地源热泵热水系统在广州地区的应用分析

发现一篇很有研究价值的文章,推荐给网友们;

地源热泵热水系统在广州地区的应用分析*

陈文明1，王成勇1，王雁生1，胡映宁2，林俊2

（1.广东工业大学机电工程学院，广州 510090；2.广西大学机械工程学院，南宁，530004）

Introduction of ground-source heat pump systems（gshps） applied in hot-water supply in Guangzhou

[摘要]本文针对广州地区生活热水供应的现状与面临的问题，通过将地源热泵热水系统与几种常用的热水系统进行对比，分析地源热泵系统在技术性、经济性等方面的优势；从政策、技术基础、地质气候等方面，论证了广州地区采用地源热泵热水系统的可行性。介绍了本实验室自主开发的耦合性地源热泵实验系统及适应于广州地区的地源热泵热水工程。通过对比分析、应用实例介绍，表明在广州地区采用地源热泵热水系统是可行的，该技术将在建筑节能中发挥重要的作用，政府部门应该积极推广该项技术的发展。

[关键词]地源热泵热水系统广州地区应用实例

0 前言

　　地源热泵技术GSHPS（Ground-Source Heat Pump Systems）是一种利用热泵技术，消耗较少的高位能，把不能直接利用的低位热能（浅层土壤等）转换为可直接利用的高位热能，实现建筑空调、生活热水的新型节能技术。该技术属可再生能源利用形式，具有系统能效比高、环保等特点。自上世纪90年代以来，得到了国内学者的广泛关注，经过十多年的研究，取得了一定的研究成果，同时在北京、天津、山东等地相继建立了多处应用工程[1-3] ，促进了该项技术在国内的发展。但是，地源热泵技术具有很强的地域特点，不同地质、气候、工程条件下，地源热泵的设计、换热优化、技术实施差别很大。目前，针对以广州为代表的珠江三角洲地区的地源热泵研究开展得还很少。

本文介绍了广州地区生活热水供应的现状与面临的问题，全面论阐述结合广州的地质和气候条件运用地源热泵热水系统的优势与可行性。以广东工业大学-广西大学地源热泵联合试验室在广州不同地区的应用工程运行参数为基础，验证地源热泵热水技术在广州地区运用的可行性。

1 广州地区生活热水供应的现状与面临的问题

1.1 广州地区生活热水供应的现状

广州位于我国的南部的珠江三角洲地区，按照全国热工气候类型分布，属于夏热冬暖地区。该地区为典型的亚热带湿润季风气候，需要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广州人解决了生活热水问题，既有其便利之处，又有各方面不足和局限[4] 。

*广州市科技计划项目 (056Z211001): “地源热泵—太阳能—冷却塔”耦合型节能环保冷热联供系统;

目前，广州家庭用生活热水系统主要采用电热水器和燃气热水器两大类产品，主要靠消耗电能和城市煤气来制备热水。近些年来，太阳能热水器在乡村、城乡结合部、别墅等地区也得到大量的应用，但是由于可靠性和节能效果等原因，市场占有率还比较低。

在学校、工厂、医院、酒店等公共建筑的集中式生活热水系统中，随着《中华人民共和国节约能源法》、建设部《民用建筑节能管理规定》等相关法规和政策的出台，太阳能+辅助加热、空气源热泵等多种新型节能技术得到了政府及相关部门的大力推广，现在进入快速发展阶段。据调查，目前广州的中央式太阳能热水系统的市场占有率飙升至60%－70％，广州市高校学生公寓生活热水供应中太阳能+辅助加热形式的热水系统的使用率已达90% 。

1.2 广州地区热水供应面临的问题

1.2.1能源需求总量大

广州虽然处于典型的夏热冬暖地区，全年的平均温度较高，但是由于历史、习惯等原因，大多数广州人仍需要全年用热水冲凉。广州有1100万人口，约350万个家庭，若每日供应55℃热水100升（温升35℃计算），按照全部用电热水器来估算，全年就约需54.7亿度电，也就是说每年需要190万吨优质煤。对于广东这个煤、石油、电力严重缺乏的省份，研究与推广高效、节能、环保的热水系统就显得尤为重要。

1.2.2 传统热水系统面临淘汰

目前，在广州市学校、工厂、酒店等集中式热水系统中，传统的燃煤、燃油锅炉依然占据一定的比例。燃煤锅炉成本低，但污染严重；燃油锅炉污染比燃煤稍好，但是柴油价格的不断上涨，运行成本偏高，安全性也令人担忧。基于以上原因，2005年起执行的《广州市大气污染防治规定》第二十八条明文规定：“禁止服务业的锅炉、热水炉使用煤和含硫量在百分之一点五以上的重油，应当逐步改用燃气、电、太阳能或者其他清洁能源。”

1.2.3 新型热水系统节能效果差强人意

太阳能热水系统与空气源热泵热水系统，作为新型的热水系统，具有一定的优势，但两者的节能效果并不能令人满意。就太阳冷热水系统而言，其在广州地区的市场占有率低于全国平均水平，主要有以下两个原因：首先，太阳能热水系统对天气、日照要求很高，全年用水需求与日照变化的矛盾很难解决。往往是夏天热水用不完，冬季热水不够用，特别是每年的1～3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。其次，太阳能系统对建筑楼顶的面积要求高。广州新建建筑以高层建筑为主，人均的楼顶面积很小。若按每人50升/天设计，很难实现广东省规范要求的太阳能集热板人均0.85 m2的设计要求[6] ，所以很多高楼大厦只能望“阳”兴叹。而相对于太阳能热水系统，空气源热泵热水系统，它具有系统简单，初投资较低等优点，但主要缺点是：空气温度较低的情况下空气源热泵的能效比cop值显著降低，系统用电量急剧增加，节能效果下降；另外，空气源热泵风机所引发的噪声污染问题也是一个不可忽视的大难题。

yanlufeng

2008年03月08日 14:10:18

2楼

2 地源热泵热水系统的优势及在广州地区运用的可行性分析

2.1 地源热泵热水系统及其优势

2.1.1地源热泵热水技术

地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统[5]。该技术以自然水体(湖泊、地下水、地表水)、岩土体(土、岩石)作为冷源或热源，通过传能介质(水或添加防冻液的水溶液)，冬季向热泵提供热量，夏季向热泵提供冷量，从而实现既可制冷又可供暖，并可长期向建筑提供生活热水。根据地热能交换系统形式的不同，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和地表水地源热泵系统。由于广州市已明令禁止私自开采地下水，所广东工业大学-广西大学地源热泵联合试验室主要研究方向，是以浅层地热作为低温热源的地源热泵系统。

2.1.2地源热泵热水系统的优势

地源热泵热水系统属于地源热泵技术应用生活供热中的一种形式，是无污染的可再生能源利用形式，它具有可再生能源利用形式、高效节能、运行安全可靠、结构简单、对环境无污染以及使用范围广泛等优点。与传统的锅炉、电加热等传统的热水技术相比，制热系数高达3～4.5，而锅炉仅为0.7～0.9。（与其他热水系统的技术特点对比见表1）由此，世界能源理事会（WEC）、国际能源署（IEA）、国际制冷学会（IIR）、美国布鲁克海文国家实验室（BNL）等国际著名组织及所从事热泵的研究者普遍认为：在目前和将来土壤复合热泵是最有前途的节能装置和系统之一[7]。

表1 地源热泵热水系统与其他热水系统技术特点比较

项目
地源热泵热水系统
燃煤/燃油锅炉
太阳能+辅助加热系统
空气源热泵

环境保护
无燃烧污染，水不和制冷剂接触，水没有污染
燃烧燃料、污染大气，已被多数地区禁止
太阳能无污染，但辅助的燃油/燃气污染大气，直接式系统，水有污染
有风机，噪声污染比较大

运行成本
本身不耗能，只是热泵机组耗电
需要煤、煤气、柴油等，费用高，维修成本高
太阳能几乎不耗电，但全年有约1/3需要辅助加热，费用较高，维修成本较高
只机组、风机工作，耗电量比地源稍高

使用寿命
热泵机组15年，地下换热器50年
10年左右
集热板容易堵塞，一般10后，效率大大降低
15年左右

占地面积
机组占地面积小，地下换热器经绿化后恢复后无影响
占地较小
占地面积大，一般要覆盖建筑楼顶所有面积
风机进行换热，所以占地面积比较大

系统稳定性
地下全年温度稳定，系统稳定
稳定
受日照境况影响，不稳定
受环境温度影响，冬、夏差别大

生活热水+空调系统
可实现制备热水同时可辅助制冷
不可以
不可以
不可以

2.2 广州地区采用地源热泵热水系统可行性分析

2.2.1 国家政策法规支持

保护环境，节约能源是国家关注的焦点问题，研究与推广可再生能源利用是解决问题的关键。地源热泵热水技术作为可再生能源的利用形式得到了相关部门的高度重视。近年来，国家、建设部、广东省相继出台《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国可再生能源法》、《广东省节约能源条例》、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》等法律法规及行业标准，其中，都明确指出；“鼓励发展地热可再生能源形式的节能技术与产品”。2006年5月14日，财政部和建设部在北京召开可再生能源在建筑中推广使用工作会议，会议决定“为做好可再生能源在建筑中应用的推广工作，财政部与建设部将选择部分具备条件的城市住宅小区或大型公共建筑进行太阳能、浅层地能应用示范。”2006年1月1日，国家标准《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366－2005)正式颁布实施，对规范地源热泵系统的推广应用将起到重要作用。这些政策、法规都为地源热泵热水系统在广州的地区的推广提供强有力的政策支持。

2.2.2 联合实验室成熟的技术基础

“广东工业大学—广西大学共建地源热泵实验室”（以下称为“联合实验室”）成立于2004年，由两校校长在广州签署合作协议（被列为“九加二”泛珠江三角洲的区域合作框架中）。联合实验室主要从事适合于华南地区的不同土质换热性的研究、地下温度场的研究、耦合型地源热泵系统的研究。已获得地源热泵相关设备发明专利1项，实用新型专利2项，自主开发地源热泵系统设计软件一套。承担的“地源热泵冷热联供节能环保系统” 通过广西自治区科技厅组织的鉴定。利用自有的研究成果，联合实验室已在两广地区实施了二十多项地源热泵工程，运行稳定，为在广州地区研究与推广地源热泵热水技术提供了技术基础。

2.2.3广州地区的地质、气候为地源热泵系统的应用提供有利条件

广州地区位于北回线以南，年日照时间超过2000小时，浅层土壤吸收太阳能较好，全年浅层土壤温度稳定在18～24℃。非常适合采用地源热泵热水系统。

据研究结果显示，土壤的热物性直接影响着地埋管换热器的换热性能，从而直接影响着整个系统的能效比cop值。[8][9]广州地区的土壤属于多孔介质，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。广州地处亚热带，雨水丰富，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。

yanlufeng

2008年03月08日 14:11:20

3楼

3 广州地区的应用实例

3.1耦合型地源热泵实验室试验系统

为了研究耦合型地源热泵冷热联供空调节能系统，联合实验室现根据广州地区的地质和气候条件，自行设计了一套“地源热泵—太阳能—冷却塔”耦合型热泵热水系统（原理图见图1），该系统由地埋管换热系统、地源/空气源热泵机组、太阳能集热板、冷却塔、循环水泵以及水箱，通过管道联结而成。该系统结构简单、操作方便，只须开启或关闭相应的管道开关，就可以实现地源、太阳能、冷却塔多种不同热源耦合型地源热泵热水系统。通过测量地下温度场变化、机组运行参数、系统各管路水温等参数，对多热源耦合型地源热泵热水系统的研究，开展对广州地区富水条件下的埋地换热器换热情况及优化、“太阳能+地源热泵+冷却塔耦合型地源热泵热水”运行特性的研究。最终取得耦合型系统的最优运行参数、埋地换热器的优化设计、多热源之间的最佳匹配等一系列相关成果。

图1 地源热泵—太阳能—冷却塔耦合型热泵热水系统

1冷凝器；2压缩机；3膨胀阀；4蒸发器；5、15循环泵；6、16Y型过滤器；7、8、9、10、13、14、17、19、21管道开关；11地下换热器；12冷却塔；18水箱；20太阳能集热板；22电磁阀

3.2广州市第71中学地源热泵热水系统

广州市第71中学位于广州市白云区人和镇，学生公寓共6层120个房间1200名学生。设计参数：每位学生20升/天，总量24吨/天，水温50～55℃，采用定时集中供水方式，中学处于广州市的流溪河河床地区，地下0～20米均为中粗砂，含水率高，地下渗流丰富，属富水土壤。工程于2007年6月完工，7月正式投入使用。

图2 系统能效比cop变化
图3 单位井深换热量变化
图4 地埋管进出口水温度变化

2007年7月对运行参数进行实测，环境温度27～34℃,出水温度50℃，系统连续运行24h，所测数据如图2～4所示。图2为该系统连续运行前11h系统能效比cop值的变化，前11h系统cop平均值为3.51，前2h系统cop稳定下降；当机组运行稳定后，cop稳定在3～4之间波动。地埋管为双U型管，图3中可看到，在流量为210 l/h时，前2h换热量在45 W/m～63 W/m之间波动；在2h后单位井深换热量为稳定在50 W/m附近。图4为地埋管进出口水温变化，机组运行1h后地埋管进出口水温稳定在18℃、21℃。可见，该系统在连续运行的情况下，运行性能稳定，系统能效比cop值较高，埋地换热器换热良好，达到了设计要求。

3.3 广东工业大学龙洞校区学生公寓 “地源热泵+太阳能+冷却塔耦合型”热水系统

该应用工程位于广东工业大学龙洞校区A5 学生公寓，公寓共9层96个房间384个学生，每天需要热水18吨。原热水系统为“太阳能+燃油锅炉”，采用平板式太阳能集热器，面积160 m 2 ，辅助加热为一台燃油锅炉。该地区的地下浅层土壤主要以黄泥和细质砂石为主，地下5~6 m为地下水，土壤含水量较为丰富。

2006年，本试验室将其改造为太阳能-冷却塔耦合型地源热泵系统，（原理图见图5），采用土壤换热器与太阳能（或冷却塔）耦合方式，系统主要由热泵机组、太阳能集热器、冷却塔、保温水箱等组成，通过自动控制系统，可根据情况选择多热源或单热源，有效地实现了太阳能和浅层地热能两种可再生能源的互补利用[10]。在夏、秋季，太阳日照充足情况下，系统以太阳能为主，当检测到太阳能水箱水温不足的情况下，再由地源热泵系统循环加热；在冬、早春季节，白天利用太阳能系统进行加热，晚上热水注入中间水箱，由地源热泵机组进行加热，在第2天供给学生使用。从而实现太阳能的最大利用率，节能效果最优的目标。该系统经过1年多的连续运行，充分利用了南方太阳日照充沛和富水土壤的优势，能保证全年不同气候条件下稳定的高换热效率。

2007年3月26日至4月7日，我们对太阳能+地源热泵耦合型系统运行情况经行了实测。3月到4月间处于广州地区的梅雨季节，天气情况以阴雨、潮湿天气为主。从图6中可以看道，3月26日至4月7日平均最低气温为18.3℃；平均最高温度为22.9℃。而且在13天中，有10天以阴雨天气为主，日照情况较差，耦合性系统运行中主要以地源热泵热水系统为主。

根据该系统日产热水量、进出水温、耗电量等参数，我们得到该耦合型地源热泵系统和单一地源热泵系统运行的制热能效比cop（见图7），图7中可以看到，耦合型地源热泵系统的cop平均为4.53，而单一地源热泵系统情况下为3.60；在前7天，天气温度较高，日照较好的情况下，太阳能系统效果较好，所以耦合性系统与单一地源热泵系统之间的Δcop较大（Δcop在1左右）；在后7天，气温降低，持续阴雨天气，日照很少的情况下，以地源热泵系统工作为主，所以耦合型与单一地源热泵系统COP非常接近，且波动较小。

数据表明：太阳能+地源热泵耦合型系统受天气的影响较大，耦合型系统cop值始终高于单一地源热泵系统，位于在4~6之间，能效比很高，节能效果明显；单一地源热泵系统cop值稳定，始终在3~4.5之间波动，受天气温度、日照的影响很小，运行可靠。采用多热源的耦合型地源热泵系统可以提高系统能效比，降低运行成本。

图5 太阳能-冷却塔耦合型地源热泵

系统图
图6 实验期间日最高、最低温度
图7耦合型地源热泵系统cop变化

4 结论

本文对广州地区生活热水供应现状、地源热泵与几种常用热水系统的对比分析，结合广东工业大学-广西大学地源热泵联合实验室在适应于广州地区的地源热泵热水技术的研究与推广的情况，表明：

1.地源热泵热水技术作为可再生能源的利用形式，在合适的地质、土壤条件下，广州地区应用是可行的。在运行成本、系统能效比方面，地源热泵热水技术与其它几种热水系统相比，具有明显的优势。

2.政府如果能在政策上，把广泛利用地源热泵热水技术列为各级政府的发展规划、节能计划当中，提供政策、法规支持，将有助于该技术的应用与推广。

3.根据国家财政部、建设部联合下发的《建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》和《财政部、建设部关于可再生能源建筑应用示范项目资金管理办法》文件要求，对于采用地源热泵热水技术的节能工程，当达到相应的建筑面积时，应制定相关政策，予以资金上的支持，保证地源热泵示范项目的顺利实施。

4.利用珠江三角洲地区在技术、资金方面的优势，尽快建立地源热泵产业中心，从而促带动钻井、热泵设备生产、安装等相关产业发展。同时，科技、建设等主管部门应组织暖通、机械、地质等领域的专家，制定广东省的地源热泵系统技术实施规范，规范广东地区地源热泵产业的发展。

yanlufeng

2008年03月08日 14:19:08

4楼

参考文献
[1] 魏加项，唐志伟，马重芳等．地源热泵地下换热系统的试验研究[J]．工程热物理学报，2007,28(1):146-148．
[2] 宋著坤，赵军，李新国，黄涛.地源热泵冬夏两季运行性能分析与实验研究[J]．流体机械，2006，34(2):55-59．
[3] 刁乃仁，方肇洪，过增元．地源热泵空调系统的研究开发与应用[J]．节能与环保，2002(1)：23-26．
[4] 胡映宁,王成勇,林俊.夏热冬暖地区应用浅层低热能供热制冷必要性与优势[J].暖通前沿,2006(10):36-45.
[5] 地源热泵系统工程技术规范．中华人民共和国国家标准．GB50366-2005 ．
[6] 公共和居住建筑太阳能热水系统一体化设计施工及验收规程[S]．广东省地方标准．DBJ15-52-2007．
[7] 马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社．2006．
[8] 李新国,汪洪军,赵军等.不同回填材料对U型垂直埋管换热性能的影响[J].太阳能学报，2003.24（6）：810-813 .
[9] Bemier Michel A,et al. Uncertainty in the design length calculation for vertical ground heat exchangers[J].ASHRAE Transactions,2002,108(1):934-944.
[10] 林俊，胡映宁，王成勇，李助军.混和型地源热泵系统运行特性实验研究[J].太阳能学报（待发表）.
作者简介：陈文明（1982-）男，汉族，硕士研究生，从事地源热泵方面的应用研究
链接图：图.rar

版权所有：《地源热泵》杂志，转载请注明出处 2007年11月刊