地热源换热讲解.docx
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地热源换热讲解
地热源换热
Ground Source Heat Exchange
什么是地热交换系统？
地热交换系统是以电力为动力，对内部空间作用的制冷系统。
这个系统利用地球内部（或者池塘湖泊）作为热源或者冷源。
这个系统由热泵，循环泵，地热交换器和支管系统组成。
大多数地热交换系统用风道作为分配子系统，在地源侧用聚乙烯管进行热量交换。
什么是热泵
热泵是以电为驱动力，将热量从一个区域传递到另一个区域的机械装置。
典型的空调就是一种热泵，它将内部空间的热量裹挟到室外并释放到空气中。
然而，不像典型的空调机，一个真正的热泵可以向任何一个方向运转，热泵可以将热量从空间带走，也可以将外部的热量送入室内。
什么是地源热泵
与空调机通过冷凝器（一个像盒子似的，放在室外，并且运行时会产生噪音的装备）
向周围环境传递热量不同，
地热交换热泵在制冷模式下将热量传递给土壤，
在加热模式下
从土壤中取出热量。
地热交换热泵通常被称为地源热泵。
地源热泵系统是如何工作的？
地源热泵系统，与普通的热泵系统和空调机类似，利用制冷剂将热量带入或者带出你的房间，地源热泵系统的制冷剂的作用应用到了热量传递的两个基本规则。
热量总是从温度较高的区域传向温度较低的区域。
两个相邻区域的温差越大，二者之间的热量传递效率越高。
冰箱，空调，和热泵都是在封闭的环路中通过压缩机制造出两个温差明显的低温区和高温区，最简单的例子就是我们熟知的家用冰箱。
在电冰箱中，风扇吹机壳内装满低温制冷剂的盘管（比较典型的是低于零度），热量从内部空气流向冷却器的制冷剂。
之后制冷剂被蹦到暴在室外的高温区域，由于制冷剂在这个区域比较热，所以在制冷剂流回低温区继续开始下一个循环之前将热量抛给温度较低的室内空气。
地源热泵系统工作原理与之相似，除此之外还汲取屋子内或建筑物内部的热量并运输到建筑物外部空气中。
传统的热泵加上一个转换的功能，冷源和热源就可以进行切换。
随着冷热源的转换，系统可以实现从室外汲取热量并运输到室内的目的。
当室外空气极其寒冷时，传统的（空气源）热泵不得不依靠电阻来加热，效率不得不被降低。
地源热泵力压群雄的工作效率标准的热泵，操作相对简单，面向一个主要的人群。
当热量需求很大时，他的效率是最低的。
当我们需求很高的性能时，空气源热泵不得不努力的工作。
如上所述，一个合格的空气源热泵，冬天时从室外吸收热量，夏天时将热量“扔”到室外。
不行的是，室外空气越冷，从外界吸收热量越困难。
温度越高，越难将热量“扔”到室外。
两种情况下，空气和制冷剂之间的温差都是很小的，这个系统降低了传热效率。
但是，室外越冷，通过窗户，
门以及外墙和地板的热量损失的效率就越高，通过热泵维持室内空气舒适所需的热量就越多。
夏天，我们陷入了类似的困境。
室外越热，热量渗透到室内的效率就越高，维持舒适度所需排热量就越多。
地源热泵系统通过使用温度相对恒定的地源解决了这个难题，使其在冬季作为热源，夏季作为散热器，用地球代替了室外空气。
贯穿美国历史，冰冻线以下的地温（地表以下3—5英寸）基本上维持在恒定的温度，通常在北纬45-50度50-70度在冬季，地热交换系统从比室外空气温度相对高的地球吸收热量。
夏天，可以向比室外空气冷得地球排除热量。
由于制冷剂与地源温度的温度差在两个季节都相对较高，所以传热效率更高。
所以，地源热泵系统一年的工作效率比普通的热泵系统高很多。
地源热泵系统的清洁度
安装地源热泵系统是对环境负责的表现。
因为地源热泵系统只是在冬天从地下向你的
房间传递热量，
而不用你燃烧任何的化石燃料以加热室内环境。
与其他供热系统相比，
它
大幅度的降低了二氧化碳的排放量，
并且完全消除了产生二氧化碳等烟气的源，
用地源热
泵系统替换传统的燃气炉供暖系统，是安全健康的环境友好型设备。
与地球连接起来
地源热泵独特的方面，
其好处一长串的关键，
是接地回路的存在。
接地回路为夏季向
地球内部传递热量，
冬季从其内部吸收热量提供了途径。
有闭式系统和开式系统两种循环。
首先，让我们看看典型闭式系统中的制冷剂循环。
物理上来看，
地下循环包含数米长的塑料管，
他们安装在围绕着地球的水平的暗沟或
者竖直的井里，
地管回路中的水由水泵泵到地热系统的换热器中，
在夏天，
从制冷剂的热
区域吸收热量并通过地管回路运输至地下。
冬天，
通过地管回路从地下吸热并运输到制冷
机的冷区域。
建筑环境与设备工程专业英语大作业
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地下管路的长度由冷热负荷决定，
冷热负荷又由你房间的设计施工方法，
方位和居住
地的气候条件觉得的。
水平或竖直安装的地下管路是否能获得最大的有效容量，
是由地表
土的类型（岩层，砂土层或者黏土层等）
，所在区域的深层土的地质条件，以及地热的可
利用性。
通常水平安装管线的安装造价比较低，
但是需要占用更大的面积。
竖直安装管线
需要更少的地表面积，而钻孔的造价更高。
另一个接地的方案，
一个开式系统，
牵涉到使用井来代替闭合的管线。
在水源丰富的
地区，
可以将水从井里抽出来，
通入地热系统的换热器，
然后再抽回到另一个井进行地下
水回灌。
由于水仅仅吸收或者放出热量，
但是没有改变其他任何东西，
这些水离开热泵的
时候像进入热泵时一样纯净。
当拥有适当的型号时，这两种方案的任何一个都同样是该效率的。
而且，
地下管线一旦安装，
你几乎可以忘掉它。
聚乙烯管在地下或者水的作用下不会
降解，不会受侵蚀，也不会被折断，所以这个装置有望沿用五十年或者更长时间。
多余的热水
作为一个额外的收益，
大多数地源热泵系统可以设计成在夏天可以在空调制冷的季节
吸收室内的热空气的热量生产多余的热水。
甚至在冬天，
地源热泵系统的废热可以被转换
到热水中以减小热水加热器的热量消耗。
结论
根据环境保护署的说法，
地源热泵系统是最高效能的，
清洁的，
空间成本效益好的可
利用的调节系统。
美国环保署确认地源热泵系统优越的效率
发现即使在源燃料基础
-
会计
为所有损失包括发电燃料循环电厂的平均提高——地源热泵机组的效率比空气源热泵机
组高
40%
、
比燃气加热炉效率高
48%,
比燃油炉效率高
75%
今天最先进的地源热泵系统在制
冷循环中胜过最先进的燃气采暖系统，燃气热泵系统
43%
。
地源热泵系统利用地球的蓄热来加热冷却建筑物，
并可以提供热水。
地球是一个巨大
的蓄能体，
因为它吸收了太阳辐射能的
47%
——比人类每年对能量的需求高出五百倍——
并为清洁可再生能源。
在供暖季节，
地源热泵系统取热的效率接近或超过百分之四百，
并
在制冷季节退还回去。
除运转费用方面的收益外，地源热泵系统可以提供：
不用化石燃料燃烧来加热。
一氧化碳和二氧化碳零排放。
增加安全指数。
设计维护运转简单。
夏天可以得到多余的热水
在院子里看不到不雅的或者发出噪音的空调机。
地源热泵系统的效能等级
美国环境保护署和美国能源部都认为地源热泵技术是可利用过的最高效的环境友好
型的加热或者冷却系统。
根据环境保护署的调查，
地源热泵系统获的效率比燃气炉高
48%
，
比燃油炉高
75%
，比空气源热泵高
40%
。
这些听起来极好，但是在电价比天还高的加利福
尼亚，或者让私房屋主的英格兰人考虑替换油炉，如何惠及他们呢？
这个分析力求调查到地源热泵系统与其他传统的空调系统的造价开销比较，
这里强调
为消费者将其作为工具来确定设施预期运行费用，
需要替换新设施的时间提供了一个现实
的工具。
地源热泵系统
vs
空调系统
几乎所有的传统住宅和需要采光的商业建筑都使用空气调节系统来为内部空间制冷。
这些系统在室外都有一个冷凝器。
一半将制冷器，
加热器和空气源热泵安装在一起。
全部
使用室外空气来给制冷剂降温，
同时将热量扔到周围的空气中。
这个讨论的目的，
所有这
些设施被称为空气源设备。
比较地源热泵系统和传统的空气源热泵机组是很复杂的，
由于
室外空气温度的原因，
空气源热泵系统的效率急剧下降。
空气源热泵设备生产厂商在高效
率模型机上给用户制造高能效比和高季节能效比的印象，
但是最近检测的实际数据表明这
些高数据与现实的安装环境与条件无关联。
一个典型的例子，
厂商标注一个三吨的空气源热泵机组的能效比为
12.0.
然而，最近
的一个着眼于在额定工况下能效比绩效的统计值为
10.5
（冷凝器的进口温度为
95
°
F
，
蒸发器的失球温度为
67
°
F
）
。
这就表示白天的温度大约为
95
°
F,
。
当室外温度升高到
100
°
F
，
空气源设备的能效比下降到
9.2
，
表示能效比下降了
12%
。
如果室外温度上升到
110
°
F
，能效比将下降到
7.7
，表明能效比下降
27%
。
这意味着这个机组需要额外的
27%
的电能来维持原来的制冷量。
另一方面，
空气源热泵机组的制冷能力与室外空气温度有很大关系。
当室外的空气温
度为
95
°
F
时，一个标准的三吨的空调机组可以作为三吨的使用，但是当室外空气升高
至
110
°
F
，这个机组只能当做
2.6
吨的使用，下降
14%
。
冷凝器被污垢或者碎片堵塞，
更将会降低效率。
地源热泵系统的能效设计不依赖室外空气温湿度的变化。
因为不管地源热泵选择在任
何区域，
一年中地球的温度基本上都是恒定不变的。
任何季节，
加热和制冷的总效率都是
确定。
的，标准的三吨的机组，冷凝器冷却水进口温度为
60
°
F
时，能效比大约为
18
。
和空气源机组比较与室外空气关系的不同：
能效的分析比较就像是苹果与苹果的比较。
着还没有包括回热器在内，
其重要作用的
热水容器。
在夏天，
如果这些效能被用于给传统的燃气或者电加热器提供热水的话，
效率
将变得更高。
在运行中的减温器的作用下，夏天产生的热水在热泵系统中变成多余的了。
地源热泵系统
vs
燃气炉系统
比较地源热泵系统和燃气炉的造价，
很多原因都很难进行评估。
首先是气和电价格在
不同时间和不同区域的巨大差别。
从美国能源信息管理局收集的数据来看，在
2000
年，
天然气价格从阿拉斯加州的
3.57
到夏威夷的
21.87
美元不等。
忽略这两个州，仍然存在
从密歇根州的
5.17
美元到康乃狄克州的
11.29
美元。
试图定一个相同的电费标准也是同
样的困难的。
美国电子工业联合会提供的数据表明，
2000
年，电费价格从华盛顿的
0.05
美元到夏威夷的
0.16
美元不等。
另外，试图比较燃气炉和
GHP
，需要将季节性的价格波动考虑进去。
通常，天然气价
格在冬天比较高，而电价又是在夏天比较高。
根据这写些析，
我们可以拿典型的高效率的燃气炉和地源热泵机组进行比较。
燃气炉
的效率为
80%
，
COP
值为
3.5.
计算表明，当电价等于天然气价格的
0.15
倍时将会出现均衡点。
例如，如果燃气每
CCF
为一美元，达到效益平衡点时，耗电为
0.15
美元每千瓦。
因此如果电费消耗每千瓦
便宜
0.75
美元，这样得到的能效更经济。
这项分析综合考虑了各
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