地源热泵中央空调.docx

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地源热泵中央空调

目录

第一章地源热泵的发展——————————————————————————3

1.1地源热泵的概述———————————————————————————3

1.2地源热泵的起源及发展————————————————————————3

第二章热泵的分类——————————————————————————5

2.1热泵概述及特点———————————————————————————5

2.2空气源热泵—————————————————————————————5

2.3水源热泵——————————————————————————————6

2.4地源热泵——————————————————————————————7

第三章热泵的分析————————————————————————————10

3.1空气源热泵—————————————————————————————10

3.2水源热泵——————————————————————————————11

3.2.1地下水水源热泵——————————————————————————11

3.2.2地表水水源热泵——————————————————————————12

3.3地埋管土壤换热器地源热泵——————————————————————12

第四章地源热泵的介绍—————————————————————————13

4.1空气调节部分————————————————————————————13

4.2　热泵机组部分————————————————————————————14

4.2.1　地源热泵专用机组—————————————————————————15

4.2.2换热器中介质的流速和流向—————————————————————20

4.2.3热泵的实际运行工况————————————————————————21

4.3地埋管土壤换热器——————————————————————————22

4.4地耦管热交换器的型式————————————————————————24

第五章地源热泵中央空调系统的设计———————————————————26

5.1地源热泵中央空调系统的确定—————————————————————26

5.1.1建筑物系统勘查：

——————————————————————————26

5.1.2建筑物冷热负荷的计算：

———————————————————————27

5.1.3热泵机组的选择——————————————————————————28

5.1.4地源热泵土壤换热器的设计—————————————————————29

第六章地源热泵的安装—————————————————————————34

6.1水平热交换器的安装—————————————————————————34

6.2垂直热交换器的安装—————————————————————————34

6.3地源热泵土壤换热器系统的连接————————————————————35

6.4　地埋管换热器的连接—————————————————————————36

6.5膨胀水箱容积和安装—————————————————————————36

6.6　地埋管换热器的防菌防藻———————————————————————37

6.7　土壤换热器的沟孔回填材料：

—————————————————————37

第七章　检验——————————————————————————————38

第八章　地源热泵的特点—————————————————————————39

8.1可再生能源—————————————————————————————39

8.2高效节能——————————————————————————————39

8.3环保无污染—————————————————————————————39

8.4功能多，应用范围广—————————————————————————39

第九章　发展前景————————————————————————————40

第一章　地源热泵的发展

1.1地源热泵的概述：

地源热泵技术，是一种利用浅层常温土壤中的能量作为能源的高效节能、无污染、低运行成本的既可采暖又可制冷、并可提供生活热水的新型空调技术。

地源热泵系统是利用地下土壤常年温度相对稳定的特性，通过埋入建筑物周围的地耦管与建筑物内部完成热交换的装置。

冬季通过地源热泵将大地中的低位热能提高品味对建筑物供暖，同时把建筑物内的冷量储存至地下，以备夏季制冷使用；夏季通过地源热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑物进行降温，同时储存热量，以备冬季制冷时使用。

如果夏热冬冷地区制冷和采暖天数基本一致，冷暖负荷大致相同，使用同一系统，可以充分发挥地下储能的作用，同时，还能供应生活热水。

因此地源热泵技术被称为二十一世纪的“绿色空调技术”。

地源热泵中央空调系统是目前中央空调方案中的最佳选择。

1.2地源热泵的起源及发展：

"地源热泵（GSHP）"是在水源热泵的基础上发展的，热泵技术的理论基础起源于1824年卡诺发表的关于卡诺循环的论文。

30年后，开尔文提出‘冷冻装置可以用以加热’，1852年威廉·汤姆逊发表论文，提出用空气作工质的热泵技术。

到1927年英格兰一台用空气作热源的家用热泵安装成功。

第一台较大的热泵装置是1938年在苏黎世投入运行的。

它以河水作热源，装有一台回转式压缩机，工质是R12，这套热泵装置用来向市政厅供热，输出功率175kw，输出水温60℃。

此热泵装置夏季也能制冷。

此后在欧洲的瑞士和英国，热泵的数量已经很可观。

日本是在1937年采用透平式压缩机，以泉水作为低温热源为大型建筑物进行空气调节的。

而地源热泵真正意义上的商业应用也只有近几十年的历史。

20世纪50年代，热泵工艺获得迅速发展。

欧洲出现了利用地表水热泵的第一次高峰。

当时“电器服务”杂志以“能源经济与热力学热泵”为题发表了一篇专门报告。

报告描述了1937～1941年间安装的各种热泵装置。

在这一时期，Ingersoll和Plass根据Kelvin线元概念提出了地下埋管换热器的线热源理论。

由于当时能源价格低、系统造价高、人们思想意识的制约等因素存在，没能得到及时的应用和推广。

土壤源热泵的研究虽然从1912年开始，但直到1950年左右，美英两国才开始对采用地下盘管吸收地热作为热源的家用热泵进行研究。

热泵技术的真正蓬勃兴旺还是在1973年“能源危机”后出现的，20世纪70年代，石油危机把人们的注意力集中到节能、高效的能源利用上面来，使地源热泵的发展得到了一次质的突破，在这一时期，地下埋管的材料从传统的金属管发展到具有抗腐蚀、抗冲击强度高、耐强震、扭曲的聚乙烯材质。

地源热泵以其平米充分利用可再生能源，节约高品质能源的特点，越来越受到人们的广泛关注。

在中北欧的瑞士、瑞典、奥地利、丹麦等国家，地源热泵（土壤换热器）技术利用处于领先地位，地埋管土壤换热器热泵得到广泛的应用。

据1999年统计，在家庭应用的供暖设备中，地源热泵所占的比例：

瑞士96﹪、奥地利38﹪、丹麦27﹪。

地源热泵是美国政府极力推广的节能环保技术，地源热泵占整个空调总量的20﹪。

1998年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地埋管土壤换热器地源热泵空调系统。

1995年，在国际地热学术会议上，英国学者Curtis代表国际地热组织发表了关于应用地下封闭循环体系的地源热泵系统的调查报告，其结论为：

封闭循环地源热泵（CLGSHP，CL-封闭式）系统是世界能源市场的成熟技术之一，它与现存的用电供热/制冷技术相比，具有稳定性好，可靠性高,花费更少的优势。

同年，中国科技部与美国能源部共同签署了“中华人民共和国科学技术委员会和美利坚合众国能源部能源效率和可再生能源技术的发展和利用领域合作协议书”。

1998年11月，中美两国专家共同制定了《美国土--气型地源热泵技术在中国合作推广计划书》，并在华盛顿举行的中美两国《能源效率与可再生能源技术发展与利用领域合作议定书》工作小组的工作会议上获得通过。

这将有利于我国地源热泵的推广应用。

第二章　热泵的分类

2.1热泵概述及特点

热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。

被热泵吸收热量的物体一般称为热泵的低温热源，热泵的热源种类很多，按热泵驱动功的形式分机械压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵。

常见的是机械压缩式热泵。

根据机械压缩式热泵所吸收热量的可再生低位热源的种类热泵可分为：

空气源热泵（空气-空气热泵、空气-水热泵）、水源热泵（水-水热泵、水-空气热泵）和地源热泵（土壤-空气热泵、土壤-水热泵）等。

蒸汽压缩式热泵装置的工作原理与蒸汽压缩式制冷机的工作原理是一致的。

逆卡诺制冷和逆卡诺制热循环的组成和作用是相同的，都是由两个可逆的绝热过程和两个可逆的等温过程所组成，在蒸发器中的等温过程从低温热源中吸取热量（制冷）。

在冷凝器中的等温过程向高温热源放出热量（供热）。

在夏季空调降温和冬季采暖，都是使用同一套设备完成的，在冬季采暖时，将制冷剂中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作，因此热泵又可定义为能实现蒸发器与冷凝器功能转换的制冷机。

热泵的特点：

①空调系统冷热元合一；

②无冷却塔水系统；

③无锅炉的污染；

④系统设备少而且集中；

⑤可组装成大型整体式或模块式小型机组；

2.2空气源热泵

空气源热泵是利用空气作为冷热源的热泵。

这种热泵安装和使用都很方便，应用较广，但目前也存在一些缺点。

①由于空调空气的状态参数随地区和季节的不同而变化，这对空气源热泵的容量和制热性能系数影响很大，空气温度偏高或偏低时，热泵的制冷性能系数就会变得很低。

尤其在冬季，当空气温度很低时，这时需求供热量很大，势必造成热泵供热量与建筑物耗热量之间的供需矛盾。

②冬季空气温度很低时，空调换热器中的工质蒸发温度也很低。

当空调换热器表面温度低于0℃，并且低于空气露点温度时，空气中的水分在换热器表面就会凝结成霜，导致蒸发器的吸热量减少，热泵不能正常供热。

3空气源热泵的除霜要有一定能耗。

4保证空调换热器获得足够的热量，需要较大容量的风机供风。

增大了空气源热泵装置的噪音。

在我国典型的应用范围是长江流域以南地区。

在北方地区，冬季平均气温低于0℃，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且存在结霜问题，效率较低。

空气源热泵用于北方地区时，必须慎重考虑！

目前，由于对空气源热泵存在的固有问题没有找到有效地解决办法，所以空气、土壤、太阳能的综合利用是一种发展趋势。

空气作为低位热能，可以取之不尽，用之不竭，处处都有，可以无偿地获取，而且空气源热泵装置的安装和使用也都比较方便。

在使用空气源热泵系统时请注意三个方面:

①经济合理地选择平衡点。

②热泵系统配备一个合理的辅助加热装置。

③热泵系统的自动能量调解。

因此热泵装置的设计要考虑防止空调换热器的结霜和选择良好的除霜方式。

2.3水源热泵

水源热泵中央空调系统是由室内空气处理末端设备、水源热泵机组和水源循环系统三部分组成。

制冷时，水源热泵中央空调系统中的末端设备将建筑物内的余热通过热泵机组转移到循环的水源中，实现了制冷的目的，同时省去了水环热泵中的冷却塔；制热时，水源热泵机组中的制冷剂将在循环水源中吸收热能，利用少量的电能将制冷剂压缩到高温高压状态，将吸收的全部热量（电能+吸收热能）一起释放到采暖系统中，从而达到了吸收可再生低温热源的热能输送到高温热源的目的，实现了可再生地能对水环热泵系统中传统锅炉的取代。

系统流程图如下图：

压缩机组消耗电能3KW（2857大卡）

Cop=3.9

29％

供热量

10000大卡

71%

水源热泵机组

Cop=3.5

从循环水源吸收7143大卡热量

100%

目前，水源热泵广泛采用地下水资源，如果存在地表水或通过开发能够引到地表水，也可直接利用地表水作为热泵的冷热源。

目前应用较多的有海水热泵、污水热泵、工业废水热泵等。

在开式形式时，必须解决排水问题；如果采用聚乙烯管制作盘管换热器，合理布置在现有水体中，用集路管连成数个环路，构成一个闭式并联循环系统作为热泵系统的冷热源。

在现已利用地热水供暖的建筑物，可以将末端尾水作为水源热泵的热源，可以大大增加地热水供暖的建筑面积。

水源热泵形式示意图见下图：

①地下水水源热泵系统（GWHP）

地下水热泵系统（GWHP）,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到水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下，如果真正实现100%的回灌到原水层，这样就能保证地下水总体上的供回平衡。

②地表水水源热泵系统（SWHP）

通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库以及海水作为冷热源。

水源热泵的开式系统因涉及面广、复杂，而且会造成环境污染和地下水资源的枯竭，直接抽取换热方式对热泵机组有腐蚀和堵塞等现象。

我们认为：

应当谨慎采用。

建议使用间接换热方式为佳。

2.4地源热泵

地源热泵早已被人们所认识，在建筑物中应用了数十年，地源热泵系统是一种领先的空调技术，它可以实现水源热泵系统的诸多优点，并且还能节省相当可观的运行费用。

地源热泵系统解决了水源热泵系统的地下水回灌问题（因为本身并不抽取地下水资源），杜绝了地下水资源对热泵机组使用的影响和地下水被污染的可能性。

系统占地空间小，并且系统的安装和使用不会改变建筑的外观和结构。

地源热泵系统是通过导热介质溶液在埋入地下的循环系统中流动，实现与大地之间的热交换。

系统是一个密闭的闭路循环系统，他是一项可持续发展的建筑节能新技术。

地源热泵系统中的土壤换热器埋管方式可分为：

①水平式土壤换热器

②垂直式土壤换热器

③直接膨胀式地源热泵系统

系统不采用中间介质来传递热量，而是将热泵机组的一个换热器（蒸发器、冷凝器）埋入地下土壤中，制冷剂通过此换热器直接换热。

①、②都归属于地下耦合热泵系统，也称埋管式土壤源热泵系统或地下热交换器地源热泵系统。

这一闭式系统方式，通过中间介质作为载体，使中间介质在埋于土壤内部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。

而③也属于地下耦合热泵系统。

不同的是制冷剂直接与土壤换热。

①②③均属于全封闭式系统。

④热井式土壤换热器

也就是单管垂直埋管地源热泵，通称热井。

这种方式下，在地表渗水层以上用直径和孔径一致的钢管做护井套，护套管与岩石层紧密连接，防止地下水的渗入。

渗水层以下为自然空洞，不加任何固井措施，热井中安装一内管到井底，内管的下部四周钻孔，其中上部分通过钢套直接与土壤换热，下部分循环水直接接触岩石进行热交换。

换热后的流体在井的下部通过内管下部的小孔进入内管，再由内管中的抽水泵汲取水作为热泵机组的冷热源,此系统为全封闭系统。

第三章热泵的分析

近年来，国内地源热泵发展非常迅速,出现了多种热泵形式，下面将应用较为广泛的几种热泵形式作简要介绍：

3.1空气源热泵

空气源热泵系统是以空气作为低温热源，可以取之不尽，用之不竭，而且无偿地获取。

空气源热泵安装和使用都非常方便，已经被人们广泛应用很多年。

分体式热泵空调机、VRV热泵空调系统、大型风冷热泵机组等，均属于空气源热泵。

但是空气源热泵系统因地区和季节不同，空调空气的状态参数的变化，对热泵的容量和制热性能系数影响很大，空调温度越低，热泵的制热能系数就越低。

当热泵室外换热器周围的温度低于空气露点温度时，换热器表面就要结霜，加大了换热器的传热热阻,同时加大了空气通过换热器的阻力，使通过换热器的风量减少，导致热泵不能正常供热。

若制冷剂在蒸发器中不能完全蒸发，压缩机还有可能发生回液现象，这容易造成往复式压缩机的损坏，即使螺杆和涡旋等压缩机对少量回液敏感性不强，但压缩机吸气压力与排气压力之比要提高，压缩比的加大使压缩机轴功率上升,热泵系统的能耗增加。

霜的形成非常复杂，空气相对湿度变化对结霜的影响远远大于空气温度变化对结霜的影响。

因此，空气源热泵这一难题的解决是人们一直在研究的课题。

目前解决结霜的途径有两个，一是防止空调的换热器结霜；二是结霜后的除霜。

①防止结霜的方法：

a.在热泵系统中增加一个辅助的空调换热器，通过辅助换热器的高温液体的热量能有效的防止主换热器的冰霜形成。

b.在热泵系统的室内换热器中设置一个为制冷剂加温的电加热器，这样可使制冷剂的温度比一般热泵系统高1～2℃，使空调换热器不易结霜。

c.增加空调换热器的换热面积，并且采用亲水型铝箔作翅片，翅片间距加大，这样可以延缓结霜时间。

虽然采取一些措施能防止结霜，但完全避免结霜是不可能的，因此空气源热泵必须有一个可靠的除霜方法。

②除霜的方法：

d.把压缩机的部分高温热气经旁通管直接送入蒸发器进行除霜。

e.利用四通阀，将热泵由供热工况运行变为制冷工况运行，这种方法除霜快，但要消耗大量能量。

f.在空调换热器内镶入电加热器，用电加热除霜。

在不同地区和不同品牌的空气源热泵机组除霜采用的方法不同，空气源热泵系统防霜和除霜的能耗估计占总热泵总能耗的10%,但是霜层的形成造成换热器运行性能的下降是无法确定的.

3.2水源热泵

3.2.1地下水水源热泵

地下水水源热泵是水源热泵其中的一种，与地下埋管的“闭式”地源热泵相比，由于其造价低、容量大、水的温度稳定，所以市场占有率高，但另一方面，由于地下水回灌的堵塞问题没有根本解决，在使用方面、地质环境方面的问题比较突出。

这些问题能否解决，一方面影响这项技术的可持续发展；另一方面，也直接影响我们共同的生活环境。

大多数的地下水系统非常简单，采用直流系统，即地下水经热泵系统后直接向回灌井或地表排放。

由于工程造价低、制冷制热效果好，受到了相当一部分用户的欢迎。

但随着地下水资源的日益枯竭，这类现象已经引起了一些专家和政府有关部门的重视，意识到了这方面的问题，要求对地下水实行全部回灌。

有部分工程项目声称解决了地下水回灌问题或称回灌率达到100％，但对回灌当地的地质条件如何、采取何种回灌方式、回灌的质量如何，则避而不谈。

因而国内的一些专家和政府管理部门对这项技术持慎重态度是可以理解的。

地下水是一种优质的淡水资源，是国家的一种战略物资。

大规模使用地下含水层，一旦出现地质环境问题，后果将是无法弥补的。

国内的地下水回灌基本上采用原先的人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。

压力回灌适用于范围较广而真空回灌仅适用于低水位和渗透性好的含水层。

从理论上讲，地下水灌抽比可达到100％。

但是，目前在多数国家的地下水回灌技术还不成熟，特别是在含水层砂粒较细的情况下，井很容易被堵塞，回灌的速度大大低于抽水的速度。

在回灌过程中，井的堵塞是不可避免的，通常采用回扬清洗的方法来维持地下水的回灌。

对于中、细砂的含水层，压力回灌每天需回扬2－3次，真空回灌每天需要回扬1次。

回扬和清洗处理都是非常专业的工作，无形中增加了系统的维护量和运行费用。

地质环境的问题主要表现在以下两个方面：

①地面沉降

地下水的过度抽取会引起地面沉降，后果是对地面的建筑物产生直接的破坏作用。

如果实行100％的回灌到原水层，总体上地下水供给平衡，局部地下水的变化就不至于引起地面沉降。

②地下水质污染

由于地下水水源热泵并不是密闭的循环系统，回灌过程中的回扬、水回路中产生的负压和沉砂池，都避免不了空气和地下水的接触，导致地下水氧化。

地下水氧化会产生一系列的水文地质问题，如地质化学变化、生物变化等。

采用井口换热器，尽量减少地下水与空气的接触，并对回路中所用器材做防腐处理，这样可以减轻空气对地下水的污染程度。

总结：

水文地质问题的出现，将是一个无法挽回的灾难，从危害程度上来讲，不亚于空气污染的危害性，治理更是无从谈起。

所以地下水水源热泵的发展将是举步维艰，而地埋管地源热泵系统则是从根本上解决了以上地下水水源热泵的种种弊端。

3.2.2地表水水源热泵

地表水水源热泵也是水源热泵的一种，它以江水、海水、河水及工业废水等为冷热源。

但地表水水源热泵的设计及施工要求较高。

它要求地表水水量要大、面积要宽、水要深。

而在我国北方大部分地区，冬季地表水水温较低，因此，要求流体介质循环系统管道尺寸加大，水泵也要加大，而且要能允许大流量的流体介质通过。

再者地表水一般水质较差，尤其是用海水，要注意管道和设备的防腐。

3.3地埋管土壤换热器地源热泵

地源热泵是利用地下岩土中热量的闭路循环系统，它通过循环液体在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热，在冬季供热过程中，流体从地下收集热量，再通过热泵系统把热量带到室内，夏季制冷时系统逆向运行，即把室内热量带到地下岩土中。

因此，地耦管地源热泵系统保持了地下水水源热泵利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质，是一种真正可持续发展的建筑节能的新技术。

适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著。

地源热泵运行原理图如下：

第四章地源热泵的介绍

地源热泵中央空调系统主要分为四部分：

一是建筑物的空气调节部分；二是地源热泵专用机组部分；三是地埋管土壤换热器部分；四是系统自动控制部分。

4.1空气调节部分

地源热泵的空气调节部分与常规的中央空调系统是相同的，已被人们熟知和应用，空气调节部分是地源热泵中央空调系统的末端设备。

空气调节简称空调，就是将空气的温度、湿度、清洁度进行调节，控制在合适的范围，以增强人的舒适度。

不同的环境对空调的要求各不相同，为满足不同要求，又产生了不同类型的空调方式，无论采用何种方式、环境条件如何变化，空调系统都必须按照设计标准，满足空气的温度、湿度、清洁度、新风量的要求，并满足控制噪音的规范。

建筑物的功能不同，空调要求不同，空调系统的组成也不同，以下将介绍几种常见的空调方式：

①户式地源热泵中央空调

户式地源热泵中央空调系统适合于面积在100㎡～600㎡的住宅或别墅内使用。

具有舒适、节能、引入新风、改善室内空气品质、温度均匀、调节方便等特点；实用性强，随开随用，能大大降低使用费用。

作为一个新潮已开始形成热点，独特的优越性令人瞩目。

户式地源热泵机组可分为土壤-空气热泵机组、土壤-水热泵机组。

他的设计安装与建筑物的设计施工是同步的。

因此，暖通设计师与建筑设计师合作，不仅能保持建筑物的外观美感而且建筑的内部装饰也会得到改善。

户式地源热泵中央空调可分为三种形式：

风管系统、冷热水系统和制冷剂系统。

a.风管系统

是将土壤-空气热泵机组所调节的空气全部通过风管输送至各房间，然后通过管道返回机组。

这种空调方式比较简单，送风量保持不变，湿度调节通过开关热泵机组可以引进部分新风，改善室内空气品质。

但是各房间的温、湿度不能单独进行调节。

主风管的风速在5m/s以下，支管风速在3m/s以下，回风风速低于2m/s，为了降低气流噪音，风管表面做密封保温。

b.冷热水系统

是土壤-水热泵机组、循环水泵、空调末端设备通过管道连接的闭式循环系统。

将热泵产生的冷或热水输送到各个房间的风机盘管。

可用变风量系统或变水量调节室内的温湿度。

对于干管水流流速宜低于1.2m/s，支管水流流速应低于0.6m/s，系统的最高点安装自动排气阀。

用聚乙烯和橡胶发泡材料做管的保温。

目前，欧洲流行的庄园别墅空调系统模式是土壤换热器地耦管热泵机组+地板采暖+变温顶棚+新风装置。

即冬季地板采暖，夏季顶棚送风。

低温地板辐射供暖系统和