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1、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
2、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 8.79X1011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
3、（有时10c以下数天后又突然转暖 为20C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
4、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
5、冬 季以后，南方绝大多数地方的气温都会降至16C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
6、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一一浅层地热源，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
7、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34.5，而锅炉仅为0.70.9，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
8、一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-source heat pumps）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）
9、。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
10、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）。热波体节流阀图1热泵原理图4.0）。供热水箱太阳能水箱供热水管路中间水箱电磁换向阀麴泵机组冷却塔ft图5太阳能-冷却塔耦合型地源热泵系统图7.国家的相关政策国家大力提倡和鼓励可再生、可持续发展能源一地热的发展利用，相继出台了一系列法规和 政策。中华人民共和国节约能源法第四条规定：“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”， 而地源热泵所使用的地热能正是属于可再生能源。建设部民用建筑节能管理规定第四条规定：“国家鼓励发展太阳能、地热等可再生能源 的应用技术和设备”。国家经贸委2000-2015年
11、新能源和可再生能源产业发展规划要点指出：“积极推广地热 采暖和地热发电技术”，“加快地源热泵技术的引进和开发，加速国产化。要大力开拓地热 采暖市场，到2005、2010、2015年地热采暖面积分别达到1500万、2250万、3000万平方 米。要积极推动地热的综合利用”。夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ1342001，J1162001 )第6.0.7条：具备有地面 水资源(如江河、湖水等)，有适合水资源热泵运行温度的废水等水源条件时，居住建筑采 暖、空调设备宜采用水源热泵。当采用地下井水为水源时，应确保有回灌措施，确保水源不 被污染，并应符合当地有关规定；具备可供地热源热泵机组埋管用的
12、土壤面积时，宜采用埋 管式地热源热泵。”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。建设部关于贯彻国务院关于加强节能工作的决定的实施意见（建科2006231号）指出 “到“十一五”期末，太阳能、浅层地能等可再生能源应用面积占新建建筑面积比例达25% 以上。”8. 夏热冬暖地区应用地源热泵技术的前景学校、宾馆、医院、写字楼、住宅小区等是需要集中供暖（水）、制冷的大户，是可再生能 源应用的市场主体。以全广西有660个大户，每个大户解决制热供冷5000平方米（共约330 万平方米），
13、每平方投资300元计，即每个大户投资150万元，便有近十亿元的市场容量。 2004年广西电能耗456亿千瓦小时，炎夏季节多数电网高峰负荷约有1/ 3用于空调制冷， 即空调能耗大于50.16亿千瓦小时；热水能耗方面，如按广西宾馆床位50%，每人每天100 公斤热水计算（根据有关资料，广西现有宾馆6.73万张），在校大学、中学生人数按60 万人计算（每人每天30公斤热水）。根据优化利用地热源和空气源，空调和采暖平均节省 能耗30%，地源热泵制热水比电锅炉节省70%以上，则空调、采暖和热水能耗年节省16.1 亿千瓦小时，每年可为广西节省17%以上的建筑能耗。如每年推广应用50万平方米，“十 一五”将
14、可实施250万平方米，将为广西每年节约大约36300吨标准煤。浅层地热能的应用开发，对高产、高附加值的大棚农业、畜牧业及生态旅游业的发展也有非 常可观的经济和社会效益前景。以广西80多个县，每个县有20个应用点，以每个点投资8 万元为计，市场容量近1.3亿元。广西和广东附近的南方省份如湖南、云南、海南、贵州、四川，有许多地方有着与两广相似 的气候和土壤条件，可以吸收消化并完善现有技术进行开发利用浅层地热能，粗略估计其市 场容量接近100亿元。广西是中国唯一与东盟既有陆地接壤又有海上通道的省区，目前已建成与东盟国家交通的 陆、海、空立体交通网络。东南亚国家地处亚热带地区，有着与广西（中国南方）相
15、似的土 壤特点，气候条件也相似。所以在东南亚可以有着众多的至少相当于广西的本项目产品的潜 在用户。目前，已有越南、新加坡等国家的多方客户与课题组洽谈应用合作意向。所以，广 西可再生能源（浅层地热能+太阳能）的技术和产业，面向东南亚市场，有着天时地利的优 势。地源热泵空调可形成独立的产业，先供给城镇居民制冷采暖、生活热水,根据可能再相继发展 烘干、温室、养殖等地源热泵综合利用产业,可成为乡镇地区的带头产业。地下换热器的设 计寿命为50年，其余设备寿命在15年以上，而投资节能所产生的效益较大，一般2-4年可 收回投资，属低风险、高效益的节能环保投资。可见，根据夏热冬暖地区水土资源的有利条件和现有独
16、特的技术优势，如抓住有利时机，加 快地源热泵产业化步伐，实现地源热泵设备、太阳能-地源热泵复合系统设备、自动控制系 统、技术实施智能化软件的商品化、系列化，建立一套适应南方气候和土层结构的地源热泵 设备、施工及应用的标准体系及规程，相信在国内乃至国际市场都将具有较强的竞争优势。参考资料1 Drown D C , Den Braven K R.Effect of soil conditionsand thermal conductivity on heat transfer in ground sourceheat pumps A. Proceedings of the ASME JSES KS
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