江苏省地源热泵空调技术应用与发展
摘要介绍江苏省气候与浅层地热资源条件、分析该地区建筑空调冷热负荷特征，介绍总结江苏地区地源热泵空调技术应用与发展情况与典型案例，指出解决冬季供热问题为主与保持地源热泵系统低温热源体热平衡应是以江苏为代表的夏热冬冷地区地源热泵应用的技术路线。指出发展地源技术是推进江苏等夏热冬冷地区建筑节能工作的有效技术方法。提出了政策建议，以促进地表水、浅层地下水热资源的开发利用。
一、概述江苏省位于长江、淮河下游,黄海之滨，辖区面积10万多平方千米，拥有6700多万人口，是我国经济最发达的省之一。按照《全国建筑热工设计分区图》，我省北部的连云港、徐州等地区属于寒冷地区，最冷月平均温度0～-10℃，极端低温为22.6度，日平均温度小于5℃的天数多于90天。盐城、扬州、泰州、南通及南京等苏南地区属于夏热冬冷地区，最热月平均温度为25～30℃，极端高温为40.7度，夏季需要降温，冬季最冷月平均气温0～10℃，日平均气温小于5℃的天数接近90天，如南京为83天，南通为71天，武进为83天。江苏地区冬夏两季没有供暖或空调措施的建筑室内热环境比较恶劣。随着经济的高速发展，人民生活水平的提高，改善办公环境和居住环境成为可能。江苏近年来兴建的公共建筑大都设有空调设施，夏季供冷，冬季供热。城镇住宅空调普及率超过95%，一些高档住宅还设置了集中空调或采暖设施。采暖空调的普及使得采暖空调能耗占建筑能耗的比例超过了50%。近几年，江苏省市建设发展迅猛，每年开发建设的建筑面积近亿平方米，其中住宅建筑占80%左右，公共建筑与工业建筑占20%左右。建筑总量的高速增加，提高了建筑能耗总量及其在社会能耗总量中的比例(已达30%左右)，建筑节能工作的压力很大。江苏地区的气候特点、资源条件、经济发展水平与其他地区有明显的不同，江苏的建筑江苏的建筑节能技术路线应该不同于严寒或寒冷地区的北方，也不同于夏热冬暖地区的南方。北方的建筑节能主要考虑采暖与保温，南方的建筑节能主要考虑供冷与隔热，江苏地区既要考虑供冷与隔热，又要考虑采暖与保温，力求取得全年综合节能效益。
二、负荷特点与资源条件江苏地区(夏热冬冷地区)一般性民用建筑均存在夏季冷负荷与冬季热负荷。以南京为例，室外空气温度低于或等于10℃的时间有2500小时左右，4个月份的平均气温不超过10℃，需要供暖的时间长达3～4个月，可以考虑100天左右的供热期。对于人员密集场所的公共建筑，如商场、影剧院等，由于人员、设备、照明等发热量较大，冬季供暖时间较短，个别场所冬季还需要供冷。夏热冬冷地区夏季炎热，共有近3500小时室外气温超过20℃，超过4个月的时间室外平均气温高于20℃，一般民用建筑有4个多月需要供冷(可考虑120供冷期)，人员密集场所供冷时间更长，达6个月左右。对于住宅建筑，冬季空调设计的负荷约为夏季设计计算冷负荷的70～90%，办公建筑冬季空调设计计算热负荷约为夏季设计计算冷负荷的50-75%左右，商场等人员与照明负荷较大的场所，冬季设计计算热负荷约为夏季设计计算冷负荷的25～30%。建筑物空调设计计算冷热负荷及全年所需热量与冷量是确定空调方案与节能技术措施的基础。
气候与建筑空调负荷特点决定了江苏省在节能50%基础上，进一步提高建筑节能率的主要潜力在于可再生能源的开发利用。江苏有着较长的海岸线，江苏的地质条件适合土壤源热泵技术的应用，江苏省有着较丰富的地表水资源(长江水体)与地下水资源，江苏太阳能资源也比较丰富，江苏城市化发展水平较高，城市污水处理设施集中，规模较大，便于污水资源的热利用，江苏还具有生物质能开发利用的良好条件。这些可再生能源资源中，比较容易而直接用于空调的有海水低温热源、土壤低温热源、地下水低温热源、地表水低温热源与城市污水低温热源。其中海水源热泵技术的应用局限于沿海城市(连云港等)，城市污水低温热源的规模化利用局限于2-3公里距离内建筑，其利用尚受到环保部门的部分制约。江苏地表水面广量大，夏季最高水温在28-31℃，冬季最低温度在4-8℃，有相当的热利用价值，但许多水体的利用受到水资源管理部门的监管，包括收取水资源费。另外由于一些水体冬季极端条件下温度较低，不能满足冬季全部热负荷需求，地表水资源的利用受到一定的制约。江苏地区有丰富地下水，但由于苏南地区地面沉降现象一度较为明显，地方政府较早颁布了限制地下水开采的地方法规。苏北及苏南长江附近地区，一些地方政府有条件允许地下水开采，但有关部门收取的水资源费相当高。江苏地区浅表地层含水率较高(15%左右)，单位地埋管换热器换热量较大，浅表地层地热利用的环境风险低。就目前的条件，浅表地层地热资源的开发利用最有条件。按现有的地源热泵技术，每平米土壤层的释热能力可达200W左右，每平米土壤层的取热能力可达140W左右，可见浅表地层地热资源量巨大。
江苏各城市基本取消了燃煤锅炉，除了个别城市有热电联产等方式集中供热外，一般的城市空调、供热可选能源方式只有天然气、柴油与电。目前商业用天然气价格一般在3元/m3左右，0号柴油价格为5元/升左右,电价在0.85元/kWh左右，换算为kWh,热量价格，天然气直接供热的能源成本约为0.35元/kW?h，柴油供热的成本约0.51元/kWh。可见采用传统供热方式，电加热供热成本约为天然气成本的2.4倍，为燃油的1.7倍，如采用低谷电价计算，则电加热与天然气供热的成本价格相当。可见，一般情况下用电直接供热不仅不节能，而且不经济。由于热源热泵空调供热系统的能效比可达3-5，采用地源热泵供热能源成本可降至0.30元/kWh～0.19元/kWh，相当于电热成本的22～35%，节能65～78%左右，相当于燃气成本的55～85%，节能40%左面。夏热冬季地区也可考虑采用空气源热泵供热技术，空气源热泵夏季制冷系数为3左右，冬季供热性能受气候影响明显，大部分冬季供热时间需要间隙化霜，其冬季平均能效比为2左右，低温、下雪等条件下，空气源热泵供热效果较差。由于低温热源环境的改善，地源热泵机组制冷系数比空气热泵高35%左右，制热能效比高出50%左右，全年节能40%左右。可见江苏地区推广地源热泵技术是解决冬季供热问题的有效技术路线，即可满足日益增长的供热需求，又可节省能源，减少CO2等排放，改善和保护区域与整体的大气环境。另外，近年全省冬季天然气可供应量严重短缺，供需矛盾相当严峻，因此，地源热泵技术又可缓解天然气供应矛盾，提高城市能源供应的安全性。
三、地源热泵应用地源热泵系统是指以岩土体、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。
根据热源体的性质，地源热泵系统可以分为地埋管地源热泵系统、地下水地源源热泵系统与地表水地源热泵系统。
地埋管地源热泵系统根据地埋管换热器布置方式不同分为水平埋管式与垂直埋管式，地埋管换热器根据换热单元不同又可分为单U型换热器、双U型换热器、W型换热器等。
地下水地源源热泵系统根据地下水取回水方式不同分为单井循环方式与双井(多井)循环方式。
地表水地源热泵系统根据地表水换热系统形式不同，分为开式地表水地源热泵系统与闭式地表水地源热泵系统。
海水源热泵系统与污水源热泵系统有的分类方法将其并列于地源热泵独立分类，但将其归属在地表水地源热泵范畴内会便于表述、简化分类，这样地表水地源热泵系统可以分为地表淡水源热泵系统、海水源热泵系统与污水源热泵系统。
江苏省地源热泵空调技术应用起步较晚，发展很快。财政部建设部首批可再生能源示范项目中没有江苏地区的项目，第二批二个、第三、第四批江苏均有八个项目被列为国家再生能源示范项目。前后得到了国家约2.5亿元的专项财政资助经费。2008年起，江苏财政每年拿出一亿元人民币作为建筑节能专项资金，2008年获得省财政专项资金资助的可再生能源建筑应用项目达32项，2009年江苏各地申请省建筑节能专项资金资助的项目达387项，入围的有199项，其中大部分为可再生能源建筑应用项目，地源热泵应用项目占了大部分。
据统计，南京市目前设计、计划采用土壤源热泵的项目达35项，项目总建筑面积达140多万平方米，南京在建的鼓楼软件园江水源热泵区域供冷供热项目规划服务园区建筑面积达200多万平方米，无锡正在规划与部分在建的新区湖水源与污水源热泵区域能源站规划服务建筑面积达350万平方米。江苏目前有五个城市正在积极申报全国可再生能源建筑应用示范城市。
江苏省地源热泵技术应用具体形式包括土壤源(地埋管)地源热泵系统，如南京朗诗?国际街区、南京锋尚国际公寓等项目，地下水地源热泵项目如盱眙新四州国际大酒店等，海水源热泵项目有连云港金蛤岛温泉度假村等，无水源热泵项目有南通新城住宅小区等，江水源热泵项目有南京鼓楼高科技产业园区区域供冷供热项目等，闭式湖水源热泵有南京工程学院逸夫图书信息中心等，开式湖水源热泵有南京工业大学新校区图书馆等，土壤源热泵复合冷却塔冷却的项目有宿迁海关大楼等、土壤源复合地表水源(闭式)热泵及冷却塔冷却的项目有盐城工学院新校区图书馆等、土壤源复合地表水源(开式)热泵的项目有扬州“阳光美第”住宅小区等项目。各种形式地源热泵的应用，为江苏建筑节能与减排目标的实现做出了贡献，也积累了不少经验与教训。
四、典型案例1、南京朗诗国际街区
项目主要特点：采用地埋管地源热泵系统，末端系统采用楼板埋管天面辐射空调加独立新风系统，住宅集中排风、集中送新风，排风能量回收，房间底部低速送新风，上部排风，形成良好的气流组织效果。楼板辐射盘管水系统与新风机组水系统独立，楼板辐射盘管水系统夏季制冷工况供回水温度分别为18℃、20℃，冬季供暖工况供回水温度分别为28℃、26℃。新风机组水系统夏季制冷工况供回水温度分别为7℃、12℃，冬季供暖工况供回水温度分别为35℃、30℃。可实现温湿度独立控制。建筑超低能耗围护结构系统(聚苯乙烯保温体系、双层Low-E中空玻璃隔热技术、卷帘遮掩技术等)为上述空调末端形式及舒适空调效果的实现创造了条件。项目达到了高舒适、低能耗的预期，得到了市场的认可，创造了房地产市场的一个奇迹，取得了社会效益与商业效益的双丰收。类似项目在全国多个城市推开。
2、 南京工程学院逸夫图书信息中心
南京工程学院逸夫图书信息中心建筑面积3.8万平方米，夏季空调设计计算冷负荷6120kW，冬季空调设计计算热负荷3860kW。离图书信息中心约200米处，为被列入湖鸟生态自然保护区的天印湖。天印湖主湖区湖面面积约300亩，湖水最深处为10至12米，夏季平均蓄水深度约4米，冬季平均蓄水深度约3米，蓄水量约5万立方米。结合得天独厚的可再生能源资源条件，采用闭式地表水地源热泵空调系统方案，并通过空调系统与围护系统多项节能技术的综合应用，使建筑能耗明显降低，实现建筑节能率大于65%的目标。项目选用三台水源热泵机组，每台机组设计工况制冷量为1658kW，输入功率238kW，设计工况制热量1600kW，输入功率420kW。换热器单元结合湖床条件采用多种形式，以U形展开式为主,每20个单元为一组,系统由四个独立地表水换热器回路组成,其中两个回路分别有7个换热器单元组, 另外两个回路分别有8个换热器单元组,连接换热器单元组的集管采用同程方式连接。每个换热器单元夏季设计工况设计接近温度为5℃,换热量为9.6kW(2.73RT),管内流速为0.86m/s,阻力为80kPa.最远换热器单元距离机房约800米,系统设流量为330m3/h,扬程为35mH2O的变频水泵三台。 项目实施过程中进行了大量科学实验与研究工作，积累了闭式地表水换热系统的大量数据，为项目的顺利实施提供了保证，为类似工程积累了经验。
3、盐城工学院新校区图书馆
盐城工学院新校区图书馆建筑面积约3.3万平方米，环绕图书馆有一条天然光荣河和一条人工河湖，分别从图书馆东北侧和西北侧流向南侧汇成一条。湖面宽度在6-40m不等，可利用湖水面积约为17840m2，水深4m，蓄水体积71360立方米。另外，图书馆建筑容积率较低，周边有较大面积的绿地，有良好的地热能利用条件。为了充分利用图书馆建筑独特的可再生能源资源环境条件并结合当地气候条件、经济条件与建筑空调负荷特点等，采用地埋管地源热泵与地表水(湖水)地源热泵相结合的复合地源热泵空调形式，以应地制宜、充分、合理、经济地利用可再生能源资源，最大限度节能、节水。项目换热系统设计原则为：以地埋管换热器为主、地表水(湖水)换热器为辅，提供建筑冬季所需热能，夏季利用地埋管换热系统、地表水(湖水)换热系统一起排出空调系统的热量，地表水(湖水)换热系统同时起到平衡地下排热与取热、保持地温稳定的作用，同时也有效提高系统的安全性、减少系统造价。盐城工程学院图书信息中心项目总投资约14000万元，其中复合地源热泵空调系统系统部分约1700万元。采用复合地源热泵空调系统总投资将比常规(空气源热泵)系统增加 370 万元。项目节能30-40%，每年节省直接运行费用77.2万人民币，约5年收回增量投资。
4、南京鼓楼高科技产业园区区域供冷供热项目
南京鼓楼高新技术产业园区区域供冷供热项目服务于南京鼓楼高新技术产业园区，采用长江水源热泵空调方式，夏季利用长江水冷却，冬季利用长江水低品位热能供热，满足园区内建筑的空调、供热系统的冷源与热源需求。该园区区域供冷供热项目总供冷(热)规模初步设计达到155MW(约4.4万冷吨)，可以满足开发区内占地约1700余亩的软件园区、综合研发区、SOHO(居家办公)区、研发配套服务区、居住区等总计232万平方米建筑面积中超过196万平方米空调面积的用冷(热)需要。园区区域供冷供热项目总投资规模约为4.0亿元，建设周期计划为八年，即二零零七年十一月至二零一五年十一月。整个项目根据园区的建设布局与建设进度，分设两个能源中心，分两期建成。其中一期工程，即第一能源中心，建设周期为二年，即二零零七年十一月至二零零九年十一月。一期能源中心为地下建筑，建筑面积为5000平方米。一期能源中心的设计供冷能力约为24500RT，供热能力为43MW。经测算，本项目较常规空调系统综合节能幅度达25%。每年至少可以减少5400余吨CO2排放，NO2以及SO2等污染物的排放量也相应减少。每年将减少冷却塔中的蒸发和漂水损失共49万吨；流动的江水带走了空调排放的废热，有利于缓解中心城区因空调废热积聚引起的城市热岛效应；江水经过滤处理后向内河排放，可促进水体循环和水质改善，提高了内河的自净化能力。取得节能环保与经济的综合效益。
五、结语1、江苏省的气候、资源经济条件，适合推广应用地源热泵空调供热技术。
2、江苏省应优先发展土壤源热泵技术，有条件区域鼓励采用地表水(含淡水、海水、污水)地源热泵技术与复合地源热泵技术。
3、基于提高资源利用效率与提高项目的经济性和可靠性，一般情况下，江苏等夏热冬冷地区应采取“满足冬季制热要求为主，采用复合冷源满足夏季制冷要求，落实地源侧热平衡措施”的地源热泵技术路线。
4、有关政府部门应协调一致，解决地表水热利用的资源收费问题，以改善地表水热利用的政策环境。
5、加强浅层地下水资源的水文地质勘测、评估与研究，细分浅层地表水类型，明确可利用地下水资源分布，在不污染保护水源、不影响地质安全的前提下，可以有条件鼓励浅层地下水热开发利用。制定严格而又合理可行的法规，该放的放，该管的要管好。对于没有水质污染，没有环境与地质风险的地区，应取消水资源费。为浅层地下水资源的热利用提供良好的条件。
江苏地区有着丰富的地热资源与地表水资源，地源热泵技术大有可为。为培育持续稳定增长的可再生能源市场，促进地源热泵空调供热技术进步和产业发展，我们还有很多工作要做，包括建立与完善不同地表水体低温热能利用、不同地区地下水低温热源利用的法规，进一步加强地表水换热器研究与开发、开式地表水处理方法、地下水回灌技术、地埋管换热系统、特别是大型地埋管换热系统换热特性与地温变化规律、地源热泵系统地温热源体热平衡特性、地源热泵系统综合评估决策方法、地源热泵系统施工工艺与技术规程等一系列课题的研究工作，包括进一步加快地源热泵系统知识与技术的普及工作等。地源热泵技术的推广应用一定要遵循“实事求是，因地制宜，节能高效，经济合理”的原则。因地制宜开发利用地热资源，科学稳步推广地源热泵技术将为江苏等夏热冬冷地区将建筑节能提升到新的高度作出更大贡献。
