近零能耗建筑技术国家标准正式实施
当前,我国建筑领域已经开始超低能耗建筑的探索。超低排放的绿色建筑不仅有利于节能减排,同时也能创造出更大的经济效益。随着超低能耗建筑技术广泛应用于单体建筑、民用建筑、公共建筑、多层建筑和高层建筑领域,未来,绿色节能将为整个行业带来万亿元级的市场规模——
根据住房和城乡建设部此前发布的公告,今年9月1日起,国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019正式实施。该标准由中国建筑科学研究院和河北省建筑科学研究院会同46家科研、设计、产品部品制造单位59位专家历时3年联合研究编制完成。
“这个标准是国际上首次通过国家标准形式对零能耗建筑相关定义进行明确规定,将在零能耗建筑领域建立符合中国国情的技术体系,提出中国解决方案。”中国建筑科学研究院专业总工徐伟认为,《标准》的实施将对推动建筑节能减排、提升建筑室内环境水平、调整建筑能源消费结构、促进建筑节能产业转型升级起到重要作用。
未来建筑能耗更低
自1980年以来,我国的建筑节能先后经历了30%、50%、65%三个阶段,尤其在降低严寒和寒冷地区居住建筑供暖能耗、公共建筑能耗和提高可再生能源建筑应用比例等领域取得了显著的成效。
“现阶段建筑节能65%的设计标准已经全面普及,提高了人们居住、工作和生活环境的质量。”徐伟分析说,推动建筑迈向更低能耗正在成为全球建筑节能的发展趋势,目前也相应出现了一些具有专属品牌的技术体系,如德国“被动房”、瑞士近零能耗建筑等。
9月1日起实施的《近零能耗建筑技术标准》中,对“近零能耗建筑”做出了定义:其建筑能耗水平应较国家标准《公共建筑节能设计标准》和行业标准《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》降低60%至70%以上。同时,也明确了“超低能耗建筑”和“零能耗建筑”的标准。
在此之前,我国建筑领域已经开始超低能耗建筑的探索。在河北高碑店国家建筑节能技术国际创新园内,记者看到一栋被动式专家公寓楼,这是获得德国被动房研究所(PHI)和中国超低能耗建筑联盟双认证的单体住宅建筑。
“楼内没有集中供暖,仅靠被动房相关技术,就可实现冬季室内平均温度在20摄氏度以上。238平方米的房子,仅采暖这一项每年可以节约将近4000元。”公寓楼住户林峰告诉经济日报记者,这栋楼与此前的基准建筑相比,节能了92%。
林峰介绍说,实现这个效果主要靠三点:一是房子的密封、保温效果要好;二是新风系统24小时持续为室内输送新鲜空气,冬季将电视、灯具、做饭等生活中产生的热量,通过环境一体机的热交换功能,将室外进到室内的冷风预加热,以保持室内温度,不再需要传统的集中供暖与空调制冷系统;三是建筑外遮阳,夏季室内窗帘大概能挡住20%的太阳辐射,室外遮阳则可以挡住80%以上的辐射,以此降低空调使用的能耗。
正是因为目前高碑店市在超低能耗建筑方面积累的产业基础和技术优势,今年10月份,有着世界节能建筑领域的“奥林匹克”之称的第23届国际被动房大会将首次走进亚洲在高碑店市举办。
多省绘制产业蓝图
住建部《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》提出,积极开展超低能耗建筑、近零能耗建筑建设示范,引领标准提升进程,在具备条件的园区、街区推动超低能耗建筑集中连片建设,到2020年,建设超低能耗、近零能耗建筑示范项目1000万平方米以上。
随后,山东、河北、河南、北京、吉林等省市针对超低能耗建筑示范推广的政策和技术标准陆续出台,在财政补贴、非计容面积奖励、备案价上浮、绿色信贷等方面提出了政策优惠。特别是今年以来,黑龙江、上海、天津等省市先后出台了超低能耗建筑的相关技术标准。
记者从河北省住建厅了解到,自2014年开始,河北省级财政每年给予超低能耗建筑建设补助资金,现已累计超过4400万元。石家庄、保定等市也相继出台相关资金支持政策,如石家庄市出台的《关于加快推进被动式超低能耗建筑发展的实施意见》提出,2018年到2019年开工建设的,每平方米补贴200元,单个项目不超过300万元;2020年开工建设的,每平方米补贴100元,单个项目不超过200万元,并在用地等方面给予支持。
在技术层面,河北省借鉴德国经验和瑞典被动式房屋标准,在总结河北试点工作实践的基础上,于2015年2月份颁布了国内第一部《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》,组织编制了河北省《被动式低能耗居住建筑节能构造》《被动式低能耗公共建筑设计标准》。
截至目前,河北已累计建成超低能耗建筑18个,建筑面积27.52万平方米;在建建筑面积237.22万平方米,竣工和在建超低能耗建筑面积居全国首位。
建筑节能掘金“蓝海”
“早在2004年,高碑店就开始与德国企业合作节能门窗的研发和生产。2013年,国家科技部批准建设了‘高碑店国家建筑节能技术国际创新园’。”河北高碑店市经济开发区管理委员会副主任曹自涛介绍,目前高碑店市已经形成了以生产加工、设计研发、展览交易、检测认证、仓储物流五大功能配套齐全的建筑节能产业集群,年销售收入超过50亿元。
近十年来,位于高碑店市的奥润顺达集团已先后为50多个被动房项目提供技术服务与核心产品,并从中收集了数万个数据,突破无数技术难关,从多层建筑、高层建筑、别墅、学校等不同类型的建筑,进行规模化的探索,成功研发出洛卡恩“7+3”被动房集成系统。
“我们最早从普通门窗行业做起,随着建筑标准的提升,我们的技术也在不断完善,后来发现技术含量最高的门窗是用在超低能耗建筑上。”奥润顺达集团项目总监林少中介绍说,门窗只占房屋建筑面积的不到五分之一,但是通过门窗的能耗损失达到了50%以上。
“被动房技术虽然起源于欧洲,但是完全复制引进到中国后,由于自然环境和气候条件差异,出现了不同程度的水土不服。”林少中告诉记者,为此,奥润顺达集团与德国被动房研究院、奥地利因斯布鲁克大学等欧洲科研院所和清华大学、中国建筑科学研究院等国内十余所著名科研机构、高校合作,组建了数百人的研发团队,围绕建筑物理与热工性能、机电系统、新风系统、热交换系统、智能控制系统等技术领域,细分数千个科研课题联合攻关,攻克了适合中国不同气候带的被动式建筑重大课题。
近日,记者在高碑店市列车新城项目建设工地看到,这个完全采用被动式超低能耗建筑技术的住宅小区,一期工程44万平方米即将竣工,9月份可实现交房。该项目是目前国内规模最大、节能标准最高的超低能耗建筑示范社区。项目120万平方米全部建成后,将成为世界上规模最大的被动房综合社区。
“超低能耗综合社区不仅完全采用被动式建筑技术,而且采用海绵城市、雨水回收、生态自我修复技术、智能控制技术,打造全新的绿色智慧生态社区,包括高层、多层、学校、商住等不同类型的建筑业态。”林少中分析认为,随着超低能耗建筑技术广泛应用于单体建筑、民用建筑、公共建筑、多层建筑和高层建筑领域,将带来万亿元级的市场规模。
1.地源热泵发展史
我国热泵技术的研究开始于20世纪50年代,天津大学热能研究所开展了我国的热泵的最早研究。1956年吕灿仁教授的《热泵及其在我国应用的前途》一文是我国热泵研究现存的最早文献。
20世纪60年代,我国开始在暖通空调中应用发展热泵,并取得了一大批成果。1960年同济大学吴沈钇教授发表了“简介热泵供暖并建议济南市试用热泵供暖”;1963年原华东建筑设计院与上海冷气机厂开始研制热泵式空调器;1965年上海冰箱厂研制成功了我国第一台制热量为3720W的CKT-3A热泵型窗式空调器;1965年天津大学与天津冷气机厂研制成国内第一台地下水热泵空调机组;1966年又与铁道部四方车辆研究所共同合作,进行干线客车的空气/空气热泵试验;1965年,由原哈尔滨建筑工程学院徐邦裕教授、吴元炜教授领导的科研小组,根据热泵理论首次提出应用辅助冷凝器作为恒温湿空调机组的二次加热器的新流程,这是世界首创的新流程;1966年与哈尔滨空调机厂共同开始研制利用制冷系统的冷凝废热作为空调二次加热的新型立柜式恒温湿热泵式空调机。
1978~1988年我国热泵应用与发展进入全面复苏阶段。这期间,为了充分了解国外热泵发展的现状与进展,大量出版有关著作,国内刊物积极刊登有关热泵的译文,对国外热泵产品进行测试与分析,积极参加国际学术交流。同时,一些国外知名热泵生产厂家开始来中国投资建厂。例如美国开利公司是最早来中国投资的外国公司之一,于1987年率先在上海成立合资企业。
1989~1999年期间我国热泵又迎来了新的发展里程。在我国应用的热泵形式开始多样化,有空气/空气热气、空气/水热泵、水/空气热泵和水/水热泵等。在这期间国内已有国有、民营、独资、台资等不少于300家家用空调器厂家,逐步形成我国热泵空调器的完整工业体系。水环热泵空调系统在我国得到广泛应用。据统计到1999年,全国约有100个项目,2万台地下水热泵机组在运行。20世纪90年代初开始大量生产空气源热泵冷热水机组,90年代中期开发出井地下水热泵冷热水机组,90年代末又开始出现污地下水热泵系统。土壤耦合热泵的研究已成为国内暖通空调界的热门研究话题。国内的研究方向和内容主要集中在地下埋管换热器,在国外技术的基础上有所创新。
进入21世纪后,由于我国快速城市化,人均GDP的增长,拉动了中国空调市场的发展,促进了热泵在我国的应用越来越广泛,热泵的发展十分迅速,热泵技术的研究不断创新。2000年至2003年间,热泵的应用、研究空前活跃,硕果累累。
2000~2003年4年间,专利总数287项,年平均为71.75项,是1989~1999年专利平均数的4.9倍。2000~2003年间发明专利共119项,年平均29.75项,是1989~1999年发明专利平均数的4.25倍。
2000~2003年中热泵文献数量剧增,如2003年文献数是1999年文献的5倍。全国高校有105名研究生以热泵技术为题目,平均每年有26.25名,是90年代平均数的7倍多。
全国各省市几乎均有应用热泵技术的工程实例。热泵技术研究更加活跃,创新性成果累累。在短短的几年中有3项创新性成果问世:同井回灌热泵系统、土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统、供寒冷地区应用的单、双级耦合热泵系统。
2.地源热泵应用基础与实践的研究
我国地源热泵研究起步于20世纪80年代,首先是一些高校和科研机构对地源热泵的相关技术进行了专题研究。部分研究项目列入表3-1中。
表3-1 部分高校地源热泵研究课题
研究工作主要集中于以下几个方面:地下埋管换热器的传热模型和传热研究;夏季瞬态工况数值模拟的研究;热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究;
地源热泵空调系统制冷工质替代研究;其他能源如太阳能、水能等与地热源联合应用的研究;地源热泵系统的设计和施工;地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究;地下地下水热泵回灌技术与实践;土壤热物性及土壤热导率的试验研究。
同井回灌地下地下水热泵地下水运移数值模拟与实验研究;土壤蓄冷与土壤源热泵集成系统的应用基础研究等。
进入20世纪90年代,北京工业大学丁良士教授、山东建筑工程学院方肇洪教授等人先后在美国俄克拉荷马州立大学和瑞典、德国、加拿大等地学习考察地源热泵技术,回国之后纷纷投入国内地源热泵技术研究的实践中。丁良士教授主持北京市“低温地热能梯级利用技术研究”重大科研工程项目,通过在校内的小试、中试、工程三个阶段,研究深层地热利用技术,开创了国内的先河。方肇洪教授完成的山东省重点科技攻关项目“地热综合利用关键技术”在专家鉴定中被评定为“达到国际领先水平”。
同时,原重庆建筑大学、同济大学、湖南大学、青岛建筑工程学院等院校纷纷建立了土壤耦合热泵实验系统,展开了全面全面的研究,土壤耦合热泵研究迅速成为热门研究课题之一。
进入21世纪后,在国家自然科学基金的资助下,地源热泵的研究更加深入,更富有创新性。哈尔滨工业大学姚杨教授等,在对国内外关于土壤源热泵及冰畜冷技术的发展和应用充分了解的基础上,以新技术改造传统技术,整合集成土壤源热泵和冰蓄冷的技术要素和成果,提出一种适合于以空调负荷为主,采暖负荷为辅的全新空调系统形式,即土壤畜冷与土壤源热泵集成系统。哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所先后建立了同井回灌地下地下水热泵地下水运移的数学模型;并推导了单一均匀介质含水层中定流量同井回灌地下地下水热泵地下水渗流的分析解;对同井回灌地下地下水热泵地下含水层温度场进行了数值模拟;并对北京恒有源科技发展有限公司共同开展了同井回灌地下地下水热泵工程的现场实践研究。
在各高校研究工作的基础上,研究成果也不断地被应用于工程实践中。例如重庆大学城市建设与环境工程学院在新疆米泉市小型办公楼和重庆大学B区暖通实验楼采用了土壤源热泵系统。北京工业大学新建的综合科技楼、逸夫图书馆、改建的经管学院楼、室内地热游泳池和新建的能容纳8000名学生的教学楼等建筑,供热(制冷)面积5000m2以上的“低温地热能梯级利用技术研究”重大科研工程项目。山东建筑工程学院的学院学术报告厅工程(包括学术报告厅500m2,学生自习室及计算机房等空调面积约2700m2)选用2台水-水热泵冷热水机组。室外地热换热器采用垂直U形埋管形式由25组并联的垂直U形埋管组成的地源热泵系统。
为了推广研究成果,各高校纷纷走上产、学、研结合的道路。1999年天津大学地热中心、天津甘泉集团公司成立研究设计院。2000年山东建筑工程学院成立了首个专门从事地源热泵供热空调系统的理论研究、技术开发、工程设计和旋工指导的方州地源热泵研究所。北京工业大学成立了北京天地能流科技发展有限公司。清华大学的北京清源世纪科技有限公司也参与到地源热泵的工程实践当中。而许多企业也与高校科研机构紧密结合,以高校的技术力量为依托,共同建立科研机构、开发产品、承接工程。比如清华大学和山东富乐达空调设备有限公司,同济大学和广州从化中宇冷气科技科技发展有限公司,山东建筑工程学院和北京嘉和晟业地下水热泵空调有限公司、烟台荏原空调设备有限公司、山东宏力空调设备有限公司,北京工业大学和山东利丰公司,湖北风神净化空调设备工程有限公司和华中科技大学、东南大学等。
3.北京区地源热泵相关的管理规定和政策
1)地下水热泵
近年来,随着国家加大建设“资源节约型、环境友好型”社会的力度,实现国家节能减排目标,各地也相继出台支持开发利用浅层地温能项目。如2006年5月31日,由北京市发展改革委联合市水务局、国土局等九个委办局联合发文对采用地下地下水热泵系统实现供暖和制冷项目按35元/m2的标准进行补贴。
由于地下水热泵项目必须凿井抽取和回灌地下水,因此地下水热泵项目开工前须按照水利部颁发的《建设项自水资源论证管理办法》要求,开展建设项目水资源论证,编制水资源论证报告书,对地下水热泵项目取水、退水的可行性、用水的合理性、保护措施及对其他取水用户的影响进行分析。
为保护珍贵的地下水资源,避免地下水热泵盲目上马对现有集中供水水源地的不良影响和产生不良的地质环境后果(如地下水交叉污染、地面沉降,地裂缝等),各地方水务主管部门还根据当地的水文地质条件有针对性的制定了管理措施,如北京市水务局2007年5月16日发布的《关于加强我市地下水热泵管理工作的通知》中对地下水热泵项目抽、灌距离,限制发展范围等提出了明确要求:
(1)地下水热泵系统抽灌含水层为第四系水,井深不得超过100m
(2)抽灌井与建筑物距离不少于30m;抽灌井之间水平距离不少于50m,抽水井之间距离不少于100m
(3)为防止不同含水层水体交换造成水污染,保证回灌效果,抽灌必须在同一含水层内进行;
(4)严禁在自来水水厂地下水源保护区范围内、地面沉降区、地下水严重超采区、承压含水层内批准建设地下水热泵系统;
(5)地下水热泵抽灌井的施工,应严格遵守国家有关规程规范,确保抽灌井质量。承担凿井施工的单位须应具有相应资质;
(6)新建地下水热泵系统抽灌水井应分别安装抽水和回灌计量装置。已建地下水热泵系统也必须限期安装计量设施;
(7)地下水热泵抽灌水量实行月统季报制度。地下水热泵系统使用单位每月末应书面报告当月的抽水量、回灌水量。
2)地源热泵
由于地源热泵无需开采地下水,对地质环境的影响远远低于地下水地源热泵,其潜在的地质风险、安全风险等也远远低于地下水地源热泵,但是地源热泵初投资略高于地下水热泵项目。因此,在2006年5月31日,由北京市发展改革委联合市水务局、国土局等九个委办局联合发文对采用地源热泵系统实现供暖和制冷项目按50元/m2的标准进行补贴,高于地下水地源热泵补贴(35元/m2)。
根据北京市国土资源局关于申报地源热泵项目的通知,项目建设单位需提交经专家审查通过的《地源热泵系统浅层地温能勘查评价报告》,报告主要内容为:序言:情况简介及任务的来源与要求说明;简要评述勘查区以往水文地质的工作程度及浅层地温利用的现状;叙述区域的地层分布情况、气候条件及水文特征;简述勘查工作的进程以及完成的工作量。地源热泵系统的初步设计方案;项目所在地水文地质条件论证;勘查工作情况;项目所在地的浅层地温能的评价:地层换热能力的测试情况;论述浅层地温能利用量计算的依据,计算评价浅层地温能;根据保护资源,合理开发的原则,提出相应的利用方式,简述其保证程度,并预测其可能的变化趋势,对浅层地温能资源进行综合的评估。结论及建议。
沈阳市发布的《关于地源热泵系统建设和应用工作的实施意见》中明显指出:地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术,具有清洁、高效、节能的特点。推进地源热泵系统建设,有利于优化能源结构,促进能源互补,提高能源利用效率。要求在沈阳市三环内的455km2核心区范围内,对符合应用地下水热泵技术的409km2范围内的建筑物,原则上都要采用地下水热泵技术规划建设。
4.地源热泵相关的学术交流
近年来,有关地源热泵的学术流,也是逐步升温。从地热应用、热泵技术发展和清洁能源利用等多角度对地源热泵发展和应用的会议日益增多。
1978~2005年,中国制冷学会第二专业委员会主办过12届“全国余热制冷与热泵技术学术会议”。1988年中国科学院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”。自20世纪90年代起,中国建筑学会暖通空调委员会、中国制冷学会主办全国暖通空调制冷学术年会上专门增设“热泵”专题交流。1994年9月6日中国能源研究会地热专业委员会在北京召开了“第四次全国地热能开发利用研讨会”。
2000年6月19~23日,国家科学技术部高新技术开发与产业化司在北京召开了“中美地源热泵技术交流会”,会议介绍了地源热泵技术、国外的应用状况和在中国的推广,会议的主题就是“提供运用地热泵技术为住宅小区或公用楼宇采暖制冷,大幅降温低运行费用的节能解决方案”。
2002年5月20日上午,国际能源机构(LEA)第七届会议在北京国际会议中心举行,这是该组织第一次在中国也是第一次在非组织成员国举行这样的会议,此次会议的目的是促进热泵技术在世界范围内特别是中国的交流和应用。居于国内行业领先地位的富尔达公司成为惟一赞助单位。
2003年3月17日,山东建筑工程学院地源热泵研究所与山东建筑学会热能动力专业委员会联合在山东建筑工程学院举行“国际地源热泵新技术报告会”。
为了落实“科技奥运”、“绿色奥运”的理念,为奥运场馆建设提供可行的清洁能源建设方案,由北京工业大学和《工程建设与设计》杂志组织的体育场馆工程清洁能源建设方案研讨会于2004年7月6~8日在北京召开。此次会议邀请国内外专家就以地源热泵技术为主的体育场馆可能应用的清洁能源建设方案进行了研讨,为2008年奥运会体育场馆最终确定能源方案提供依据。北京奥组委、北京发改委、北京科委等有关单位,国内外学术界、设计界的权威以及28个奥运场馆业主代表、相关企业代表参加了会议。
2005年9月,国际地热协会第39次理事会在北京召开,出席会议的主席伦德先生和参会理事被邀请出席全国地热产业可持续发展学术研讨会。
2005年9月23日,由联合国开发计划署驻华代表处、科技部和国家环保总局共同举办的中国清洁能源行动推广会议在北京举行,来自国内40多个城市的市长、环保局长和其他代表出席了会议。会议旨在推广联合国开发计划署、科技部和国家环保总局共同设立的为期四年的名为“通过使用清洁能源和清洁能源技术减少城市空气污染的能力建设”的项目所取得的成绩和经验。
2007年1月27日,中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心成立,中心设在北京市地质矿产勘查开发局。该中心专门从事全国浅层地温能研究与推广工作。2007年1月29~30日,由国土资源部主办,北京市国土资源局、北京市地质矿产勘查开发局承办的在全国地热(浅层地热能)开发利用现场经验交流会上在北京友谊宾馆召开。来自全国400多位代表考察了示范工程,并就国内外浅层地温能资源勘查评价、开发利用情况、热泵利用现状及其发展前景、浅层地温能利用实例、政策及技术规程等进行了充分的交流,会议号召地质科技人员深入进行浅层地温能资源赋存、来源、运移规律等基础研究,为国家大规模科学合理的开发利用浅层地温能资源奠定坚实的基础。会议出版了《全国地热(浅层地热能)开发利用现场经验交流会论文集》。
2007年12月,由中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心组织的全国浅层地温能资源开发利用高级研修班在北京召开,众多在浅层地温能资源开发利用领域的专家学者从理论和实践两方面详细介绍了浅层地温能资源从勘查评价到开发利用的理论、核心技术和实践经验,会议鼓励科学合理的开发利用浅层地温能资源,为国家节能减排目标的实现做贡献。
在增加会议交流的同时,与地源热泵相关的出版物也不断面世。1988年由中国建筑工业出版社出版了徐邦裕教授等编写的《热泵》教材。机械工业出版社1993年出版了郁永章教授主编的《热泵原理与应用》,1997年出版了蒋能照教授主编的《空气用热泵技术及应用》。1994年由华中理工大学出版社出版了郑祖义的《热泵空调系统的设计与创新》。1998年出版了郑祖义博士的《热泵技术在空调中的应用》。
2001年由中国建筑科学研究院空调所徐伟等人翻译的《地源热泵工程技术指南》一书出版,为国内地源热泵工程设计和施工人员提供了参考。《地源热泵工程技术指南》原是由美国能源部、美国国防部、加拿大自然资源等七家单位支持,美国ASHRAE学会出版的地源热泵技术专业书,全书分为原理篇、设计篇、安装篇和节能篇。内容包括:介绍地源热泵系统的分类、工作原理、系统构成、与常规系统比较;如何进行现场地质调查和实验;地热换热器、地下水换热器及地表水换热器系统的设计;输配系统和室内空调系统的设计;地源热泵系统的安装、调试和检验;地源热泵系统的节能措施和节能设计计算,并提供了土壤和岩石的特性数据、防冻剂的特性数据以及塑料管和配件的特性数据。
2004年哈尔滨工业大学马最良教授等人写作的《水环热泵空调系统设计》出版,这是一部较全面阐述水环热泵空调系统应用理论基础与实践的专著。书中首次归纳出可再生能源水环热泵空调系统的称谓,这个概念的提出,将为水环热泵系统注入新的活力,使其系统的应用更加广泛、更加合理、更加经济。因此,这种可再生能源水环热泵系统将会有很好的应用前景,对解决暖通空调的能源与环境问题将有更长远的战略意义。
这些教材、著作、译著的出版,推动了热泵空调技术在我国的普及与推广。
与此同时,国内的科技期刊上有关地源热泵技术的论文也大幅增加。《暖通空调》、《制冷与空调》等杂志都开设专题进行研讨。《工程建设与设计》杂志为此出版了地源热泵专刊,同时开展了“国内地(水)源热泵应用情况调查”,2004年第4期据调查形成的《国内地源热泵应用情况调查报告》首次全面地展现了国内地源热泵应用的情况。《建设科技》杂志对际高集团有限公司、山东富尔达空调设备有限公司等单位的地源热泵技术给予多次报道。
蔡建新
(天津京津塘地热科技开发有限公司)
1 地源热泵原理及其特点
1.1 地源热泵原理
地源热泵的原理与普通热泵原理相同,只是为热泵提供的热源是利用自然界中的水、土壤等能汇集地下热能,太阳能等的自然介质中存储的热源(图1)。
图1 热泵原理图
如果建筑附近有可利用的湖、海或水池,并且水温合适(10~20℃)利用地表水系统是最节能,最经济的。夏季冷凝器吸热后的冷却水经管道进湖、海或水池,利用温度较低的地表来散热;冬季吸收海、湖或池内水的热量,用作热泵的低温热源,经热泵汇集后升温传递给室内采暖。利用地表水的地源热泵系统,最适宜的区域是我国的黄河以南到长江、珠江流域的夏热冬冷地区。
地下水系统一般采用开放的循环系统。地下井水经热泵吸热后(冬季放热)向地下深井中放热(冬季吸热)。地下水系统适用于地下水丰富的地区。地下水的温度常年稳定,基本不受外界气温影响,可以让热泵机组高效运行。
对于地表水和地下水源缺乏以及地下水开采受限制的地区,土壤埋管系统将是最佳选择。将管道埋于地下浅层土壤中,循环水经水管与地下土壤进行热交换,夏季土壤作为热汇吸收热量,冬季作为热源为热泵机组提供热量。水平埋管通常用于浅层埋设,开控技术要求不高,但换热能力相对较小,占地面积大;垂直U型埋管换热能力强,可占相对较小土地面积。北方地区因冬季采暖需热量大,通常需采用垂直埋管方式。
1.2 地源热泵特点
1.2.1 地源热泵是清洁的可再生能源利用技术
地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器,同时地球深部的热能也会通过地表向大气层散失。人类每年消耗的全部能量,只是地表吸收和散发的太阳能和地热能的极小的一部分。地表能量被利用后,可由太阳能和地球深部传导上来的热量很快平衡,不会对自然界的能量系统造成不良影响。因此浅层地表能量是一个取之不尽的可再生清洁能源库。
1.2.2 是高效节能的技术
热泵本身的制热效率就比较高。因为热泵产生的热主要不是因燃烧或电加热而直接产生的热量,而是从低温热源中转移过来的热量。我们可以通过一次能源利用率来说明热泵的高效率。
能源利用系数E为装置的制热量与消耗的初级能量的比值。
假设热泵消耗的能量是电,火力发电的效率为0.35,输配电的效率是0.95则热泵E值为:
E=0.35∗0.95∗COP(COP为热泵的制热性系数)
表1 热泵供热时与传统的供热方式E值相当的COP值
现在高效热泵的COP都能达到3.5~4以上,因此,E=0.35×0.95×4=1.33。由此可以看出,热泵在利用一次能源(燃煤)的总体效率上,比效率最高的热电联产的效率还要高。
此外地源热泵的土壤换热器、地下水、地表水作为热源或热汇,冬季在制热运行时,地下水温比环境温度高,使水源热泵的蒸发温度,比其他类型比如风冷热泵的蒸发温度大大提高,且没有化霜操作,所以能效比提高很多,至少在40%以上;夏季制冷时由于地下水,地表水温度比环境气温低,冷凝压力降低,压缩机输入功率减小,使制冷性能比风冷或冷却塔式制冷机组有较大提高。大量测试数据表明,由此导致的机组效率提高,节能20%以上。风冷热泵效率低与地源热泵相比差距大。最节能的风冷空调能耗比也只有2.8。而地源热泵夏季空调时的最低能耗比也在4以上。
1.2.3 环境保护
地源热泵抽取地表水或地下水,并保证100%地下水回灌,甚至不抽取地下水(土壤换热器),对环境不产生破坏作用。热泵以电为驱动力,运行时不直接产生对环境的有害污染,而大规模火力发电则已有成熟的技术降低或治理污染物排放,(如果是水电或核电污染更低)。因此地源热泵系统具有相当好的环境保护效果。
1.2.4 一机多用运行稳定可靠
地源热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水,对于同时需求供暖、供冷的建筑,地源热泵一套系统就可同时解决,节省了建筑的配套建设费用和配套设施占用面积。
另外地表水,地下水和浅层地温的变化范围远小于环境气温的变化范围,使地源热泵全年运行稳定,再配合热泵系统自动化程度高,保证了地源热泵采暖、空调系统比传统的采暖、空调系统具有更高的安全性。
1.2.5 应用市场广泛,适用性强
(1)我国绝大多数地域属于夏热冬冷的地区,对建筑采暖用热和空调用冷均可统一于地源热泵系统,尤其对于办公或商务建筑,基本都要求集中空调空调系统。采用地源热泵既解决了采暖又解决了空调,一举两得。
(2)建筑能耗所占能源消耗比例越来越大,发达国家比例达到40%~45%,我国已达到35%。而建筑能耗可以利用温度较低的低品质能量,因此将地源热泵系统在建筑采暖空调领域利用最具经济性、合理性。
2 工程应用案例
几年来,天津京津塘地热科技开发有限公司设计、施工了不少地源热泵空调项目。下面简单给大家介绍一下。
2.1 天津开发区海滨大道发展有限公司办公楼(2002年)
原始设计参数:建筑面积:2400m2;设计热负荷:189kW;设计冷负荷:236kW。
土壤换热器:设计孔深;100m;设计孔数:40。热泵机组:西亚特LWP900 1台;制冷:254kW;制热:339kW。
海滨大道有限公司机房
表2
2.2 中国华能集团小汤山培训中心(2005年)
中国华能集团小汤山培训中心原建筑面积10000m2;原采暖系统为地热井;原空调系统为冷却塔中央空调。新增加建筑面积:20000m2。原有地热井一眼,地热井的具体参数如下:地热井温度:65 ℃;最大水量为:80m3/h;原排水温度:40 ℃;最大热量:2326kW;北京地热水资源费:3元/m3。
因为如果地热井故障,会导致建筑停止供暖8~24小时。所以鉴于采暖安全性和经济性考虑,决定增加地源热泵作为新建筑的中央空调系统,和地热井的热源互为备用。并且可以考虑利用地热井采暖的成本如果太高,可以改为部分利用或全部利用地源热泵。
设计孔深;150m;设计孔数:200;热泵机组:克莱门特热泵2台PSRHH3002;制冷:1092kW,制热:1280kW。
2.3 塘沽凯华商业广场(2005年)
建筑面积4000m2,设计热负荷:240kW,设计冷负荷:320kW。土壤换热器:设计孔深为100m,设计孔数26个,桩埋管数量:3670m。热泵机组:西亚特LWP1200 1台,制冷343kW,制热452kW。
3 设计和工程中存在的问题
(1)关于地下水源开采—回灌和土壤换热器的比较:近几年来地源热泵的发展主要形式是地下水源开采—回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降,地面沉降问题一直很严重,像天津、上海,多年来面临严重的地面沉降问题,天津有专门的地面沉降办公室,在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已经搞了很多年,积累了很多经验教训,也知道这种地层回灌难度有多大。天津水务部门一直没有开放对利用地下水源用作热泵低温热源或热汇的控制。
在天津地区地下咸水层浅,开凿竖井埋管时会连通咸淡水层,为防止水层连通,要采取必要的措施。并且天津市水利部门加强了对此工作的管理,实施行政许可管理。
采用竖直埋管的土壤换热器形式,不用开采和回灌地下水,没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全,没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。
(2)冬季避免采用防冻液介质。很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。但我认为在我国华北及以南区域,因为地下温度不是很低,只要设计足够的土壤换热器数量,可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液,避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。
(3)系统的管材质量必须保证合格,只能采用PE或PB管材。土壤换热器系统设计要保证水系统平衡,避免采用室外阀门调节的方式。
(4)关于竖直埋管埋设单U型或双U型管的问题,但从工程实践中看,我认为单U型管方式优于双U型管方式。该问题讨论比较复杂,要从土壤换热器的总体能量容量考虑。土壤换热器的总体能量容量还涉及到换热器的布局形状等问题。希望有机会再专门讨论该问题。
参考资料
[1]殷平.地源热泵在中国.现代空调.2001
[2]汪集旸,马伟斌,龚宇烈编.可再生能源丛书《地热利用技术》.北京:化学工业出版社
[3]付祥钊主编.夏热冬冷地区建筑节能技术.北京:中国建筑工业出版社
[4]徐伟等译.地源热泵工程技术指南.北京:中国建筑工业出版社
姓名笔画数分别是:19 11 12
天格、人格、地格、总格、外格数分别为:20 30 23 42 13
雪:薄幸之字,再嫁守寡,中年多灾,晚年吉祥。 (水)
婷:温和贤淑,口快心直,多才清雅,中年隆昌,一生安详,福寿之字。 (火)
天格数20数理意义:(屋下藏金)运途不美,起伏不定,进退维谷,事业不易。 (凶)
人格数30数理意义:(非运)沉浮不定,凶吉难变,若明若暗,大成大败。 (半凶)
反应灵敏,心机深沉,处事态度较为冷静,适合研究开发的工作,不管学历高低,大都有文学方面的才华,若被天运生助则成功率相当大,被克则凡事少成。
地格数23数理意义:(壮丽)旭日东升,壮丽壮观,权威旺盛,功名荣达。 (吉)
言语幽默,颇得异性欢心,婚后常有晚归的情形,婚姻生活如戏剧。
总格数42数理意义:(寒蝉在柳)博识多能,精通世情,如能专心,尚可成功。 (凶)
个性固执,坚持已见而一意孤行,对长上的教诲有故意违抗的顽性。精神多劳,凡事少成,身体亦较为虚弱。受天运五行生扶者,能转败为胜。
外格数13数理意义:(春日牡丹)才艺多能,智谋奇略,忍柔当事,鸣奏大功。 (吉)
能知人善用,适合担任主管及领导阶层工作,若能生助人格者能得众人的支持,创业障碍较少。
十十三(水水火)三才数理暗示为:
缺乏自律,我行我素,易遇困难,或健康不良。(凶)
1、总论:早年费心力而无所成,六亲无助靠孤军奋斗,且容易受到意外的灾害,中年后有成功机会,名利双收,慎防不测之灾病。天运五行属木时,事业发展,财源广进。
2、性格:性格独立而早熟,刚强而自负,心直口快,对安定生活容易厌倦,喜追求刺激而有横发的机会。应多注重精神修养方能立于不败之地,常有误打误中而成功者。
3、意志:过于自信,表面似乎很坚强,很有耐心,其实意志不够坚定,容易受世俗迷惑。
4、事业:中年前事业运不佳,颇多灾难与挫折,中年后有成功发展的机会,应好好把握。
5、家庭:六亲缘薄,妻子病弱或仳离,子女难和,家庭孤独之兆。
6、婚姻:男娶懦弱寡和之妻,婚后不美满;女嫁卤莽顽固之夫,婚后多争执。
7、子女:子女身体较差,或有意外灾病,长大后有离家生活之打算。
8、社交:外缘难好,但性情孤高而固执,拙于人情的处理,容易卷入朋友是非中。
9、精神:内外不和睦,心情多苦闷,精神生活常在不安定中。
10、财运:中年前后有财运,晚年更佳,但有成败一瞬间之灵意,应谨慎行事。
11、健康:易患胃肠、气喘、心脏、精神分裂、泌尿系统及妇人毛病等。
12、老运:晚景财源不缺,但家庭不安,心情欠开朗,应注重精神修养。
人格与外格数理(十三)搭配,表示个人的人际关系、社交能力、事业等暗示信息:
富于智谋,但好出风头,做事欠考虑;自我心强,缺乏服从心,易得罪人。 (凶)
此名得分:66分
更多信息:
人格数 30 暗示性格为:其性迟,缓滞不动,欠缺活动力,但易受冲动。一旦时机来临,有如山风谷雨,心潮澎湃。易失财破产,有才智,不忘功名利禄。
人格与地格数理表示的基础运:急祸、急变、大疾之象,易患心脏疾病(下)。
人格与天格数理表示的成功运:品行不修,荒唐散败,成大功但也可能变为泡影梦幻(下)。
天格、人格与地格数理易诱发外伤等事故。
地格数 23,如果是女性,婚姻难得美满。
人格或地格中有15、16、23、24、32、33、41、42等财运诱导之数(多钱财,富贵)。
人格或地格中有3、13、16、21、23、31、33、41等首领诱导之数(智仁勇德全备,能领导众人)。
人格或地格中有22、30、36、40、50、52、54、56、59、80等遭难诱导之数。
徐伟成:
姓名笔画数分别是:10 11 7
天格、人格、地格、总格、外格数分别为:11 21 18 28 8
伟:多才巧智,清雅伶俐,小心爱情厄,中年成功隆昌,晚年吉祥。 (土)
成:清秀多才,出外或出国大吉,晚婚隆昌,中年成功。 (金)
天格数11数理意义:(旱苗逢雨)万物更新,调顺发达,恢弘泽世,繁荣富贵。 (吉)
人格数21数理意义:(明月中天)光风霁月,万物确立,官运亨通,大搏名利。 (吉)
善于计划并有领导才华,行事稳健,注重实际与工作,个性主观而理想高远,自律也甚严,比较受人尊重与佩服。
地格数18数理意义:(铁镜重磨)权威显达,博得名利,且养柔德,功成名就。 (吉)
做事及对婚姻太态度较严谨,配偶个性较倔强,家庭生活尚称平顺。
总格数28数理意义:(阔水浮萍)一生多变,豪杰气概,四海漂泊,终世浮躁。 (凶)
个性坚忍具有突破困难的毅力,大都一意孤行,我行我素,内在个性倾于固执,很容易因判断错误而陷入困境。
外格数8 数理意义:(八卦之数)八卦之数,乾坎艮震,巽离坤兑,无穷无尽。 (半吉)
社交运尚称如意,待人很守原则,善恶分明,管理部下比较严肃,能够受人敬重,若此格被他格克害则个性倾于固执。
一一八(木木金)三才数理暗示为:
虽有成功运,多受环境或他人所迫害,有变动转移,难得平安,受部下的损害劳烦。(凶)
1、总论:一生运途劳碌,为家庭劳苦,受有友之累,精神苦闷,唯有成功一时者,也难免有后顾之患,境遇多变化,且有外急难之处。
2、性格:为人正直,个性顽强固执,待人虽诚恳,但社交拙劣,易受误会,常因一怒而招来不可收拾的后果。
3、意志:意志不坚定,思想事业多变化,耐性亦欠佳,处事容易冲动。
4、事业:事业运不甚稳定,会有一时的成功,但有因好高骛远或受累而失败者。
5、家庭:夫妻不睦,子女不敬,气氛不融洽,
6、婚姻:男娶好胜好强之妻,婚后时常争吵。女嫁有家庭责任之夫,但婚后不圆满。
7、子女:子女身体较强状,但不听管教,容易与父母顶嘴,长大后会出人头地。
8、社交;喜欢支配别人而惹人讨厌,虽有诚恳之心帮助别人,但多受人拖累又容易发生纠纷。
9、精神:为家庭、朋友及事业苦闷多多,精神上压力很大。
10、财运:时好时坏不稳定,应注意受亲友之拖累。
11、健康:外伤、呼吸系统、肝胆机能、脚疾、泌尿系统等病状。
12、老运:寂寞无精神寄托,运途多舛,难得安详。