陈焰华谈地源热泵行业发展之路

技术和市场齐抓  推广与监管并重

---武汉市建筑设计院副总工程师兼机电设计院院长陈焰华谈地源热泵行业发展之路

  
    近几年，地源热泵行业发展迅猛。湖北作为中部大省，其地源热泵的发展有哪些自身的特点，未来的发展趋势又是怎样？作为深入一线的专家，武汉建筑设计院暖通总工程师陈焰华对此有很多切身的体会。近日，本刊记者有幸采访了陈焰华总工，请他对行业的现状、存在的问题和解决措施进行了深入的分析和解答。

    《地源热泵》：请介绍一下我国地源热泵行业的发展现状，湖北作为中部大省，在地源热泵应用方面有哪些自身特点，这些年来的发展状况如何，今后的发展方向将是怎样。

    陈焰华：在国家相关政策扶持和经济措施激励下，我国地源热泵行业发展和工程应用工作推进迅速，工程应用项目和建设面积快速增长，地源热泵设备生产厂家、施工企业和技术集成商大量涌现，并形成了一批全国性或区域性领军企业。地源热泵技术正在被越来越多的人们所了解、认识和接受，业已成为我国实现建筑节能减排和可再生能源利用领域的重要技术之一。

    作为“千湖之省”的湖北和“百湖之市”的武汉，地处夏热冬冷气候区，气候特点和资源储藏都非常适合于发展地源热泵技术，工程应用与技术开发较早，已拥有一大批优秀的技术研发单位、勘察设计单位、工程技术集成企业和热泵设备、产品生产厂家，具有雄厚的地源热泵技术研发能力、勘察设计能力、设备生产能力以及相当的工程应用经验和一定的产业化基础。自2001年湖北省第一个地源热泵项目投入运行以来，到目前已有100多座公共建筑和居住建筑采用了地源热泵空调系统，应用的建筑面积已达350万平方米。从实际运行情况来看，各系统总体运行稳定，节能环保效益显著，积累了宝贵的工程应用经验，赢得了较好的社会影响。

    回顾起来，湖北武汉地区地源热泵技术的发展和工程应用应该是较为稳健和具有可持续发展后劲的，这应该归功于省市政府相关部门和相关技术机构的密切协作和良性互动，一是较早开展了地源热泵技术的相关研究工作，二是工程示范项目先行。相关技术研究工作为地源热泵技术的发展和推广应用打下了扎实的工作基础，减少了工程应用中技术的盲目性和一哄而上的投资冲动，也为政府决策提供了科学依据和技术支撑。工程示范积累了地源热泵空调系统建设和实际运行的宝贵经验，工程经验的总结和技术的提升有助于切实解决地源热泵技术在实际应用中存在的问题，也有利于针对存在的问题提出推广应用的管理措施和有效的技术解决方案。

    湖北武汉近些年来开展的地源热泵相关的研究课题有十多项，既有资源评价研究和技术专题研究，也有管理政策措施研究和综合应用研究，在相关基础性研究工作的基础上，武汉市提出了“积极审慎，因地制宜，科学利用，依法依规，严格监管，稳步推进”的地源热泵技术推广应用原则，并出台了相关的地源热泵发展专项规划和管理法规。如以政府令的形式在2006年11月发布了《武汉市地下水管理办法》对包括地下水地源热泵在内的地下水利用实行严格的申报和取水许可制度，并依据地下水资源储藏和分布状况划定可采区、限采区、禁采区，采取总量控制的措施，有效的控制了地下水地源热泵的科学合理发展。

    湖北省先后共有十九个项目成为财政部、建设部可再生能源建筑应用示范项目，湖北省和武汉市还确定了各自的地源热泵示范工程，这些示范项目和工程的建设极大地推动了地源热泵技术的发展和应用，并取得了较好的项目实施和工程应用经验。到目前为此，湖北省共有武汉、襄阳、宜昌、咸宁、黄冈、天门被批准为全国可再生能源建筑应用示范城市，钟祥、鹤峰、宜都、石首被批准为全国农村地区可再生能源建筑应用示范县，为地源热泵技术的推广应用提供了新的发展契机。

    “十二五”是我国建设资源节约型、环境友好型社会的关键时期，也是湖北武汉落实节能减排政策，实现能源与经济、社会、环境协调可持续发展的重要阶段。湖北的能源供应现状是“缺煤少油乏气”，一次能源匮乏，是全国第四大能源调入省份，全省能源自给率仅为19%左右。提高可再生能源应用比例是加快湖北经济发展、改善湖北能源结构的题中应有之义。根据湖北省政府批准的《湖北省住房和城乡建设事业“十二五”规划纲要》，未来五年，湖北计划推行绿色建筑标志，加快建设绿色建筑试验示范区，发展绿色建筑1000万平方米，可再生能源建筑应用面积达到2500万平方米。推进太阳能光热、光电及地源热泵技术建筑一体化与规模化应用，实施可再生能源建筑应用城市示范和农村地区县级示范。

    《地源热泵》：地源热泵空调系统与普通的空调系统相比，对暖通设计人员提出了哪些特别的要求。在这个过程中，暖通空调行业和地质勘探行业应该如何配合，怎样才能最大程度地实现工作的协调有序。

    陈焰华：地源热泵系统是利用地下一定深度岩土体和地下水温度相对稳定的特性，通过埋设在建筑物周围的地下管路换热系统或地下水，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移对建筑物室内供暖或制冷的一种节能、环保型的可再生能源利用技术。与普通的空调系统相比，地下换热环路的设计是保证工程成败的关键，只有全面掌握了工程项目的水文地质情况并且对地下换热器的换热特性有充分的了解和研究，才能确保地下换热环路的设计满足地源热泵系统长期稳定的换热要求。

    因此对暖通设计人员来说除了必须与地质勘探部门密切合作外，还必须学习和掌握相关的水文地质知识及学习、掌握地源热泵系统的相关知识，如：地下换热器的换热特性、地源热泵机组的技术性能等。

    对地下水地源热泵系统来说选择的原则是：水量充足、水温适度、水质适宜、供水稳定，并且不能诱发地质灾害。而要满足这些原则性的要求就必须委托具有相应资质的地质勘探部门依据国家的相关规范进行详细的水文地质勘察、水文地质试验、抽水回灌试验，根据试验数据与地质勘探技术人员共同商量确定热源井的设计和场地井位布置，并由地质勘探部门出具热源井设计图纸。取水量较大或重要工程还应进行专项地质灾害评估，并应按照各地的地下水管理办法进行取水申报和取得取水许可证。

    地埋管地源热泵系统同样需要对工程场地内岩土体地质条件进行详细勘察，设计人员应根据项目使用要求和空调负荷特性提出勘探孔的勘察方案或勘察要求，了解和掌握勘探孔的地质构造和地质分层，并委托具有相应资质的单位进行现场热响应试验，根据勘察资料和试验数据与具有相应资质及类似工程业绩的施工单位商量确定施工方案和场地布管方案。为保证地源热泵系统的长期稳定运行，应进行最少一年的地埋管全年动态负荷计算，并应根据计算结果通过采取相应的复合式地源热泵系统使其夏季排热量与冬季取热量大体平衡。工程建设中各方应高度重视地源热泵系统的技术复杂性和交叉施工带来的施工难度，应由施工方进行详尽的施工组织设计，确保施工过程的每个环节都能按照规范得以有效控制。

    只有暖通设计人员和地质勘探技术人员的密切配合才能保证地源热泵系统设计科学合理、完善可靠，只有地源热泵系统建设各方的共同努力才能确保工程建设的总体质量和实现地源热泵系统的节能高效运行，使地源热泵系统节能、环保、可再生能源利用的特性得到充分发挥，产生较大的节能环保效益和社会经济效益。
 
    《地源热泵》：近几年来地源热泵行业发展迅速，你认为目前市场的规范程度如何。从项目立项、勘察、设计、施工、监理，到之后系统运行的监管，是否还需要进一步的完善。

    陈焰华：近几年地源热泵市场在国家政策和地方政府支持下，规模急剧扩大，发展速度很快，大量设备制造企业和工程承包商都急速涌入这个市场，水平和能力参差不齐，使得部分工程项目的建设质量得不到有效保障，大大损害了地源热泵技术的声誉，影响了地源热泵市场的良性发展。这其中很重要的原因是，在快速发展的市场面前，各方面的技术准备和人才储备都完全不足。从技术体系方面来说，缺少成套的技术指导体系，如规范、标准、通用图集、施工工法等，各地缺少相应的技术支撑能力，相关从业人员未能得到系统规范的技术培训；从建设管理方面来说，因为地源热泵系统牵涉到多专业、多学科，需要协同设计、交叉施工，目前的建设管理程序存在管理盲区，而市场监管机制又不同程度缺失；从市场推广方面来说，没有建立相应的市场准入制度，产品认证制度，责任监管和产品淘汰制度，市场规范程度还远远不能满足可持续发展的需要。

    随着各级政府的重视、监管机制的建立、技术的发展和市场的优胜劣汰，地源热泵市场的规范程度正在大大改善。但地源热泵技术在我国的发展毕竟刚刚起步，而且地源热泵系统是一个涉及到多专业、多学科、跨行业、跨领域，需要资源评价、研发、勘察、设计、施工、监理、运行监管、系统维护、能效测评等各环节密切配合协同的技术较为复杂的系统工程，因此要保证地源热泵市场的真正健康发展，还需要各方共同努力，任重而道远。

    主要应加强以下几方面的工作：

    1、科学评估，适度发展

    应对当地的浅层地能进行全面系统的调查和资源评估，查明浅层地能分布特点和赋存条件，估算可利用资源量，划定开发适宜区和适宜不同地源热泵技术利用方式（地下水、地埋管）的区域，提出合理的开发利用规模，并建设地下温度场动态监测网。

    2、统一规划，合理布局

    为充分发挥各种供热、供冷技术的优势，发挥综合效益，应将地源热泵技术的发展纳入到各地集中供热、供冷工程总体规划，统一布局，有机结合，互相补充。根据当地经济社会发展总体规划和资源储藏及资源评估，制定地源热泵技术发展专项规划，并提出地源热泵技术发展的方针和指导意见。

    
    3、严格审批，规范管理

    严格按照国家、地方的相关法律法规对地源热泵项目实施申报审批制度，依法办事、按章管理。同时加强对地源热泵系统资源评价、勘察、设计、施工、监理、验收、运行监管、系统维护、能效测评等各个环节的审查和监督管理工作。参与地源热泵工程的企业应具备相应的从业资质，参与地源热泵工程的从业人员应进行全面系统的技术培训并持证上岗。

    4、强化质量，考核结果

    政府相关管理部门应加强对地源热泵应用项目的质量管理，应建立项目评估机制，并对应用项目进行能效测评，以考核的结果来强化各实施环节的有效控制。应加强对地源热泵相关产品、设备的质量监督，强化市场准入，建立相关应用产品、设备的认证标识体系，加大对产品、设备性能的检测力度，确保产品质量。

    《地源热泵》：目前有部分水源热泵或地源热泵项目实际运行后并未能达到预期的节能降耗效果，请您分析一下其中的原因以及如何避免出现这样的问题。

    陈焰华：部分水源热泵或地源热泵项目实际运行节能效果不佳的原因涉及多方面因素，除了应充分研究建设项目的使用功能、负荷特点并与当地的气候、水文地质条件相结合选取合适的地源热泵系统形式外，还要充分重视建设项目勘察、设计、施工、监理和运行管理等各个相关环节。

    对于地下水地源热泵系统，只有具有水量充足、水温适度、水质适宜、供水稳定的地下水资源才能够保证地源热泵系统长期稳定和节能高效运行。因而，首先要确保地下水资源勘察数据和水文地质试验数据的准确及可靠性，虚假失实的数据只可能导致工程的失败；根据准确、可靠的试验数据结合工程场地条件及以往工程经验科学确定取水井、回灌井的数量及井位的合理布局，取水井、回灌井的数量既要保证实现100%回灌，又要尽量减少井的数量，降低工程造价；取水井、回灌井施工时必须严格按照国家相关的施工验收规范进行，施工监理必须严格按照规范和成井工艺监管到位，确保成井质量，成井工艺不到位，成井质量不过关是大多数水源热泵系统失败的关键因素；取水井、回灌井使用过程中，应定期进行保养和洗井，既可保证取水井、回灌井的正常使用，又能够提高热源井的使用寿命；合理选择水源热泵系统地下水的利用温差，在提供满足水源热泵机组高效运行的地下水取水量的前提下，尽量选择较大的地下水利用温差，减少水输送系统的能耗；合理选择水源热泵系统地下水的利用方式，在地下水水质不能保证水源热泵机组正常运行的情况下，应选择间接式系统。

    对于地埋管地源热泵系统，首先应在全面掌握地质勘察和热响应试验资料的基础上，根据对建筑物使用功能和负荷特性的预测分析，选择合适的埋管形式和地下换热器布置方案，应尽量利用工程场地条件分区域进行地下换热器布置，以有利于地下换热器与岩土体的热交换，冷热负荷相差较大或埋管区域过于集中都不利于地下换热器与岩土体的热交换。其次应确保地下换热器的施工质量，并有有效的手段来控制和调节地下换热器各区域的换热能力，一方面使各区域地下换热器的换热能力得到最大程度的发挥，另一方面在部分负荷情况下应通过运行控制策略的优化使地源热泵系统仍然能够节能高效运行，很多工程在实际运行过程中都没有制定相应的运行控制策略，运行工况不合理，致使系统运行能耗偏高。 “岩土体热平衡”也是影响地埋管地源热泵系统节能高效运行的突出问题，小型地埋管地源热泵系统影响相对较小，但对大中型地埋管地源热泵系统来说影响则相对较大，应通过采取复合式地源热泵系统设计来实现地埋管区域常年排热量和吸热量的基本平衡，否则轻者影响地源热泵系统的运行节能效果，重者会导致系统完全失效。

    《地源热泵》：请介绍一下您完成的具有代表性的典型工程。

    陈焰华：这里介绍我们设计的两个较好地使地源热泵系统技术特性得到发挥的典型地源热泵工程，一个是采用地下水地源热泵+水蓄冷蓄热技术的武汉正远铁路电气有限公司研发中心，一个是采用地埋管地源热泵+冰蓄冷+低温送风技术的湖北省图书馆新馆。

    武汉正远铁路电气有限公司研发中心建筑面积约为6.9万m2，空调面积约为5. 6万m2。其中，1号楼空调面积为3.6万m2，1～3层为生产车间，空调面积为2.1万m2；4，5层为酒店，空调面积为1.5万m2。2号楼为办公、餐饮综合楼，3号楼为生产车间。该项目空调系统一次设计，分两期实施，一期为2、3号楼，空调面积为2万m2，二期为1号楼。该项目使用功能较多，既有生产车间、办公用房，又有酒店、餐饮。

    在认真分析本项目使用要求、负荷特性的基础上，经技术经济比较和运行工况模拟，确定采用水源热泵+水蓄冷（热）系统。采用水蓄冷（热）系统，空调装机容量可以大幅减小(同时相应减少了地下水用量)，同时可利用分时电价优惠政策降低运行费用，并且能充分发挥水源热泵机组既能制冷又能供热的技术特性。系统蓄冷量为20900 kWh，蓄冷水池容积为2100 m3；系统蓄热量为14950 kWh，蓄热水池容积为900 m3。夏季利用消防水池（450 m3）、蓄冷水池（750 m3）、蓄冷蓄热水池（900 m3）进行蓄冷，蓄冷运行温度为4 ℃/13 ℃，负荷侧供回水温度为8 ℃/14 ℃；冬季利用蓄冷蓄热水池（900 m3）进行蓄热，蓄热运行温度为60 ℃/45 ℃，负荷侧供回水温度为53 ℃/43 ℃。

    该项目一期已建成运行一年，夏季运行时，夜间24:00到早晨7:30，开启主机利用蓄（冷）水池进行蓄冷，白天7:45到夜间22:00空调系统所需要的冷量均由蓄（冷）水池放出，电力平价和高峰时段主机系统完全不需要开启。冬季运行时，情况同夏季基本类似。该系统目前每天空调运行费用为800元左右，约为普通空调系统运行费用的1/3。特别需要指出的是，冬季利用水源热泵系统蓄热（系统能效比约为2.5-3）其能源利用效率要远远高于电锅炉蓄热系统（考虑电锅炉热效率和蓄热装置的利用效率，电锅炉蓄热系统的能效比约为0.85），更加符合国家能源利用政策，水源热泵系统的技术特性也得到了更加充分有效的发挥。

    湖北省图书馆新馆位于沙湖余家湖村，地下两层，地上八层，总建筑面积为100523㎡，建筑高度41.4m，设阅览坐席6279个，藏书能力达到1000万册，日均读者接待能力超过1万人次。作为湖北省“十一五”期间文化建设的重点工程，它将建设成为中西部地区领先乃至全国一流的现代化图书馆。

    该项目集中空调系统采用地埋管地源热泵+冰蓄冷+低温送风系统相结合的方式，夏季空调设计日总冷负荷为7822kW，总热负荷为4650kW，采用冰蓄冷系统后，主机空调工况总制冷量为5330kW，有效降低了主机的装机容量，减少了地埋管换热器的埋管数量，控制了工程造价。同时夜间制冰工况运行时开启冷却塔，既充分利用夜间的低温冷却资源，又能够平衡部分地埋管换热器冬夏季的吸放热量，并节省系统运行费用，可有效地保证地源热泵系统长年高效运行。该项目利用地源热泵机组的冷凝热还进行了部分热回收设计，以解决培训中心的生活热水供应。另外，该项目每层面积较大，存在明显的内外区，采用地源热泵系统可同时制热和制冷，既充分发挥了地源热泵的技术特性，节能效果明显，又能有效提高室内舒适度。人员密集场所室内采用低温送风系统，在节省运行费用的同时，可有效降低室内的相对湿度，提高热舒适性，这对高温高湿的武汉地区意义较大；低温送风系统同时减少了空调风管尺寸，提高了吊顶高度，而空气处理机组的风量也明显减少，节省设备用房面积，更有利于控制空调风系统的噪声，为公共图书馆提供更为安静舒适的阅览空间。

    通过以上两个典型地源热泵空调工程的介绍可以看出，地源热泵系统既能制热又能制冷，并且能够达到较高的系统运行效率，减少了化石能源的使用，降低了对环境的影响，在对当地气候条件和资源储藏状况充分了解的情况下，基于对建设项目使用功能和负荷特点的科学预测和分析，选取合适的地源热泵系统形式，并结合当地能源价格进行合理的空调系统配置，是能够充分有效地发挥地源热泵系统的技术特性，一定会使其产生较大的节能、环保、可再生能源利用综合效益。

    专家简介：陈焰华，男，1963年11月生，1983年毕业于湖南大学供热通风与空调专业。现为武汉市建筑设计院副总工程师兼机电设计院院长、中信建筑科学研究院院长、教授级高级工程师、国家注册公用设备工程师。中国制冷学会空调热泵专业委员会委员，住房和城乡建设部绿色建筑评价标识专家委员会专家，湖北省制冷学会副理事长，湖北省暨武汉市土木建筑学会常务理事，湖北省暨武汉市土木建筑学会地源热泵专业委员会主任委员，湖北省暨武汉市土木建筑学会暖通空调专业委员会副主任委员。2004年获武汉市有突出贡献中青年专家称号，2008年享受国务院政府特殊津贴，2010年在“首届中国地源热泵行业评优活动”中荣膺“中国地源热泵行业技术推动人物”称号。

    多次荣获部、省级优秀设计奖，科研成果获全国绿色建筑创新奖三等奖1项，湖北省科技进步三等奖2项，武汉市科技进步二等奖2项、三等奖1项。参编国家标准5项，省市地方标准5项。在专业学术刊物和国家、省级学术会议上发表学术论文三十余篇。编著专著2部，主编3部，参编1部。

 
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