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地源热泵的介绍


详细说明

一     地源热泵概述   
二     地源热泵由来   
三     热泵工作原理   
四     地源热泵组成   
五     地源热泵优点   
六     地源热泵特点   
七     地源热泵分类   
八     地源热泵地下换热器形式与埋管   
九     地源热泵应用方式   
十     常见问题讨论     
     
一 地源热泵概述    
    地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术,是热泵的一种,热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备.地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方.通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的.地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环。    
     
二 地源热泵由来   
     "热泵”的概念,最早于1912年由瑞士的专家提出,而该技术的提出始于英、美两国。    

     北欧国家主要偏重于冬季采暖,而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似,因此研究美国的地源热泵应用情况,对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。    
     
三 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。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。     
工作原理     
    地源热泵是地热利用的一种形式 ,是将低位热能用热泵提升为高位热能加以利用。热泵机组是制冷机的逆循环    
     
1 制冷模式:    
   在制冷状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝,由水路循环将冷媒所携带的热量吸收,最终由水路循环转移至地表水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中,通过风机盘管,以输送冷风的形式为房间供冷。    
2 供暖模式:   
   在供暖状态下,压缩机对冷媒做功,并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量,通过冷凝器内冷媒的蒸发,将水路循环中的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝,由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中,以35℃以上热风的形式向室内供暖。   
     
四 地源热泵组成     
1 地源热泵机组的组成    
    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: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: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: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;    
膨胀阀或节流阀: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。   
     
2 地源热泵系统组成    
    热泵系统主要分三部分(如下图):室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机主要有两种形式: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,地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。 
五 地源热泵优点:   
     
1.高效节能,稳定可靠    
 地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,土壤与空气温差一般为17度,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%~60%,因此要节能和节省运行费用40%-50%左右。通常地源热泵消耗1KW的能量,用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量,所以我们将其称为节能型空调系统。    
     
2.无环境污染    
 地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,真正的实现了节能减排。    
3.一机多用    
 地源热泵系统可供暖、制冷,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。    
4.维护费用低    
 地源热泵系统运动部件要比常规系统少,因而减少维护,系统安装在室内,不暴露在风雨中,也可免遭损坏,更加可靠,延长寿命。    
     
5.使用寿命长    
 地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管,寿命可达50年。 要比普通空调高35年使用寿命。    
6.节省空间    
 没有冷却塔、锅炉房和其它设备,省去了锅炉房,冷却塔占用的宝贵面积,产生附加经济效益,并改善了环境外部形象。    
     
六 地源热泵特点    
     
1.属可再生能源利用技术   
    地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能(Earth Energy),是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。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。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。   
     
2、属经济有效的节能技术   
   地能或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,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%,因此要节能和节省运行费用40%左右。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。据美国环保署EPA估计,设计安装良好的地源热泵,平均来说可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。   
     
3、环境效益显著   
    地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量;属自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。    
     
4一机多用,应用范围广   
   地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外,机组使用寿命长,均在15年以上;机组紧凑、节省空间;维护费用低;自动控制程度高,可无人值守。当然,象任何事物一样,地源热泵也不是十全十美的,如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响;一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同;采用地下水的利用方式,会受到当地地下水资源的制约,实际上地源热泵并不需要开采地下水,所使用的地下水可全部回灌,不会对水质产生污染。   
     
5.地源热泵同空气源热泵相比,有许多优点:    
   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。    
冬季运行不需要除霜,减少了结霜和除霜的损失。地源有较好的蓄能作用。     
七 地源热泵的分类    
地源按照室外换热方式不同可分为三类:    
1.地表水系统     
2.土壤埋盘管系统     
3. 地下水系统    
     
1 地表水系统    
   地表水地源热泵系统,由潜在水面以下的多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器,与土壤热交换器地源热泵一样,它们被连接到建筑物中。 一 般情况下,只要地表水冬季不结冰,均可作为低温热源使用。我国有丰富的地表水资源,用其作为热泵的低温热源,可获得较好的经济效益。地表  水相对于室外空气是温度较高的热源,且不存在结霜问题,冬季温度也比较稳定。利用地表水作为热泵的低温热源,要附设取水和水处理设施,如清除浮游生物和垃圾,防止泥沙等进入系统,影响换热设备的传热效率或堵塞系统,而且应考虑设备和管路系统的腐蚀问题。   
     
2 土壤热交换器系统    
   土壤是热泵良好的低温热源。通过水的流动和太阳辐射热的作用,土壤的表层贮存了大量的热能。土壤的温度变化不大,并有一定的蓄热作用。热泵可以从土壤表层吸收热量,土壤的持续吸热率(能量密度)为20-40w/m2,一般在25w/m2左右。土壤的主要优点是:(1)温度稳定,全年波动较小,冬季土壤温度比空气高,因此热泵的制热系数较高;(2)土壤的传热盘管埋于地下,热泵运行中不需  要通过风机或水泵采热,无噪声,换热器也不需要除霜;(3)土壤有蓄能作用。    
     
3 地下水系统    
   地下水位于较深的地层中,由于地层的隔热作用,其温度随季节的波动很小,特别是深井水的温度长年基本不变,对热泵的运行十分有利,是很好的低温热源。但是如果大量取用地下水,会造成地面下沉和水源枯竭,因此以深井水作为热源时,应与“深井回灌”相结合,即采用“夏灌冬用”和“冬灌夏用”等储热(冷)措施,严禁采用直接取水无回灌的“抽水空调  ”。   
     
八 地源热泵地下换热器形式与埋管   
   土壤热交换器是地源泵机组设计的关键。地源热土壤换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积,换热性能好,可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能,甚至可在建筑物桩基中设置埋管,见缝插针充分利用可利用的土地面积。   
     
1  竖直埋管材料和深度     
    埋管材料最好采用塑料管,因与金属管相比,塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管(PE管),铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择,如DN20、DN25、DN32、DN50等。竖直埋管可须根据当地地质条件而定,可以从20m-200m。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。如果地表土壤层很厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,反之,采用浅埋。埋管间距一般以5-6m及以上,要综合考虑当地的地质及土壤的传热情况。    
     
2 竖直埋管换热器回填、灵敏度     
   竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度,将制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同,回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好,但造价高、施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。     
     
3 竖直埋管换热器中传热的衰减     
   竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时,由于蓄热地温提高,机组运行时水温不断上升,停机时水温又有所下降,当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反,由于取热地温下降,当建筑物失热最多时,换热器中水温达到最低点。对于浅埋管尤其严重。设计时,首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度。同时,由于埋管换热器的表面结垢等影响,设计时要考虑衰减,设定值应通过经济比较选择最佳状态点。   
     
4 串联或并联     
   地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种,串联系统管 径较大,管道费用较高,并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小,管道费用较低,且常常布置成同程式,当每个并联环路之间流量平衡时,其换热量相同,其压降特性有利于提高系统能力。因此,实际工程一般都采用并联同程式。结合上文,即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。   
     
5选择管材     
   一般来讲,一旦将换热器埋入地下后,基本不可能进行维修或更换,这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足,且需要埋入地下的管道的数量较多,应该优先考虑使用价格较低的管材。所以,土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯(PE)和聚丁烯(PB)管材,它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状,可以保证使用50年以上;而PVC管材由于不易弯曲,接头处耐压能力差,容易导致泄漏,因此,不推荐用于地下埋管系统。    
     
6 确定管径     
   在实际工程中确定管径必须满足两个要求:(1)管道要达到足够保持最小输送功率;(2)管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然,上述两个要求相互矛盾,需要综合 考虑。一般并联环路用小管径,集管用大管径,地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm,管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道,管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下    
     
7 确定竖井数目及间距     
   国外,竖井深度多数采用50~100m,设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H  ,计算结果进行调整,若计算结果偏大,可以增加竖井深度,但不能太深,否则钻孔和安装成本大大增加。     
关于竖井间距有资料指出:U型管竖井的水平间距一般为4.5m, 也有实例中提到DN25的U型管,其竖井水平间距为6m,而DN20的U型管,其竖井水平间距为3m。若采用串联连接方式,可采用三角形布置,来节约占地面积。     
     
8 计算管道压力损失     
   在同程系统中,选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法,将局部阻力件转换成当量长度,和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度,再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降,将所有管段压降相加,得出总阻力。    
     
9 水泵选型     
   根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失,再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失,确定水泵的扬程,需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程,选择满足要求的水泵型号及台数。     
   其它与常规空调系统类似,需在高于闭式循环系统最高点处(一般为1m)设计膨胀水箱或膨胀罐,放气阀等附件。    
     
九 地源热泵应用方式    
   地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类,从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。    
1家用系统   
   用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应,多用于小型住宅,别墅等户式空调。   
2 集中系统   
   热泵布置在机房内,冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。  
3 分散系统   
   用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一 般用于办公楼、学校、商用建筑等,此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上,便于计量,适用于目前的独立热计量要求。    
4 混合系统:    
   将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统,混合系统与分散系统非常类似,只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。     
    南方地区,冷负荷大,热负荷低,夏季适合联合使用地源和冷却塔,冬季只使用地源。北方地区,热负荷大,冷负荷低,冬季适合联合使用地源和锅炉,夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸,节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。    
     
 5水环路热泵空调系统   

   水环路热泵(Water-Loop Heat Pump,简称WLHP)空调系统,它由许多台水源热泵空调机(WSHP)组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起,该水管路既作空调工况下的冷源,又作供暖工况下热泵热源。水环路的冷热源可以是地源,或锅炉、冷却塔联合方式。   
 夏季运行:全部或大多数机组为供冷,热量水环路排至室外的冷源,如地源或冷却塔。    
     
十 常见问题讨论     
     
1.为什么地源热泵在美国、欧洲以及中国,尤其是近些年来为越来越多的用户所认识,市场日趋活跃呢?    
一方面是由于全世界范围内比以往更加关注能源、环境与可持续发展的问题,对于中国由于以燃煤为主的能源结构已经造成了极为严重的大气污染,因此,要实现经济的可持续发展,必须尽可能多地利用清洁的可再生能源,必须加大节能的力度,而既能在冬季供暖、又能在夏季制冷空调的地源热泵系统是很好的一个选择;    
    另一方面是地源热泵系统经过多年的研究,在技术上已经比较成熟,而且经过多年的示范与实践,确认了地源热泵系统的很多优点:节约能源、舒适、安全、性能稳定、清洁、使用灵活等。    
     
2.水环路热泵(WLHP)系统与地源热泵(GSHP)系统有什么异同?适用于什么场合?     
两者都可通过水源热泵如水-空气热泵或水-水热泵系统为建筑物提供热量或冷量,区别是WLHP系统通常是指利用冷却水塔和锅炉保持全年冬夏两季节的供水温度稳定的系统,    
而GSHP系统则通常是指通过利用地下水、地下换热系统、地表水或者地下换热系统与冷却塔、锅炉相结合等形式维持供水温度稳定的系统。   
     
对于WLHP系统适用于什么场合,有研究认为,单纯的供冷或单纯的供热选用水环路热泵是不合理的;对同时具有制冷和制热需要的空调建筑,当其内部余热量较小或较大时,使用WLHP系统节能效果不明显,只有当机组排出的热量与部分水源热泵机组吸收的热量相近时,才具有明显的节能优势。对于某一特定建筑,设计者需根据建筑物的冷热负荷曲线、使用特点、功能,所处环境等诸多因素综合评价使用WLHP系统是否节能、合适。    
一般地说,以下几种情况可考虑使用WLHP:①有低品位稳定可靠的废热可以利用;②建筑物内同时有制冷和供热的需要;制冷量不大,且又要求独立计量电费,使用时间不一,个别房间或区域经常需在夜间或节假日独立使用的建筑。     
   地源热泵系统的适用场合,对于分散式系统,类似于上述水环路热泵系统的情况;而对于集中式系统,即集中为建筑物各房间提供冷水或热水的情况,则适用范围较广,尤其适用于办公楼、学校及别墅等。     
3.对几种地源热泵系统在工程应用中的评述    
1)直接利用地下井水的地源热泵系统:其最大优点是非常经济,占地面积小,但要注意必须符合下列条件:水质良好;水量丰富;符合标准。   
     
2)地下埋管的地源热泵系统:对于垂直式埋管系统,其优点有:较小的土地占用,管路及水泵用电少,其缺点是钻井费用较高;对于水平式埋管系统,其优点有:安装费用比垂直式埋管系统低,应用广泛,使用者易于掌握,其缺点有:占地面积大,受地面温度影响大,水泵耗电量大。     
3)地表水式热泵:其优点有:在10米或更深的湖中,可提供10℃的直接制冷,比地下埋管系统投资要小,水泵能耗较低,高可靠性,低维修要求、低运行费用,在温暖地区,湖水可做热源,其缺点有:在浅水湖中,盘管容易被破坏,由于水温变化较大,会降低机组的效率。     
     
4)锅炉/冷却塔与地下埋管相结合的混合型地源热泵系统:适用于空间小,不能单独采用地下埋管换热系统的建筑,冷却塔和闭环式系统相结合制冷,节省成本;事实证明该系统是高效率、低费用的。     
4.地源热泵的运行费用怎样?经济性如何?    
    影响地源热泵使用经济性的因素有很多,如电价、用户或居民行为、气候条件以及例如非正常的炎热或寒冷季节等其它因素。但就目前国内应用实例分析来看地源热泵比传统的中央空调系统制热节省运行费用约30~70%;制冷节省运行费用40~50%。 

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