地源熱泵系統(tǒng)原理及地源熱泵系統(tǒng)分類
時間:2022-01-28
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一、地源熱泵系統(tǒng)的分類
1.埋管式地源熱泵系統(tǒng)也稱地下耦合熱泵系統(tǒng)或土壤熱交換器地源熱泵，包括一個土壤耦合地熱交換器。它或是水平安裝在地溝中，或是以U形管狀垂直安裝在豎井之中。通過中間介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質(zhì)在土壤耦合地熱交換器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地土壤進行熱交換的目的。
1）水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。
比較簡單的方式是當室內(nèi)負荷比較小，土壤換熱器長度比較短，可以把與單回路管子隨開挖土方施工直接埋入地下。
當室內(nèi)負荷比較大，土壤換熱器長度比較長，就需要考慮換熱器的布置問題，常有的布置方式有以下兩種。
?。╝）串聯(lián)式水平埋管
（b）并聯(lián)式水平埋管
2）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)
?。╝）比較簡單的方式是，當室內(nèi)負荷比較小，土壤換熱器長度比較短，換熱器井數(shù)比較少，可以直接接入機房。
?。╞）當室內(nèi)負荷比較大，土壤換熱器長度比較長，就需要考慮換熱器井群的布置問題，一般是若干口井匯集到集水器中，然后統(tǒng)一由干管接入機房。
?。╟）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊形式叫：樁基換熱器（或叫做能量樁），即在樁基里布設在換熱管道。
（d）地熱智能橋，類似樁基換熱器，由橋板中埋管的地源熱泵自動融雪的橋被稱為地熱智能橋。雪落到橋面后，這些盤管利用地熱將雪融化。地源熱泵的開啟靠輸入的當?shù)貧庀髤?shù)來控制。
3）螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)
?。╝）長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)
?。╞）長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（盤旋布置埋管地源熱泵系統(tǒng)）
（c）埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊布置形式叫： 溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)，也有學者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。
2. 地下水熱泵系統(tǒng)
也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。
無論是深井水，還是地下熱水都是熱泵的良好的低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運行十分有利。深井水的水溫一般月比當?shù)貧鉁馗?—2℃。
通常系統(tǒng)包括帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運行。
單井換熱熱井，也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國外常稱為“熱井”。在這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護套，直徑和孔徑一直；在地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設施。熱泵機組出水直接在孔洞上部進入，其中一部分在地下水位以下進入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機組供水。這一方式主要應用于巖石地層，典型孔徑為150mm，孔深450m。
3.地表水熱泵系統(tǒng)
由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū)需要進行防凍處理。利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。
4.直接膨脹式
它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的蒸發(fā)器直接埋入地下進行換熱，即制冷劑直接進入地下回路進行換熱，由于取消了板式或者套管式式換熱器，換熱效率有所提高，但是由于制冷劑使用量比較大，整體經(jīng)濟性和安全性不高。
二、地源熱泵應用方式
地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類。
1.家用系統(tǒng)
用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統(tǒng)進行冷熱供應，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。
2.商用系統(tǒng)
從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。
1）集中系統(tǒng)
熱泵布置在機房內(nèi)，冷熱量集中通過風道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。
2）分散系統(tǒng)
用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反映在用電上。便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。
3）混合系統(tǒng)
將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。
南方地區(qū)，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。
分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。
4）水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)
它由許多臺水源熱泵空調(diào)機組成。這些機組由一個閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調(diào)工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。
夏季運行：全部或大多數(shù)機組為供冷，熱量由水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。
春季/秋季運行：對有內(nèi)區(qū)與周邊區(qū)的建筑物，會出現(xiàn)內(nèi)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱，內(nèi)區(qū)的熱量就可被周邊區(qū)所利用，即內(nèi)區(qū)空調(diào)的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時，室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建筑物內(nèi)部轉移，運行費用最少，節(jié)能效果明顯。
三、地源熱泵機組供冷、供暖運行原理
下圖是地源熱泵機組供冷、供暖運行原理圖。
夏季：冷凝器一側：（如前地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行原理所講）將從深井取出的低溫水，或者是與深井低溫水（土壤中的含水層）換熱后的冷水直接通過水泵送入冷凝器，如下圖從進水口1進入，低溫水在冷凝器中與高溫高壓的氟里昂進行熱交換，把氟里昂的熱量帶走，降低氟里昂的溫度。得到熱量后溫度升高的水源從冷凝器出水口1出來回灌至地下（或者再次與地下水換熱，得到低溫冷水）。完成一次冷卻過程/循環(huán)。
蒸發(fā)器一側：用戶端循環(huán)水進入蒸發(fā)器，如圖從進水口2進入，蒸發(fā)器中氟里昂蒸發(fā)吸熱，帶走水中的熱量，使循環(huán)水溫度降低（按國家標準一般降至7℃），冷凍水經(jīng)過水泵做功送至用戶端，達到制冷的效果。
冬季：冷凝器一側：通過外管路切換，用戶端循環(huán)水進入冷凝器，如圖從進水口1進入，低溫水（約40℃左右）在冷凝器中與高溫高壓的氟里昂進行熱交換，把氟里昂的熱量帶走，降低氟里昂的溫度。得到熱量后用戶端管路水溫度升高，熱水（一般在40-60℃之間）再經(jīng)過水泵做功送至用戶端，給建筑物供暖。
蒸發(fā)器一側：將從深井取出的低溫水，或者是與深井低溫水換熱后的冷水直接通過水泵送入蒸發(fā)器，如圖從進水口2進入，蒸發(fā)器中氟里昂蒸發(fā)吸熱，帶走水中的熱量，使井水溫度降低（一般可以降至7℃），然后從出水口2出來回灌至地下（或者再次與地下水換熱，得到較高溫度的水源）。完成一次取熱過程/循環(huán)。
