地源热泵与地暖结合供热技术的推广应用

地源热泵与地暖结合供热技术的推广应用
摘要：本文介绍地源热泵技术的发展及一种地源热泵的专利技术和应用该项技术所进行的项目推广，并结合北京地区一工程实例介绍地源热泵系统的特点。本文下面从供热热源，地源热泵与低温热水地面辐射供暖的特点等方面分别作简要介绍。
供热热源一般有以下几种形式：热电厂，区域锅炉房，工业与城市余热，地热，核能，热泵，太阳能等。前五种属于集中热源，后两种及燃气炉、燃油炉等属于独立热源。在集中热源受到限制的区域，独立热源便显示出自身的优势，比如热泵，尤其是地源热泵系统优势更加明显。
地源热泵+地板辐射，实现低温热水地面辐射供暖技术是目前最经济、最环保、最节能方式，供暖效果稳定、连续性好。地源热泵是利用了地球土壤和水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的冷暖空调系统。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡。这使得利用储存于其中的似乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，地源热泵是利用可再生能源的一种有效途径。地源热泵技术是一种利用浅层常温土壤或地下水中的能量作为能源的高效节能，零污染，低运行成本的既可供暖又可制冷并能提供生活热水的新型热泵技术。所谓热泵（Heat Pump）是一种从低温热源汲取能量，使其转换成有用热能的装置。它利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过输入少量的高品位能源（如电能），运用埋藏于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑物内部进行热交换，实现低品位热能向高品位转移的冷暖两用空调系统。它由水循环系统、热交换器、地源热泵机组和控制系统组成。它的最大优点是节能、无污染和运行费用低、空气质量高。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种的理想的“绿色技术”。从能源角度来说，它是一种用之不尽的可再生能源。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得地源热泵系统换热效率很高。因此在产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，而且冬季运行不需要任何辅助热源和除霜，大大地减少电能消耗和除霜的损失，从而达到节能的目的。
低温热水地面辐射供暖是以温度不高于60℃的热水为热媒，在加热管内循环流动，加热地板，通过地面以辐射和对流的方式向室内供热的供暖方式。该方式具有舒适性强，不占用室内面积等优点，受到人们的喜爱。地源热泵的出水温度正好满足低温热水地面辐射供暖系统温度不高于60℃的要求，不需增加换热设备，减少投资，这也是二者相结合的优势所在。
1946年美国建成第一个地源热泵系统。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19％以上，其中在新建筑里面占30％，并以每年10％的速度递长，美国前总统布什为大力推广此节能、环保产品，在得克萨斯州乡间住宅率先应用。
在欧洲，德国、法国以及北欧的一些国家应用较多，瑞士-96%、丹麦-27%、奥地利-38%，他们更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。
随着国内人们环保能源意识的不断提高，热泵越来越受到重视，作为一种环保高效的新能源将逐渐替代主要以矿物能源为主的一次性能源，并将进入千家万户。这是响应国家号召发展绿色建筑的需要，也是贯彻落实党中央提出的发展节能省地型住宅和公共建筑的重要举措，同时为人们提供一个绿色生态环保节能的居住、工作环境，提高人们的生活品位。
我国地源热泵技术的研究始于上世纪80年代。中国能源研究会地热专业委员会于1994年9月6日至8日在北京召开了第四次全国地热能开发利用研讨会；从90年代开始，每届全国暖通制冷学术年会上都有“热泵应用”的专题；1997年，中国科技部与美国能源部签署了《中美地热开发利用的合作协议书》。2000年山东XX集团公司协助山东建筑工程学院成立地源热泵研究所，这是我国首个以地源热泵技术为研究目标的科研机构。2000年6月19日至23日，中美地源热泵技术交流会在北京召开。2003年3月17日首届国际地源新技术报告会由 在济南主办，其中 美国OSU地源热泵专家Spiteler博士、刘晓斌博士、山东建筑工程学院地源热泵研究所方肇洪博士、清华大学热能工程系、天津大学热能工程系、同济大学热能工程系、浙江大学制冷与低温工程研究所、吉林大学热能工程系、河北建筑科技大学、武汉化工学院土木工程系几十所高等院校及科研机构应邀出席，并展开深入探讨，大大提高了国内地源热泵的技术水平。2005年，建设部将地源热泵技术列为建筑业十项新技术，有关方面正在制定相关政策，推动地源热泵技术的普及和发展。作为新型清洁能源的代表，地源热泵受到国家主管部门重视。建设部将地源热泵技术列为2005建筑业十项新技术并责成中国建筑科学研究院空调所主编的国内首个关于地源热泵技术的标准《地源热泵供暖空调技术规程》已经颁布实施。
许多地方各级政府把发展地源热泵作为发展本地经济的一个契机。北京市自1999年起，进行地热供暖示范工程及低温地热能梯级利用技术研究，取得重大成果。为办好本届奥运会，北京市主管部门和科研部门全力合作，相继进行了一些先进技术研究，国内外专家提出以地源热泵为代表的清洁能源符合“绿色奥运、科技奥运”的宗旨，应当在奥运工程建设中推广、使用，会议形成倡议书递交北京市政府和奥运会组委会，受到有关方面的高度重视，后详细研究及考核，将地源热泵中央空调作为2008年北京奥运会指定选用的中央空调型式。
地源热泵技术在很大程度上为国家节省能源，缓解电荒，同时也为用户节省了大量的运行费用。
近几年，地源热泵空调技术在我国的研究和应用有了很大的发展，理论和实践研究异常活跃，工程应用逐年增加，尤其是中国政府和美国政府将地源热泵空调技术纳入两国能源效率和可再生能源合作项目，促进了这一技术国际合作和推广的应用领域，但是如何优化机组系统配置、获得较高的能效比，是当前业内人事关注的热点，所以加强技术交流，将先进的设计理念、可靠的设备介绍给大家是非常有意义的。
地源热泵空调机组与其它形式的空调一样，由四大件组成，即蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀，而压缩机、膨胀阀为欧美发达国家原装进口件，实际上地源热泵机组的研发主要是蒸发器和冷凝器。
地源热泵机组使用的新型大容量环流套管式换热器，这种新型环流套管换热器通过使用特制的等内径异壁低肋内螺纹紫铜（或白铜）换热管有效地加强了蒸发器从单向流到蒸发器出口管段的换热条件，以及对换热管危险区的加强，有效地保证了换热器的可靠性，分别采用独特的内空间设计将换热器内水流速从原来的1.5m/s提升到3.2m/s和等径分液技术充分发挥了换热管使用效率，降低了材料的消耗量，既提高了换热器的传热系数，又解决了易堵塞和制作成本的问题，而且通过标准模块组合的方式有效的扩充了换热器的使用范围（2kW～260kW）。不仅继承了传统换热器的优点，而且克服了传统换热器传热系数低、容量小、易堵塞、易泄露等缺点。
由于环流套管换热器的特点使其在地源热泵机组上的应用具有得天独厚的优势，成功开发出了环流模块化地源热泵机组，下面以北京区一实例给大家介绍一下：
北京XX花园别墅群位于北京市顺义区空港城，是北京地区较大的高档次住宅项目，集绿色、亲水、国际化、增值、人文、交通六位于一体，生态环境与人居环境和谐共生的住宅示范区，其主要为别墅式住宅，同时还包括娱乐、办公、学校等，其别墅住宅一期共计80余套。按甲方要求其原工程设计为冬季燃汽锅炉采暖，夏季普通家用空调制冷，经详细比较及计算其运行费用，最后确定其中42套为地源热泵机组，共计约60000平方米，冬季采暖、夏季制冷以降低其费用。
（1） 主机型式
因北京冬季温度较低，家用空调当温度低于7℃时其制热量衰减较严重，同时存在夏季制冷系数较低等问题，同时根据北京市文件，位于顺义区地下水取用受到严格限制，排除水源热泵机组。
因此在同甲方多次接触后，采用地源热泵机组用以制冷及采暖。因其原有机房面积较小，不能安装，经和甲方协商后，安装于一楼楼梯底，因其位于室内，与会客厅接，所以其外观及噪声要求极为严格，最后确定选用XX产低噪音数码柔性旋流式地源模块机组。
根据其建筑单体别墅建筑面积为366m2，根据《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19—87及《民用建筑暖通空调设计技术措施》，其单位面积冷负荷按100W/m2，单位面积热负荷按85W/m2，总体冷负荷为36.6kW，总体热负荷为31.1kW，根据总体冷热负荷选用DM-10Q（R）型地源模块冷热水机组，制冷量为38kW；制热量为32kW。
(2)工程施工
考虑顺义区XX花园地下情况，88米以下均为岩石，其施工难度较高，同时考虑其施工成本，因此在本工程中地下埋管为双U型管，埋管深度为80米，每套别墅400m2，共计5孔，孔间距为5米，每户埋管合计400米。其地埋管材质为高密度聚乙烯管PE100，管径为32mm，壁厚2.9mm，钻孔孔径为150mm。
(3)系统设计
根据其别墅单体面积较小，室内循环系统补水采用自来水定压补水，室外埋管系统采用小型补水箱定压补水。考虑其室内空间及节省管材，主管采用异程设计，其水流速按2m/s设计，地埋管循环系统水流速按1.2～2.5m/s设计。
(4)设备运行效果
机组安装完毕后经调试，当环境温度35℃时，地源热泵机组冷媒水进水温度12℃，出水温度7℃，室内环境温度达到20～24℃，制热时热媒水进水温度40℃，出水温度45℃，室内温度可达到18～24℃，完全达到空调制冷、制热设计要求，运行效果理想，甲方十分满意。