鼓励发展的八项建筑节能技术中第五项直接提到利用地热技术。

27. 地源热泵相关政策法规 • 2005年全国人大通过了《可再生能源法》，建设部将地源热泵供暖空调技术列入新的建筑业十项新技术。 • 发布国家标准《地源热泵系统工程技术规范》 • 国家的财政补贴示范工程 • 各省市出台地方规定 • “三步走”战略，即从项目示范，到城市示范，再到全面推广 成都市被列为全国可再生能源示范城市！ 十二五期间可再生能源利用达到500万㎡.

28. 土壤源热泵的设计 • 地埋管换热系统的最大释热量及吸热量 ∑[空调分区冷负荷×(1+1/EER)] +∑输送过程中得热量 +∑水泵释放热量 地埋管最大释热量 = ∑[空调分区热负荷×(1-1/COP)] +∑输送过程中失热量 -∑水泵释放热量 地埋管最大吸热量 =

29. 土壤源热泵的设计 • 制冷埋管长度及供热埋管长度确定 • 最大吸热量和最大释热量相差不大时，应分别 计算供热与供冷工况下地埋管换热器的长度，取其大者； • 当两者相差较大时，宜通过技术经济比较， 采用辅助散热(增加冷却塔)或辅助供热的方式来解决。

30. 土壤源热泵的设计 • 制冷埋管长度及供热埋管长度确定 IGSHAP模型— 开尔文线源理论北美确定地埋管尺寸标准方法

31. 土壤源热泵的设计 • 埋管布置形式 双U管的单位换热价值高于单U，宜优先双U管。 成都地区地下水丰富 宜采用叉排形式

32. 地源热泵的发展趋势 • 高温多功能地源热泵 • 复合式地源热泵 带辅助散热装置的复合地源热泵系统 太阳能复合地源热泵系统

33. 地源热泵的发展趋势 高温多功能地源热泵 高温多功能地源热泵冬季供热采暖、夏季制冷降温，同时可提供生 活热水，可替代传统燃烧式锅炉供暖、供热水无需辅助电加热，热水 温度可达到70-85度，一机多用，高温高效。

34. 太阳能复合地源热泵系统

35. 带辅助散热装置的复合地源热泵系统

36. 我国地源热泵行业未来的市场预测

37. 我国地源热泵行业未来的市场预测 • 从以上数据预测角度所得到的年平均增长率，分别为16.8%和18%。到2013年地源热泵系统的销售额分别达到102亿元和99亿元，机组的销售额分别为42.6和39.1亿元，保持16.8%-18%的平均年增长速度。 • 2013年地源热泵机组市场份额仅占当时中国空调市场总销售额的3.3%。与地源热泵已普及国家超过10%的市场份额相比仍然很低，这说明地源热泵行业以后的发展空间还很大。 

38. 前期研究内容与成果 主要研究内容 • 建立适用不同地质水文条件的地下埋管换热器的计算模型，包括3D数值计算模型和适于工程设计计算的简化模型； • 研究土壤地质条件、埋管方式、地下水状况、回填材料热特性、管内循环流量、进口水温等因素对地下埋管换热特性的影响； • 研究不同建筑负荷特征下地埋管换热器特性及其对地下换热系统中长期运行特性的影响；

39. 前期研究内容与成果 主要研究内容 • 建立耦合地源热泵机组与地埋管换热器的地源热泵仿真计算模型 • 构建地源热泵系统数值模拟与仿真计算平台 • 污水源热泵结垢机理及相关数值计算

40. 地埋管换热器传热模拟 地埋管换热 钻孔内 稳态解析计算 基于能量平衡的 准三维模型 钻孔外土壤 非稳态数值计算 模型 钻孔壁温 换热量

41. 地埋管换热器传热模拟 钻孔内传热模型 对于沿深度方向上任意横截面的微元段dz，由能量平衡：

42. 地埋管换热器传热模拟 钻孔外传热控制方程 非渗流层 渗流层

43. 地埋管换热器传热模拟 采用fortran 编制模拟计算程序

44. 不同运行模式下地埋管换热器性能分析 典型建筑负荷特征及运行模式 白天使用率高，休息时间使用率很低甚至为零，一般情况下，夜晚和放假日使用率为零。 办公建筑 上午10:00到夜晚22:00处于使用期，22:00以后到第二天的上午10:00使用率为零 。 商场 居住建筑 白天使用率低，夜晚使用率高。 每日内设备停机时间很短，季节负荷时间内基本无恢复期 。 宾馆

45. 不同运行模式下地埋管换热器性能分析 典型建筑负荷特征及运行模式 • 办公楼每天运行14小时停机10小时； • 商场每天运行12小时停机12小时； • 居住建筑每天运行10小时停机14小时； • 宾馆连续运行

46. 不同运行模式下地埋管换热器性能分析 不同运行模式换热量 连续运行模式 14+10运行模式

47. 不同运行模式下地埋管换热器性能分析 不同运行模式换热量 12+12运行模式 10+14运行模式

48. 不同运行模式下地埋管换热器性能分析 不同运行模式土壤温度 连续运行模式 14+10运行模式

49. 不同运行模式下地埋管换热器性能分析 不同运行模式土壤温度 12+12运行模式 10+14运行模式

50. 不同运行模式下地埋管换热器性能分析 换热量恢复比、换热量恢复速率