地源热泵.docx

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地源热泵

地源热泵空调系统基本知识讲座

（一）：

地源热泵工作原理

一、地源热泵简介

　   地源热泵是地下土壤层为冷（热）源对建筑物进行供暖、供热水和空调供应的技术。

众所周知，地层之下一年四季均保持一个相对稳定的温度。

在夏季，地下的温度要比地面空气温度低，在冬季却比地面空气温度高。

地源热泵正是利用大地的这个特点，通过埋藏在地下的换热器，与土壤或岩石交换热量。

地源热泵全年运行工况稳定，不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。

所以，地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。

在冬天，管道内的液体将地下的热量抽出，然后通过系统导入建筑物内，同时蓄存冷量，以备夏用；在夏天，热量从建建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬用。

地源热泵一年四季均能可靠的提供高品质的冷暖空气，为我们营造一个非常舒适的室内环境。

因此，地源热泵空调得到了广泛的发展，尤其适合作为户式中央空调的冷（热）源。

       地源热泵的历史很悠久，美国早在上世纪初就开始了对地源热泵的性能研究，目前在美国地源热泵已经成为了一种成熟的，完全产业化技术。

到2001年止，已安装了400000台地源热泵，且还在以每年10%速度稳步增长。

在北欧如瑞典这些国家，90%的房屋装有地源热泵。

相对而言，我国对地源热泵的研究则要晚得多，直到上世纪80年代才有一些单位对它开始进行系统研究。

国内开始对土壤源热泵的探索性研究，但在如何有效地降低系统初投资、保证系统的可靠运行等方面的研究一直没有突破。

其主要的原因是已开展的研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行性能测试并与传统的空气热源热泵性能进行技术经济比较，从而得出土壤源热泵节能的一般性结论。

二、热泵工作原理

      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，用著名的热力学第二定律准确表述是：

“热量不可能自发由低温传递到高温”。

但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。

所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。

      热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：

压缩机（Compressor）起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器（Evaporator）是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器（Condenser）是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀（ExpansionValve）或节流阀（ThrottleValve）对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。

三、热泵机组的分类

       热泵机组是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。

蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。

这样热泵机组或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。

       利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。

空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。

但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。

在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。

利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。

水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用范围远

不及空气源热泵。

四、地源热泵工作原理及分类

       地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”，如图1所示。

图1地源热泵能量转换原理

       地源热泵供暖空调系统主要分三部分：

室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。

其中地源热泵机组主要有两种形式：

水—水式或水—空气式。

三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

图2地源热泵设备

        地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：

（1）全年温度波动小。

冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。

（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。

（3）地源有较好的蓄能作用。

五、地源应用分类

       地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。

它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。

地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是热泵很好的供热热源和供冷冷源，其温度变化如图3和图4所示。

图3月平均温度随深度的变化情况               图4 不同深度土壤温度季节波动情况

图5地源热泵系统分类

       根据ASHRAEHandbook:

HVACApplications.（1995）的分类，地源热泵属于地热能资源（GeothermalEnergySourse）利用的一个大类，地源热泵按照室外换热方式不同又可分为四类（图5）：

1.埋管式土壤源热泵系统，

2.地下水热泵系统，

3.单井换热热井

4.地表水热泵系统。

       根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。

北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调，这些国家更为关注地下季节性蓄能应用，地源热泵又可以归类于地下季节性蓄能（UndergroundThermalEnergyStorage，UTES）应用领域，其中最重要的、占有绝大部分的一个应用分支是地下埋管式蓄能（DTESorBTES）与热泵机组（HeatPump，HP）相结合的地下耦合热泵系统（Ground-coupleheatpumpsGCHPs，埋管式土壤源热泵系统），如图6所示的分类：

图6蓄能地源热泵分类

地源热泵空调系统基本知识讲座

（二）：

地源热泵系统的分类与应用方式

一、地源热泵系统的分类

1、埋管式土壤源热泵系统：

也称地下耦合热泵系统（Ground-coupleheatpumpsGCHPs）或土壤热交换器地源热泵（Groundheatexchangerheatpumps），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。

通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

1）水平埋管地源热泵系统（Horizontalground-coupledheatpump）：

比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下，如图2－1所示.。

图2－1水平埋管地源热泵系统

当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器的布置问题,常有的布置方式有以下两种.

（a）串联式水平埋管：

将地下水平埋管换热管串接成一个或有限的几个独立的水循环管路，如图2－2所示。

优点是结构简单，缺点是管路系统流动阻力大，且部分管路段换热效果差。

图2－2串联式水平埋管

（b）并联式水平埋管：

将地下水平埋管换热管并联连接成一起，形成一个独立的水循环管路，如图2－3所示。

优点是管路系统流动阻力小，且管路段换热比较均匀；缺点是连接比较复杂，且可能产品换热管路间的水力不平恒。

图2－3并联式水平埋管

2）垂直埋管地源热泵系统（Verticalboreholeground-coupledheatpump）

（a）换热器井管路直接接入机房：

比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,换热器井数比较少可以直接接入机房，如图2－4所示。

（b）换热器井管路汇集到集水器：

当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器井群的布置问题,一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房，如图2－5所示。

图2－4换热器井管路直接接入机房   2－5换热器井管路汇集到集水器

（c）垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：

桩基换热器（或叫做能量桩，EnergyPiles），即在桩基里布设在换热管道，如图2－6所示。

图2－6桩基换热器

（d）地热智能桥,类似桩基换热器，由桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥。

雪落到桥面后，这些盘管利用地热将雪融化。

地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制，如图2－7所示。

图2－7地热智能桥

3）螺旋埋管地源热泵系统（slinkyground-coupledheatpump）

（a）长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统，如图2－8所示。

图2－8长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统

（b）长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统），如图2－9所示。

图2－9盘旋布置埋管地源热泵系统

（c）沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统：

螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫：

沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统，，如图2－10所示。

。

图2－10沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统

2、地下水热泵系统（Groundwaterheatpumps,GWHPs）

也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。

通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。

无论是深井水，还是地下热水都是热泵的良好的低位热源。

地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。

深井水的水温一般约比当地气温高1~2℃。

通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。

板式热交换器采取小温差换热的方式运行。

图2－11深井回灌式水源热泵系统

单井换热热井（Standingcolumnwellheatpumps,SCW）也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为"热井"。

这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。

热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。

换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。

这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。

图2－12单井换热热井

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