地源热泵采暖、制冷原理及分析.doc

地源热泵采暖、制冷
原理及分析对比

北京中科华誉能源技术发展有限责任公司
技术部编制
2011 年07月19日
华 誉 地 温 热 泵 冷 暖 中 央 空 调

目录
一、地源热泵的发展历程 3
二、地源热泵的原理 4
2.1、低品味能量简介 4
2.2、水、地源热泵系统介绍 6
2.3、水/地源热泵应用原理图 7
三、国家和地方的相关政策 8
四、地源热泵采暖制冷和常规的方式的采暖与制冷的比较 11
4.1、在初期投资方面的对比 11
4.2、运行费用的分析对比 13
五、结论 13
六、中科华誉 14
七、工程业绩 16

一、地源热泵的发展历程
地源热泵的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，但真正意义的商业应用也就十几年的历史，但发展相当迅速。如美国，截止1985年全国共有14,000套地源热泵，而1997年就安装了45,000套，到目前为止已安装了400,000套，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％。
中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，采用地下埋管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射采暖或提供生活热水。据1999年的统计，家用供热装置中，地源热泵所占比例较高，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。
在我国，地源热泵的应用起步较晚，但发展潜力十分巨大。一方面，随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，北方地区新建小区一般不能使用燃煤锅炉房供热，以何种方式解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题。另一方面，近年来我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60％，北京也达到34％，城镇居民住宅平均拥有率已达20％，并且目前家庭拥有率仍在飞速增长。借鉴发达国家的经验，采用地源热泵方式可能成为满足这种要求的最佳方式。
近年来，在国家科技部、国家环保总局、国家质监局等五部委的大力支持推荐下，地源热泵技术受到了广泛的关注和重视，地源热泵中央空调已经在一些国家机关、部分企业和建筑物上开始广泛推广使用，显示出了广阔巨大的应用前景。目前，中国的地源热泵市场日趋活跃，逐渐成为了21世纪最有效、最具影响、最有竞争力的空调技术。
较少的初期投资我国的城市建设步伐正在加快，每年城镇新建住宅2.4亿平方米。如果这些建筑都配备地源热泵，这对我们这个需要采暖地区占了70%国土面积的国家而言，节省的费用是巨大的。在美国，一般的一个家庭的安装费在3000至5000美元，但是地源热泵仍具备了较强的市场竞争力；而我国劳动力较发达国家低很多，因此最为地源热泵最主要的成本---基建成本更是较低，由此可见，我国与国外发达国家相比，地源热泵的初期投资是较低的。
地源热泵必行的趋势2007年，中国政府已全面开展了节能减排的工作，本年下达的资金已10368万元，占首批可再生能源建筑应用示范项目补贴的50%，其中地源热能占了相当的比例。07年10月28日，《中华人民共和国节约能源法》经全国人大常委会表决通过，明确对列入推广目录的需要支持的节能技术和产品实施税收优惠和财政补贴。地源热泵，作为节能、环保的技术产品，在中国的推行已开始进入轨道，其产生的经济效益和社会效益也将更加充分的展现在我们面前。
二、地源热泵的原理
2.1、低品味能量简介
浅层地下是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳的能量（约为人类每年能耗的500多倍）和地核芯热综合作用下形成了相对的恒温层,它存储了取之不尽用之不竭的低温可再生能源。

低品位能量示意图

低品味能量的特点：
①可再生能源
浅层地热主要来自太阳的辐射和地心热，取之不尽，用之不竭，太阳和地心的热核反应已进行了数亿年，所产生的功率约数万亿千瓦，可源源不断的供给浅层土壤。
②储量巨大
浅层土壤象一个巨大的太阳能集热器，太阳辐射到地球表面后，约有一半的能量被浅层土壤所吸收，比人类每年使用的能量高出500多倍。
③分布广泛
地球上多数地域，不论地理位置和高度，其浅层土壤中都蕴藏着低温地能。
④温度恒定
在太阳能和地心热的综合作用下，在地下一定深度的土壤层中形成了一个相对恒温层，大气温度变化对它影响较小，北京地区恒温层土壤温度春夏秋冬四季约保持在13-20℃。
⑤开发利用成本低
由于利用浅层低温地能，钻探井深度浅，初投资少，用循环井水做为中间介质与浅层地下恒温岩土热交换。
结论：
以循环水为介质开发利用地下浅层“低温地能”，是太阳能和地核热能最经济、最有效的利用方式。
2.2、水、地源热泵系统介绍
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。如同采用水泵可以把水从低处提升到高处那样，人们也可以把热量从低温（低品味能）抽吸到高温（高品味能），这种机器就是热泵。
水源/地源热泵是目前最为节能的中央空调系统应用，其利用大地水体或者浅层岩土中的低品味能作为冷热源的稳定载体，采用最新热泵技术，可以实现夏季制冷、冬季制热以及提供全年提供生活热水。一般设计良好的专用热泵机组，其COP可以达到4-7。水源/地源热泵应用是国家重点支持推广的可再生绿色能源利用技术，其大规模应用可以帮助国家实现节能减排，科学发展的目标。热泵机组技术原理图如下：

热泵机组技术原理图
水源/地源热泵机组是水源/地源热泵系统的关键核心设备。机组由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀四大基本部件组成。机组利用卡诺循环原理，可以吸收低温端的热量并在高温端释放。
水源/地源热泵机组可广泛适用于宾馆酒店、办公大楼、商场超市、住宅小区、医院、学校、工厂、比赛场馆、展览中心等多种需要解决供冷供热的建筑体。
2.3、水/地源热泵应用原理图
水/地源热泵机组由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、各种制冷/热管道配件和电器控制系统等组成 ，它和室内末端用户侧水管系统、循环水泵、水过滤器、静电水处理仪、各种末端空气处理设备、膨胀定压设备及相关阀门配件等配以水源取水装置、取水泵、水处理设备、输水管网和阀门配件等组成一个为完整的空调系统。
在冬季供暖时水/地源热泵以地下水或岩土为吸热源，工质在蒸发器中蒸发吸取地下水或岩土的热量，经压缩机压缩成高温高压的过热蒸汽，然后进入冷凝器加热系统循环水，制取45℃的热水送入空调房间达到制热的目的。在夏季制冷时水/地源热泵以地下水或岩土为排热源，工质在蒸发器中蒸发吸取空调房间的热量，再经压缩机压缩成高温高压的过热蒸汽，然后进入冷凝器，把热量释放到地下水或岩土中。如下图：

水源热泵工作原理图

土壤源热泵工作原理图

三、国家和地方的相关政策
国家经贸委《2000-2015年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”，“加快地热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》(JGJ134—2001)第6.0.7条：具备有地面水资源（如江河、湖水等），有适合水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土壤面积时，宜采用埋管式地热源热泵。”
《夏热冬暖居住建筑节能设计标准》(JGJ75-2003)：水源热泵（地表水、地下水、封闭水环路式水源热泵）应用水作为机组的冷（热）源，可以应用河、湖及海水，地下水，废水等。至于地热源（大地耦合式）热泵，从原理上看，其实也是水源热泵的一种，只是将水通过埋设在土壤中的、一种传热效果较好的塑料管来吸取土壤热量（制热时）及排出热量（制冷时）到土壤中。与空气源热泵相比，它的优点是出力稳定，效率高，当然也没有除霜问题。当有地下水、河湖水及其他水资源或土壤热源可利用时，可大大降低运行费用。但水源热泵必需有一个水系统，如果采取打井取用地下水，必须确保有（真正的）回灌措施以及确保水源不被污染，并必须符合当地环保部门有关规定。否则，会引起水资源保护及环境问题。如果在该建筑附近有一定面积的土壤可以埋设专门的塑料管道（水平开槽埋设或垂直钻孔埋设），可以采用地热源热泵机组，它利用土壤作热源和热汇，通过在管道里流动的水进行热交换，有较高的能效比，并有利于环保。 
《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的工作。
《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》（财建【2006】460号）第四条——专项资金支持的重点领域：
（一）与建筑一体化的太阳能供应生活热水、供热制冷、光电转换、照明；
（二）利用土壤源热泵和浅层地下水源热泵技术供热制冷；
（三）地表水丰富地区利用淡水源热泵技术供热制冷；
（四）沿海地区利用海水源热泵技术供热制冷；
（五）利用污水源热泵技术供热制冷；
（六）其他经批准的支持领域。
《建设部2003年科技成果推广转化指南项目目录》建筑节能技术第一条——2003014节能型土壤热交换器地源热泵冷（热）水供给技术。
《组织实施可再生能源和新能源高技术产业化专项的通知》（发改办高技[2005]509号）中专项的主要内容第（三）项列出：“太阳能供热和地源热泵供热（制冷）。开展新型太阳能热水器和地源热泵系统产业化。包括高可靠性新型真空管集热器、大面积中高温太阳能热水系统、全天候太阳能热水系统、高效地源热泵及其配套系统”。
《建设部建筑节能“十五”计划纲要》中列出的18项拟重点开展的科技项目其中的第13项指出：“地源热泵及水源热泵技术系统开发与工程应用”。
2005年11月30日，中华人民共和国国家标准GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》发布。
《采暖通风与空气调节设计规范》79页：夏热冬冷地区、干旱缺水地区的中、小型建筑可采用空气源热泵或地下埋管式地源热泵冷（热）水机组供冷、供热；
有天然水等资源可供利用时，可采用水源热泵冷（热）水机组供冷、供热；
全年进行空气调节，且各房间或区域负荷特性相差较大，需要长时间向建筑物同时供热和供冷时，经技术经济比较后，可采用水环热泵空气调节系统供冷、供热；
《公共建筑节能设计标准》5.4.1条：具有天然水资源或地热源可供利用时，宜采用水（地）源热泵供冷、供热技术。5.3.11条：对有较大内区且常年有稳定的大量余热的办公、商业等建筑，宜采用水环热泵空气调节系统。
《公共建筑节能设计标准》条文说明5.4.1第5款水源热泵是一种以低位热能作能源的中小型热泵机组，具有可利用地下水、地表水或工业废水作为热源供暖和供冷，采暖运行时的性能系数COP一般大于4，优于空气源热泵，并能确保采暖质量。水源热泵需要稳定的水量，合适的水温和水质，在取水这一关键问题上还存在一些技术难点，目前也没有合适的规范、标准可参照，在设计上应特别注意。采用地下水时，必须确保有回灌措施和确保水源不被污染，并应符合当地的有关保护水资源的规定。
各城市关于地源热泵空调技术的相关政策：
北京市2007年7月1日开始实施的《关于发展热泵系统的指导意见》（京发改（2006）839号）：根据市规划委核定的建筑面积从本市固定资产投资中安排一次性补助，补助标准为：地下（表）水源热泵35元/平方米，地源热泵和再生水源热泵50元/平方米。
宁波市《宁波市节能与清洁生产专项资金使用管理暂行办法》：符合节能推广目录，单体投资额在100万元以上，达到20%以上节能效果的企业节能项目，按项目实际投资额给予8%的补助；单体企业的当年最大补助额原则控制在80万元以内。
四、地源热泵采暖制冷和常规的方式的采暖与制冷的比较
为了便于分析比较，在此我们暂时按照10000㎡的公共建筑作为研究对象，主要研究的内容为地源热泵与水冷冷水机组结合燃气采暖在初期投资和运行费用上的分析对比。
暂时按照冷负荷为1200kW，热负荷为800kW。
4.1、在初期投资方面的对比
采用地源热泵的初期投资见下表：
序号
设备名称
规格
数量
单位
单价（万元）
合价(万元）
一
热泵机房
1
热泵机组

2
台
45
90
2
其他主要设备

1
项
15
15
3
机房电气

1
项
5
5
4
机房安装主材及辅材费

1
项
20
20
5
机房小计

130.0
二
能量提取部分
1
地埋管

1
项
140
140
2
小计

140
三
室内末端
1
室内末端

1
项
150
150
2
小计

150
四
其他
1
管理费

1
项
21.0
21.0
1
税金

1
项
14.3
14.3
2
小计

35.3
五
工程总价
455.3
备注：以上价格为估算价格，待条件明确后方可出详细预算。
采用常规的水冷冷水机组+燃气采暖的方式的初期投资
序号
设备名称
规格
数量
单位
单价（万元）
合价(万元）
一
冷冻热力站
1
水冷冷水机组

2
台
38
76
2
燃气锅炉

2
台
12
24
3
其他主要设备

1
项
25
25
4
机房电气

1
项
5
5
5
机房安装主材及辅材费

1
项
28
28
6
机房小计

158.0
二
冷却水部分
1
冷却塔

1
项
18
18
2
冷却水部分安装

1
项
8
8
3
小计

26
三
室内末端
1
室内末端

1
项
150
150
2
小计

150
四
其他
1
管理费

1
项
16.7
16.7
1
税金

1
项
11.4
11.4
2
小计

28.1
五
工程总价
362.1
备注：以上价格为估算价格，待条件明确后方可出详细预算
4.2、运行费用的分析对比
由于体育馆的机组的开启时间不是那么固定，开启运行的时间也具有不确定性，只有体育馆在有活动的时候或是在部分场馆运行的时候才开启，所以为了便于分析比较我们分析对比一个小时的运行费用。
计算条件如下：
1、 电费按照0.8元/kWH计算
2、 燃气的热值按照8000大卡/m³计算
3、 燃气的价格按照2.5元/m³计算
地源热泵的运行费用：
A、 夏季运行费用
1200/5.8×1.25×0.8=206元/h
B、 冬季的运行费用
800/4.8×1.25×0.8=166元/h
以上计算的是最大负荷运行情况下每小时的运行费用，实际上的运行费用是根据建筑的使用情况及负荷情况确定。
传统水冷冷水机组+燃气采暖的运行费用：
A、 夏季运行费用
1200/5.2×1.25×0.8=288元/h
B、 冬季的运行费用
冬季采暖所消耗的燃气所需要的费用为：
800/11.63/0.8×2.5=214元/h
冬季为了维持采暖的需要循环水泵的运行费用为：
42×0.8=33.6元/h
则冬季每小时的最大的运运行费用为：247.6元/h
五、结论
通过以上的分析计算我们可以知道，地源热泵的初期投资要比常规的水冷冷水机组+燃气采暖的初期投资要高出25%左右。但是夏季采用地源热泵的运行费用要比传统的运行费用要低40%左右，冬季要低50%左右。所以从以上的研究分析可以看出其节能意义是非常明显，特别是在能源日益紧张的今年，这样的既能系统尤其值得大力推广。
六、中科华誉
从公司创始人——清华大学徐秉业教授研制出我国第一台水源热泵开始，到华誉企业飞跃发展的今天，华誉人始终在热泵领域勤奋耕耘，不断探索，并把提高热泵机组效率及适应性作为技术攻关的重点。经过多年的理论研究及实践，产品性能已从单一应用领域向多元应用领域拓展，相继研制开发出适应多种工况条件及运营环境的、具备高稳定性高效率性高适应性的各类专用热泵产品，如地下水源专用热泵、土壤源专用热泵、海水源专用热泵、污水源专用热泵及工业源专用热泵，广泛应用在建筑节能、厂矿、工业节能及农业生产等领域。其无论在适应国情方面，或是在节能效率方面都走在同行业的前列，有些指标达到甚至超过国际先进水平，具备同类产品无法比拟的优势。
目前华誉热泵应用已覆盖北京、辽宁、吉林、山东、河南、新疆等十八个省市，项目涵盖机关、学校、住宅、石油化工、厂矿、电厂等类型，得到了政府和众多媒体的高度关注，如多次获建设部及国家发改委授予的奖项，中央电视台新闻联播的三次报道、凤凰卫视的重点报道、地源热泵杂志等多家媒体专访。随着企业品牌知名度的提升，华誉企业得到了众多创投机构的青睐，一批知名创投机构如光大、中科招商等纷纷入主华誉，使华誉不仅保持技术领先优势，总体综合实力也得到了提升，成为国内第一家集研发、生产、安装、热力运营为一体的综合性地源热泵专业公司。
华誉资质及殊荣
国家级高新技术企业资质
国家级首批合同能源管理资质企业
中关村高新技术企业资质
海淀区创新企业资质
北京市自主创新产品企业资质
安全生产企业资质
机电设备安装企业资质
工业产品生产许可企业资质
地源热泵供热资质
地源热泵供热收费资质
中关村企业信用促进会会员单位
高新技术企业协会会员单位
国际节能与环保协会理事单位
中国制冷协会会员单位

2007中国建筑节能年度代表工程奖项
2008建筑节能减排（暖通空调）典范企业
2009国际节能环保科技示范项目奖项
2009中国50个最具投资潜力的清洁能源企业
2009世界环保与新能源中国影响力100强企业
2009中国建筑节能减排十大品牌企业（可再生能源）
2010年十一五建筑节能减排最具推动力先锋企业
2010年十一五中国建筑节能暖通空调行业十大品牌企业
2010年中国低碳城市化贡献力地源热泵品牌企业

建设部指定国家康居示范工程选用产品

中央电视台新闻联播对我公司地源热泵项目做两次报告
中央电视台经济半小时对我公司地源热泵项目做重点报道
辽宁电视台、沈阳电视台、《辽宁日报》、《沈阳日报》、《海淀报》等多家媒体分别对我公司完成的地源热泵项目做重点报道。

七、工程业绩
用户或项目名称
工程面积（㎡）
工程类型
使用功能
末端方式
海淀区委党校
43000
办公、教学
冷暖、热水
风机盘管
海淀区政府曙光办公中心
22000
办公
冷暖
风机盘管
北京漪龙台湖畔公寓
46000
公寓、商场
冷暖、热水
风道、风机盘管
北京马奈草地商务会所
28000
商务会所
冷暖、热水
风道、风机盘管
海淀区学院路街道办事处
11000
办公
冷暖
风机盘管
海淀区北太平庄街道办事处
13000
办公
冷暖
风机盘管
东北大学汉卿会馆
8400
展览、会议及办公
冷暖、热水、游泳池加热
风机盘管、地板采暖
东北大学游泳馆
6800
游泳馆
冷暖、热水
风道
东北大学体育馆
6000
体育馆
冷暖、热水
风机盘管
沈阳东周金杯模具有限公司
25000
厂房、办公
冷暖
风机盘管
沈阳惠天热电职工培训中心
4800
宾馆
冷暖、热水
风机盘管
沈阳金都铝业有限公司
12000
厂房、宿舍
冷暖、热水
风机盘管
海淀区蓝靛中学
12000
教学
冷暖
风机盘管
北京国棉夏都公司
12000
厂房
制冷
风道
简式国际汽车设计公司
11000
厂房、办公
冷暖
风道、风机盘管、地板采暖
中国农业大学上庄实验站
10000
温室
冷暖
风机盘管
北京韩美林艺术博物馆
8800
展览、教学
冷暖
风机盘管
地暖采暖
北京天秀花园
5600
会所
冷暖、热水
风道、风盘
北京三正饮食文化中心
3800
餐厅
冷暖
风道
北方工业大学
3000
教学实习
冷暖
风机盘管
北京国民物业管理公司
2000
别墅
冷暖
风机盘管
北京顺义花水湾度假村
2000
别墅
冷暖
风机盘管
山东星村煤矿
40000
矿井、办公、厂房、宿舍
冷暖、热水，矿井防冻，降温、除湿
风道、风机盘管
北京市规划委员会海淀分局
6000
办公
冷暖
风机盘管
海淀区人才大厦
19000
办公
冷暖
风道、风盘
双清综合楼
15000
办公
冷暖
风道、风盘
辽宁省人大常委会办公楼
47000
办公
冷暖
风道、风盘
西王庄停车楼及配套楼水源热泵工程
12000
商铺
冷暖
风道、风机盘管

北京中科华誉能源技术发展有限责任公司 电话：[phone] 传真：[phone]
地址：北京市海淀区成府路28号优盛大厦11层 网址：http://www.he-