夏热冬暖地区应用浅层地热能供热制冷的必要性与优势

夏热冬暖地区应用浅层地热能供热制冷的必要性与优势解决环境污染和能源危机问题是当今全人类的共同课题。在中国能源消耗中，建筑耗能的比例相当高，中国传统的空调系统，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方以自来水或环境空气为冷源的制冷机组解决夏季制冷问题。根据近年的统计，我国采暖和空调的能耗占建筑总能耗的55％，建筑能耗是相同气候条件发达国家的2-3倍。建设部提出，我国新建建筑全面执行节能标准，建筑能耗减少50%。近年来，空调负荷增长迅速，炎夏季节多数电网高峰负荷约有1／3用于空调制冷，使许多地区用电高度紧张，拉闸限电频繁。目前，中国房间空调器和单元式空调机的产量已达世界第一，中国建筑业发展迅速，每年城市新增8-9亿平方米的住宅建筑和公共建筑，随着经济发展和人民生活水平提高，建筑耗能逐年大幅度上升。如2004年广西的建筑能耗已经超过全社会总能耗的20%，夏季空调高峰负荷已相当于在建的龙滩水电站540万千瓦的满负荷出力。如果不加控制，广西2010年的建筑能耗将比2004增加1倍，空调高峰负荷将近2个龙滩电站的满负荷出力，需要增加电力建设投资数百亿元。而目前美国每年安装约4万套地源热泵系统，这个规模意味着每年可以节约8.79×1011瓦的能量，相当于162个龙滩水电站。1.夏热冬暖地区对供热制冷需求的特点1.1生活热水夏热冬暖地区地处亚热带，气候潮湿、冬季气温变化大（有时10℃以下数天后又突然转暖为20℃左右）、夏季炎热，因此，热水洗澡天数占全年80%以上。长期以来，各种热水锅炉和家庭热水器为南方人解决生活热水问题，既有其便利之处，又有各方面不足和局限。燃煤锅炉成本低，但污染严重，一些城市已下文禁止使用燃煤锅炉要求改用燃油锅炉，但随着燃油价格的不断上涨，很多宾馆难以承受其运行成本；一些小型宾馆采用燃气热水器，但其安全性令人担忧，出现煤气中毒造成人员伤亡的事故时有发生；采用太阳能+电热辅助的形式，许多单位上了系统但在冬季却停止了使用，问题的焦点是，夏季气温高时热水用量少，此时太阳能提供的热水充足有余，到了深秋、冬季、早春季节气候寒凉，太阳光照弱，热水温度不够，特别是每年的1、2、3月气候寒冷潮湿，阴雨连绵，而此时是需要热水量最多的时期，太阳能几乎不起作用，却只能以电加热为主，但其耗电很大，经济上让大家难以承受。1.2夏季空调制冷夏热冬暖地区尤其是两广地区夏季炎热，制冷空调已成为城市家庭和办公的基本设施，但随着空调的普及，温室气体的排量越来越大，使得城市的环境温度升高，一方面，室外更加酷热高温，空气质量下降。另一方面，环境温度升高使得空气源热泵的能效下降，能耗更大，造成恶性循环。减排温室气体、提高制冷能效比是当前节能环保的迫切要求。1.3冬季采暖16摄氏度是人体对寒冷忍受程序的一个界限，低于这一界限，人就感觉舒适性差。进入冬季以后，南方绝大多数地方的气温都会降至16℃以下，尤其南方冬季的寒冷，是一种湿冷，使人感到寒冷刺骨。随着人们生活水平的提高，南方冬季采暖需求越来越旺，近年来电取暖器在南方呈畅销势头。但电取暖器和空气源空调取暖能耗都较高，而且舒适性差。但南方取暖负荷相对北方要小得多，冬季供暖时间也较短。因此，南方地区采用地源热泵技术供暖其成本及实现条件要求都较低，是较佳的能源利用方式。1.4农业温控需求随着农业科学种养殖技术的不断普及和提高，高附加值的养殖业、种植业发展越来越快，如温控农业大棚、牧禽鱼养殖等，这些农业技术，迫切需要能源消耗成本低的温控系统。因此，寻求能实现制冷、采暖和供生活热水的稳定的节能环保系统，是南方城市与农村发展的迫切需要。浅层地热能、太阳能属于低品位能源，按照分级用能原则，最适合满足生活用能的需要。地源热泵技术是既开发利用了可再生的新能源——浅层地热源，又显著节能的不可多得的新技术，具有开源和节能的双重效果。被称为二十一世纪的“绿色空调技术”。因此，利用浅层地热能（或与太阳能耦合）解决南方建筑制冷采暖空调、热水供应、温控农业，对替代常规商品能源，改善能源结构，保障能源安全，建设资源节约型、环境友好型社会以及实现可持续发展具有重要战略意义。2.地源热泵的特点及优势（1）、可再生能源利用形式利用储存于地表浅层的低温热源和太阳能，它不受地域、资源、季节、气候、日夜时段等限制，真正是量大面广、稳定可靠而且清洁无污染的一种可再生能源。符合可持续发展的战略要求。（2）、高效节能制热系数高达3～4.5，而锅炉仅为0.7～0.9，可比锅炉节省70%以上的能源和30%～50%运行费用；制冷时要比普通空调节能15%～20%。（3）、美观传统空调系统的换热器置于暴露的空气中，破坏建筑的外观；而地源热泵把换热器埋于地下，保持建筑物外观的完美。（4）、保护环境设备的运行不需锅炉，没有燃油、燃煤污染。土壤源地源热泵只从地下取热或散热，不取地下水，没有地下水位下降、地面沉降等问题，是真正的生态合理利用可再生能源的方式。（5）、多功能、系统控制和管理方便—套系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。（6）、寿命长、效益显著热泵寿命一般15年左右，而地源热泵的地下换热器由于采用高强度惰性材料，埋地寿命至少50年。3.地源热泵的应用条件3.1地源热泵系统简介地源热泵GSHP（ground-sourceheatpumps）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，按照逆循环工作。即热泵消耗较少量的高质能Ｗ通过循环从低温环境(温度为Ｔ0)中吸取大量的低温热ＱL，输出热量为ＱH=Ｗ+ＱL(用热温度为Ｔ2),从而回收利用了低温热ＱL（见图1）。由于全年地温波动小，冬暖夏凉，因此，冬季从地表浅层吸取低温热量，夏季向底下排放热量（吸取冷量），通过循环把热量从低温位提升到高温位，为用户提供冬季供暖、夏季制冷以及全年热水供应。系统只需消耗少量的高品位能源（如电能），就能获得高于输入能量数倍的热能效果，是一种高效、环保、节能的温控系统。地源热泵系统，由室内部分和室外部分组成，室内部分包括热泵机组和风道系统或风机盘管系统，与传统空调系统相似。室外部分是地热能热交换部分，有埋地管系统、地表水系统和地下水系统三种形式。埋地管将闭环循环水埋于地表浅层土壤中，循环水经水管壁面直接与土壤进行热量交换。夏季循环水将制冷机组吸收的热量向土壤散热，冬季从土壤吸热并将热量经热泵机组传递至室内。埋地管系统有垂直埋管、水平埋管和螺纹盘管三种（见图2）。3.2我国浅层地热能资源概况从土壤类型和土壤温度看，我国具有丰富的低温环境资源。1999年，瑞士学者Rybach指出，中国是世界上直接利用地热潜力最大的国家，名列世界第一，原因有2个：一是中国国土辽阔，近地表低温地热资源丰富；二是中国人口众多，采暖和制冷工业的基础相对薄弱，将来需求量无可比拟。地源热泵技术所利用的能源是常温土壤中的能量，并不需要特殊的地热田或地下热水。它只要有足够进行热交换的浅层土壤（-3.5℃以上的土壤或地下水）就可满足地热泵所要求的技术条件。中国城市中约有30％～50%的建筑物具备此条件。从气候区上看，从寒冷的黑龙江到炎热的海南岛都可使用，尤其南方气候条件是夏热冬暖，需要较多的供热和空调装置。3.3夏热冬暖地区的土壤特点土壤属于多孔介质，是由矿物质和有机质构成其固相骨架、水和空气充填其中孔隙的三相体。土壤传输地热的能力及存储热能的能力与土壤的含湿量、地下水的流动有很大的关系。因此土壤的传热是由土壤中固相导热、液相导热及液体对流传热组成。当土壤中富含水分和有地下水流动存在时，土壤总的传热热阻大大减小，使得土壤具有较高的热交换效率。夏热冬暖地区尤其是两广地区，雨水丰富，水源充足。丰富的水资源使得我国南方大部分地域属于富水土壤，土壤的含水率极高，且地下水位较高，为土壤热交换器闭式地源热泵系统应用提供了得天独厚的条件。4.国内外地源热泵技术应用状况分析4.1国外应用状况美国能源部（ＤＯＥ）和美国环境保护署（ＥＰＡ）均已确认，地源热泵系统是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统。1998年，美国暖通空调工程师学会的ASHRAE技术奖就颁发给一地源热泵系统。地源热泵供暖空调的优势使其成为近年来世界可再生能源利用及建筑节能领域中增长最快的产业之一。在过去的10年中，大约30个国家的地源热泵年增长率达到了10％。它的主要优点是用普通的地温或地下水温，这在世界各国都可利用。地源热泵发展最快的是欧洲和美国，其他国家如日本和土耳其也正在积极发展地源热泵产业。目前世界安装的地源热泵系统的总容量和产热量达9500MW和52000TJ/y（14400GWh/yr），实际安装地源热泵的数量为80万套，世界主要国家安装地源热泵的情况见表1。1985年美国全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到2001年，美国达到安装40万台地源热泵的目标，降低温室气体(如ＣＯ2等)排放100万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植404686公顷(100万英亩)树的效果，年节约能源费用可达4.2亿美元。而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中新建筑中占30%。据1999年的统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例为：瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。DouglasCane等对25个加拿大和美国的应用地源热泵的实例进行了跟踪调查，并按建筑类型统计了各个实例的年均费用，其中，最早投入运营的实例在1981年，最晚的为1995年，并且有20个实例是在1990年及之后投入运营。与传统空调系统相比，地源热泵系统在运行费用(主要包括能耗费用和维护费用)方面有较大优势。如在商业应用中，节能达到17%；住宅应用中的能耗则减少32.4%。4.2国内应用状况中国地源热泵的研究和应用虽刚刚起步，但其对地方缓解能源压力、推动经济的作用正日益受到认同，地源热泵作为生态环境保护、高效节能和自然资源再利用的21世纪可持续发展的新技术和建筑环境供热制冷系统的换代产品，体现出旺盛市场需求的势头。国外的技术已相当成熟，为此，我们一方面要积极借鉴国外的先进技术和成熟经验；另一方面切忌生搬硬套、盲目引进，应该因地制宜、把握优势合理的利用浅层地热能，避免出现新的生态环境失衡。我国从,/SPAN1995年开始学习和引进欧洲产品，直到1997年才出现有规模的地源热泵采暖工程项目，美国特别看好中国市场，美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中一项内容就是地源热泵发展战略。该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商业建筑，以推广运用这种“绿色技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。到1999年底，全国大约有100套供暖/制冷系统，而且全部为开式循环系统。2000年12月由日本政府无偿援助，日本地热工程株式会社负责，长春市地热开发有限公司和吉林大学参与，在长春完成了一个1000ｍ2建筑面积的地源热泵供暖/制冷示范项目，为国内第一个闭式循环系统。2001年，重庆大学、北京工业大学、山东建筑工程学院也纷纷建成了各自的封闭循环系统示范工程。近两年来，在我国北方，已成功建立了一批上规模的地源热泵应用示范工程。山东建工学院、北京工业大学等具有较雄厚的理论基础并建立了典型的示范工程，但这些示范工程以采暖为主；在南方，以广州能源所为代表，主要以是地下水式地源热泵应用技术为主，土壤源的地源热泵应用技术在南方还非常薄弱。目前，我国实施地源热泵工程主要有两大类：（1）地下水源方式我国目前实际应用的地源热泵工程大部分是利用地下水源方式。事实表明，打井抽水虽然实施地下水回灌，由于循环消耗，仍不可避免的要损失相当一部分水源，加上抽水时虽有过滤网，但一些细纱粒移位或随水一起抽上来，日长月久会破坏地层结构，有些地方在抽水井附近出现了莫名的坍塌。我国一些地方也出现开式地源热泵系统运行短短几个月，就造成回灌通路细纱堵塞甚至无法回灌造成废