1 緒論
　　1.1 北京地區(qū)地?zé)崂矛F(xiàn)狀
　　地?zé)崾且环N在合理利用條件下可再生的清潔能源。北京地?zé)豳Y源分布范圍較廣，位于近城區(qū)的地?zé)崽镉?個，分別是：城區(qū)南、北熱田、沙河熱田、后沙峪熱田、天竺熱田，總面積達776km2，地?zé)崴昕刹蓛α?400萬m3。地?zé)岢室?guī)模的開發(fā)自20世紀70年代開始，并由1998年以前的年均鉆鑿地?zé)峋?眼，猛增到1999年以來的年均鉆鑿地?zé)峋?0眼以上。

　　1999年底以前，北京市地?zé)峋挠猛竞烷_采量比例統(tǒng)計見下表：

用途	洗浴	供暖	種植	養(yǎng)殖	醫(yī)療	旅游	礦泉水
井數(shù)（眼）	82	16	7	9	4	5	1
占在用井的比例（%）	60	12	5	9	4	5	3
開采量占全部開采量的比例（%）	37.8	32.5	4.7	14.8	2.6	5.7	2.4

　　就地?zé)峁┡?，利用地?zé)峋?6眼，年開采地?zé)崴?86萬立方米，占全市年地?zé)崴_采量的三分之一，而供暖面積僅為58萬平方米。雖然用于供暖的地?zé)崴伎傞_采量的比例較大，但用戶范圍和采暖面積均較小，地?zé)嶙鳛榍鍧?、環(huán)保新能源的經(jīng)濟及社會效益都不明顯。究其原因，是由地?zé)岵膳睦梅绞铰浜笤斐傻摹?999年之前，地?zé)岵膳睦梅绞街挥幸环N，即直供直排方式（圖1）。地?zé)崴畯牡叵氯〕龊螅苯舆M入建筑物用戶室內(nèi)散熱器，為保證供暖效果，即使在增加室內(nèi)暖氣片數(shù)量的基礎(chǔ)上，地?zé)嵛菜疁囟纫膊荒艿陀?0℃，地?zé)崴疅崮芾寐蕵O低。
 

　　如按近城區(qū)地?zé)崽镉写硇缘牡責(zé)峋畢?shù)：水溫55℃，水量40m3/h計，直接供暖地?zé)嵛菜疁囟葹?0℃。

(1)、Q：地?zé)崴崃?kw)；Q＝1.163m△t

m：地?zé)峋盟?m3/h)；

△t：供熱過程供回水溫差（℃）；55-40=15℃

計算Q=698kw

(2)、供暖面積：

η：管線損失系數(shù)，取1.05

qF：單位面積熱指標，參照北京地區(qū)不同建筑物的采暖指標，連續(xù)供暖取50w/m2。

計算s=1.33萬m2

　　這一面積很難滿足一般規(guī)模住宅小區(qū)的供暖需求。較低的地?zé)崂寐逝c較高的初期鉆井工程投，加上地?zé)崴畬κ覂?nèi)管道及散熱器片有一定的腐蝕、結(jié)垢作用，更換管道及散熱器片涉及千家萬戶，平時維修的工作量也較大。以上因素影響了地?zé)峁┡到y(tǒng)在用戶中的推廣。實際上，1999年之前北京城區(qū)的地?zé)峁┡脩舳酁?0世紀八十年代初期形成的，以后在供暖方面就少有發(fā)展了。

 　　1.2 利用地?zé)岵膳谴髿馕廴局卫淼挠行緩?BR>　　而北京地區(qū)，在1999年之前，冬季由于燃煤取暖造成的大氣污染問題是相當突出的，1998年采暖期的統(tǒng)計結(jié)果與國家二級質(zhì)量標準對比結(jié)果見下表：

污染物	國家二級質(zhì)量標準年平均（μg/m3）	1998年采暖期實測年平均（μg/m3）	實測與標準比超標倍數(shù)（倍）
SO2	60	252	4.2
TSP	200	431	2.16
NOX	50	201	4.02

 

　　為盡快改善大氣污染的狀況，市政府頒發(fā)了京政辦[1999]66號《北京市控制大氣污染第三階段目標和措施》的通知，對北京市的大氣污染治理明確了階段性的治理目標，大氣污染的治理呼喚新能源。

　　社會的需求與地?zé)崂矛F(xiàn)狀的極不平衡，給從事地?zé)峥碧?、地?zé)峋┕さ牡刭|(zhì)勘探部門提出了新的任務(wù)。1999年，以北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院為依托的華清集團承擔(dān)了北京市政府下達的地?zé)峁┡尚行匝芯考敖⑹痉豆こ倘蝿?wù)，也標志著華清集團正式進入熱泵開發(fā)研究市場。集團成立了課題攻關(guān)小組，會同有關(guān)專家，對地?zé)岬奶菁壚煤偷責(zé)嵛菜臒崮芑厥照归_了深入研究。

　　2 地?zé)嵛菜臒崮芑厥辗绞?BR>　　地?zé)峋你@井成本較高，地?zé)崴唤?jīng)采出后，應(yīng)盡可能的提高其熱能利用率，做到物盡其用。課題小組結(jié)合當時國內(nèi)剛剛引進的水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)，將其與地?zé)峁┡嘟Y(jié)合，進行了細致的工作和大膽的嘗試，終于在回收地?zé)嵛菜疅崮苌先〉猛黄?，使同一口地?zé)峋牟膳娣e增加了2~3倍，采暖初投資減低了近一倍。

　　2.1水源熱泵系統(tǒng)的原理
　　水源熱泵系統(tǒng)是一個可以將低溫?zé)崮芴嵘秊楦邷責(zé)崮艿募上到y(tǒng)。利用逆卡諾原理，熱泵工質(zhì)（以R22為例）在蒸發(fā)器中由低壓濕蒸汽變成低壓氣體（簡稱工質(zhì)蒸發(fā)），工質(zhì)蒸發(fā)溫度在0℃左右，蒸發(fā)過程中，通過換熱器吸收地?zé)嵛菜械臒崃浚粩y帶能量的熱泵工質(zhì)氣體，經(jīng)壓縮機的抽吸、壓縮作用（驅(qū)動電能作功），以高溫高壓過飽和氣體進入冷凝器內(nèi)；在冷凝器內(nèi)液化為常溫高壓液體，并釋放攜帶的熱量（簡稱工質(zhì)冷凝），工質(zhì)冷凝溫度在68℃左右，冷凝過程中熱能通過換熱器傳遞給建筑物供暖系統(tǒng)循環(huán)水；工質(zhì)經(jīng)過膨脹閥降壓節(jié)流后，又變成低壓濕蒸汽進入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán)。如此周而復(fù)始，不斷的將地?zé)嵛菜械哪芰堪徇\、轉(zhuǎn)移到需用的建筑物內(nèi)。地?zé)嵛菜伤礋岜孟到y(tǒng)回收熱能后，由直接供暖后地?zé)嵛菜疁囟?0℃，最低可將低至10℃左右。

　　2.2 水源熱泵熱能回收系統(tǒng)的理論解析
　　仍以城區(qū)地?zé)崽锏挠写硇缘牡責(zé)峋疄槔?/P>

　　直接供暖，地?zé)崴晒┧疁囟?5℃降至40℃，直接利用地?zé)釡囟葹?5℃。采用水源熱泵系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上可將地?zé)嵛菜抵?0℃，多利用地?zé)崴疁囟?0℃，提取的地?zé)崮茉黾恿?倍（地?zé)崴菁壚眉八礋岜脽崮芑厥障到y(tǒng)示意見圖2）。

　　(1)、地?zé)崴崃?kw)

　　由兩部分組成，地?zé)崴苯庸崃客螿1＝698kw；水源熱泵系統(tǒng)從地?zé)嵛菜形諢崮躋2’＝1.163m△t

　　△t：供回水溫差（℃）；30℃

　　計算Q2’=1396kw

　　在地?zé)嵛菜疅崮芑厥者^程中，驅(qū)動壓縮機電能作功，轉(zhuǎn)化熱能約為465kw，一般情況下COP值在4.0以上。

　　地?zé)嵛菜厥障到y(tǒng)總供熱量Q2=1396+465=1860kw;

　　地?zé)崽菁壚孟到y(tǒng)總制熱量Q=1860+698=2558kw;

　　(2)、供暖面積s的計算方案同上，計算供暖面積為5.11萬m2，是地?zé)嶂惫┟娣e1.33萬m2的3.84倍，增加供暖面積近3倍。

　　2.3 應(yīng)用事例分析
  地?zé)峁┡痉豆こ踢x定在朝陽區(qū)立水橋甲2號的北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院的辦公、家屬區(qū)內(nèi)，項目啟動于1999年8月，一期工程2000年4月完成；二期工程2001年12月份完成。

　　示范工程鉆鑿地?zé)峋畠裳?，取水井?400m，水溫70℃，日出水量3000m3；回灌井井深2890m，水溫59℃，日水量1600m3，按傳統(tǒng)工藝，地?zé)崴苯舆M用戶，地?zé)峁┡娣e不到8萬m2，采用水源熱泵系統(tǒng)回收地?zé)嵛菜疅崮?，系統(tǒng)滿負荷運行供暖面積可達到20萬m2。示范工程現(xiàn)有供暖面積3.7萬m2，為院區(qū)家屬樓、辦公樓等所有建筑物供暖，整個冬季采暖地?zé)崴骄盟?5m3/h，極大的降低了地?zé)崴昧俊?/P>

  　　示范工程工藝圖：

　　2.4 推廣應(yīng)用

　　示范工程的成功實施，對地?zé)嵩诠┡矫娴膽?yīng)用起到極大的推動作用，為使該項成果盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，服務(wù)于社會，華清集團的子公司——北京市華清地?zé)衢_發(fā)有限責(zé)任公司，于同年成立，并進行該項科技成果的市場推廣，現(xiàn)將已完成和在施工的部分項目匯總見下表：

項目名稱	建筑面積（萬m2）	項目概況	年替代燃煤量 （t標準煤）	實現(xiàn)產(chǎn)值 （萬元）
北京市立水橋地?zé)峁┡痉豆こ?/P>	3.7	1999.11~2001.12，北京市地?zé)峁┡痉俄椖?，工程分為兩期，新建地?zé)崛∷毓嗑畠裳?，地?zé)崽菁壚?，熱泵回收尾水熱能?/P>	最終規(guī)模4148	1130
華威冶金印刷廠地?zé)峁┡脑旃こ?/P>	2.18	2000.8—2000.10，對原地?zé)峁┡到y(tǒng)進行改造，改直供為間供，利用熱泵系統(tǒng)回收部分地?zé)嵛菜疅崮堋?/P>	2906	220
崇文區(qū)郭莊北里住宅樓地?zé)峁┡こ?/P>	2.8	2001.5—2001.11，新建地?zé)崛∷毓嗑畠裳?。?棟家屬樓提供供暖，地?zé)崽菁壚?，熱泵回收尾水熱能?/P>	3732	1300
北京好運物業(yè)廣渠門住宅樓供暖改造工程	2.8	2002.6—2002.10，利用臨近單位40℃的采暖地?zé)嵛菜鳛樗礋岜玫牡臀粺嵩矗捎酶邷厮礋岜脕硖峁?0/50℃的熱水，為供熱系統(tǒng)的熱源。原有供熱系統(tǒng)的末端設(shè)備維持不變。	3732	295
北苑家園六區(qū)地?zé)峁┡黄诠こ?/P>	43.6	2001.12—2003.10，新建地?zé)崛∷毓嗑偷責(zé)崽菁壚?、地?zé)嵛菜疅崮芑厥障到y(tǒng)作為供熱基礎(chǔ)負荷，小區(qū)燃氣鍋爐提供調(diào)峰負荷。在基礎(chǔ)負荷與調(diào)峰負荷之間，尋求最優(yōu)的運行費用與初投資結(jié)合點。	35547	7000
合計			50065	9945

 

　　2.5 難點解決方案
　　在設(shè)計、施工中遇到的問題及解決方案：

　　在初期的地?zé)峁┡O(shè)計時，沒有一套相對成熟可以借鑒的利用方案，沒有適宜的換熱設(shè)備，沒有適宜于熱回收的水源熱泵機組，也沒有一套可供參考的系統(tǒng)控制方案。一切可以說從零做起。

　　地?zé)嵛菜疅崮芑厥赵O(shè)備：我們根據(jù)對系統(tǒng)的理解，提出主要設(shè)計參數(shù)，與國內(nèi)著名大學(xué)合作，共同開發(fā)了國內(nèi)首臺有自主知識產(chǎn)權(quán)的普通殼管式水源熱泵機組，并于1999年冬季，結(jié)合示范工程一期項目，進行了工程試驗，取得了第一手實踐數(shù)據(jù)及較好試驗效果。

　　地?zé)嵛菜鳛榈蜏責(zé)嵩?，供熱溫度不穩(wěn)定，用戶以住宅樓為主，從而要求其蒸發(fā)器應(yīng)適應(yīng)較寬的溫度范圍、承受較高的進水溫度；冷凝器用于為建筑物供熱，則出水溫度越高越好。結(jié)合后續(xù)項目，與國內(nèi)著名制造廠家完成了普通工質(zhì)高效換熱器水源熱泵的開發(fā)，和高溫工質(zhì)高溫?zé)岜脵C組的開發(fā)，使蒸發(fā)器進水的最高耐熱溫度可達到40℃以上，完全可以用于地?zé)嵛菜r，冷凝器的出水溫度也逐步提升，由50℃到60℃，進而由60℃到70℃，水溫可以達到90℃的高溫?zé)岜靡惨呀?jīng)完成開發(fā)，并通過驗收。現(xiàn)在我們可以說：適宜于住宅樓原有供暖系統(tǒng)，僅對燃煤鍋爐熱源進行替換的條件已完全具備。

　　在自控方面我們也進行了廣泛的研究和實踐，做到：按室外溫度、建筑物實際負荷需求，按需供熱；按系統(tǒng)需求抽取地?zé)崴?；盡可能降低蒸發(fā)器進水溫度的波動，維持熱泵機組工況穩(wěn)定；地?zé)崴菁壚门c調(diào)峰負荷的自動投入，在維持低運行費用的同時，盡可能降低初期投資。

　　3 結(jié)論
　　值得欣慰的是：我們的工作為用戶解決了燃“煤”之急，提供了運行費用相對低廉的供暖熱源，使為居民提供冬季供暖服務(wù)的企業(yè)由負擔(dān)變成贏利事業(yè)，擴大了清潔能源的利用范圍，為北京市的環(huán)保事業(yè)、做出了一定的貢獻。我們的工作得到了市政府的關(guān)注和肯定。2001年冬季，原北京市市長劉淇、原北京市副市長王光濤、劉敬民到郭莊北里供暖機房視察，對地?zé)嵛菜疅崮芑厥赵倮梅桨附o予充分的認可，指出地?zé)峁┡癁楸本┦行履茉吹拈_發(fā)提供了新途徑，勉勵我們再接再厲，擴大其在北京的利用范圍。

　　同時，我們的工作已被納入北京2008年奧運建設(shè)項目，在《奧運行動規(guī)劃—能源建設(shè)和結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃》中，明確提出利用地?zé)崮芎偷責(zé)嵯冗M技術(shù)為奧運場館提供地?zé)岵膳娣e40萬m2，現(xiàn)正在進行首眼地?zé)峋目碧绞┕ず晚椖砍醪椒桨妇幹乒ぷ鳌?/P>

　　我們堅信，在采用地?zé)嵛菜疅崮芑厥赵倮眉夹g(shù)后，首都的地?zé)豳Y源定能實現(xiàn)統(tǒng)一成片開發(fā)，改變目前的單井開采狀態(tài)，充分發(fā)揮其作為一種綠色清潔能源更好地服務(wù)于首都人民，為首都環(huán)境的改善及辦好2008年綠色奧運做出更大的貢獻。