地源熱泵系統講座
時間:2022-02-06
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1、1地源熱泵系統講座序地源熱泵系統的能量來源于地下能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的“綠色空調”。被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。該系統無論嚴寒地區或熱帶地區均可應用。可廣闊應用在辦公樓、賓館、學校、宿舍、醫院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。一、地源熱泵系統原理1、地源熱泵的定義地源熱泵系統是一種機械式蒸氣壓縮/制冷循環的運行系統，該系統將熱量排入地表層或從地表層吸收熱量。地源熱泵（GSHP）是一個廣義的術語，它包括了使用土壤、地下水、和地表水作為熱源和冷源的系統，即地下耦合熱泵系統（ground-coupledheatpumpsystems,GCHPs），也叫地下熱交換器地源熱泵系統（groundheatexc
2、hanger）。包括了地下水熱泵系統（groundwaterhearpumps,GWHPs），地表水熱泵系統（surface-waterheatpumps,SWHPs）。地源熱泵通常還被稱為：地熱熱泵系統（geothermalheatpumps,GHPs），地能系統（earthenergysystems），地源系統（geound-sourcesystems,GS）等。1997年以后，由ASHRAE統一為標準術語—地源熱泵（ground-sourceheatpump,GSHPs）。2、技術原理熱泵技術是在高位能的拖動下，將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術。它可以把不能直接利用的低品位熱能（如空氣、土壤、水、太陽能、工業廢熱等）轉化為可利用的高位能，從而達到節
3、約部分高位能（煤、石油、天然氣、電能等）的目的。利用低位熱能的熱泵技術可以節約燃料、合理利用能源、減輕環境污染，作為一條節能與環保并重的途徑。有研究表明，與區域鍋爐房的2能耗比較，相同容量的熱泵站的能耗：用河水（5～6.6℃）作為低位熱源時，年節煤率為12.68～14.08%；用海水（12～13.6℃）作為低位熱源時，年節煤率為21.59～39.98%；用工業廢水（18～20℃）作為低位熱源時，年節煤率為39～39.98%。熱泵的效率與建筑物室內和室外環境的溫差有關，溫差越小，熱泵的效率越高。有研究表明，從熱泵機組冬季運行中除霜的角度來看，空氣源熱泵的使用不但與室外溫度有關，而且與室外大氣的相對溫度密切關系，這大大限制了它的使用范圍。采用地源熱泵系統，由于
4、土壤的溫度比室外空氣溫度更接近室內的溫度，若設計合理，地源熱泵可以比空氣源熱泵具有更高效率和更好的可靠性。此外，因為相同體積流量水的熱容是空氣的3500倍，水與制冷劑的換熱效果遠好于空氣與制冷劑的對流換熱，因此地源熱泵的換熱盤管要比空氣源熱泵小得多，且地源熱泵系統的構件較少，使其運行費用可以降低。二、地源熱泵系統組成地源熱泵中央空調系統一般由土壤熱泵空調機組、室內末端設備和地下埋管換熱器系統三部分組成。地源熱泵空調機組是一種水冷式的供冷/供熱機組。機組由封閉式壓縮機、同軸套管式水/制冷劑熱交換器、熱力膨脹閥（或毛細膨脹管）、四通換向閥、空氣側盤管、風機、空氣過濾器、安全控制等所組成。機組本身帶有一套可逆的制冷/制熱裝置，是一種可直接用于供冷/供熱的熱泵空調
5、機組。在冬季，地源熱泵系統通過埋在地下的封閉管道（稱為環路）從大地收集自然界的熱量，而后由環路中的循環水把熱量帶到室內，再由裝在室內的地源熱泵系統驅動的壓縮機和熱交換器把大地的能量集中，并以較高的溫度釋放到室內；在夏季，此運行程序則相反，地源熱泵系統將從室內抽出的多余熱量排入環路而為大地所吸收，使房屋得到供冷，尤如電冰箱那樣，從冰箱內部抽出熱量并將它排出箱外使箱內保持低溫。地源熱泵機組采用標準構件，需要時各部件的修配和更換很方便。因為設3計簡單，并不需要高技術的操作工程人員的服務。唯一需要經常保養的是空氣過濾網和凝結水盤的清潔。系統設計簡單，靈活、安裝快速。機組已在工廠組裝好并自帶溫度控制裝置，現場工作只是少量低壓風管、電氣連接裝置不需要保溫的水管的連接。
6、管道可采用鋼管、銅管或塑料管。維修方便快捷，機組結構堅固，壽命長久。熱泵機組的功率系數（COP）可達到4以上，即1千瓦電輸入，有4千瓦冷量輸出的高效率。三、地源熱泵與常規中央空調的比較項目地源熱泵中央空調溴化鋰吸收式直燃機組水冷機組+燃油（氣）熱水鍋爐水冷機組+電熱鍋爐家用空調占地面積機房占地面積小,可采用小機組靈活安裝在各個房間,可不用專用機房。機房占用面積較大。需要冷凍房和鍋爐房，占用面積較大。需要冷凍房和鍋爐房，占用面積較大。安裝在屋面或室外，安裝煩瑣，維修不便。冷水機組20年冷水機組20年設備壽命25年10—15年燃油鍋爐10年電鍋爐15年10年水資源消耗利用土壤和地下水的熱量，不消耗水資源。夏季冷卻水消耗量為循環量的1-2%，冬季供熱的排污補水。
7、夏季冷卻水消耗量為循環量的1-2%，冬季供熱的排污補水。夏季冷卻水消耗量為循環量的1-2%，冬季供熱的排污補水。不消耗水資源。能源消耗電能，能效比為4-6以上。燃油或燃氣，能源利用系數80%。夏季：利用電能,能效比為3.5-4.5，冬季：燃油或燃氣,能源利用系數80%。夏季：利用電能,能效比為3.5-4.5,冬季：燃油或燃氣，能源利用系數90-95%。電能,額定工況下能耗比3.0-3.5,隨氣溫不同有較大變化。環境保護無燃燒，無污染。有燃燒污染，冷卻塔有一定的噪音和水霉菌污染。有燃燒污染，冷卻塔有一定的噪音和水霉菌污染。無燃燒污染，冷卻塔有一定的噪音和水霉菌污染。噪音較大設備維護和運行費用系統組成簡單，運行費用低，維護方便，節約50-80%費用。水泵和冷卻
8、塔能耗較大,機組冷量衰減快,維護和運營費用高。需要制冷和加熱兩套機組和人員，運行維護復雜，鍋爐房需要設置安全措施。需要制冷和加熱兩套機組和人員，運行維護復雜，冬季運行費用高。熱泵性能受到氣溫影響大，運行費用較高。控制靈活性可分區域控制，各區域可單獨制冷或制熱，互不影響。集中控制，不能單獨選擇制冷或制熱。集中控制，不能單獨選擇制冷或制熱。集中控制，不能單獨選擇制冷或制熱。集中控制，不能單獨選擇制冷或制熱。4投資可分期投資，根據需要逐臺加裝地源熱泵機組。必須一次性投資。必須一資性投資。必須一資性投資。可分期投資。四、地源熱泵系統的形式1、地下水系統（開環）地下水系統（開環）以地球作為自然熱源及冷源的應用已近40年了，地下水系統吸取水井從地表土壤層中吸取熱量，與
9、地熱泵機組的熱交換器中的制冷劑進行熱交換，然后由回水井回到地表土壤層或按當地規章簡單排放。不管外界是冷或熱，地下水的溫度保持非常穩定（通常冬夏溫差1℃之內），地下水系統很適用于已有水井的家庭或地下水源豐富的住家。當系統可以利用地下水時，安裝的費用將是最低的，但由于可能導致管路阻塞，更重要的是可能導致腐蝕發生，通常不建議在地源熱泵系統中直接應用地下水。2、垂直系統（閉環）土壤源熱泵空調系統是以大地為熱源對建筑進行空調，冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高品位對建筑供暖，同時儲存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑內的熱量轉移到地下，對建筑進行降溫，同時儲存熱量，以備冬用。土壤熱泵中央空調系統采用的是深層土壤（垂直埋管）形式。深層土壤（垂直埋管）形式埋管深度約60
10、米左右，熱源穩定且置于土壤中進行封閉式熱交換而不抽取地下水，對地下水無污染，是目前主要采取的一種地源熱泵形式。3、水平系統（閉環）與垂直系統性質一樣，水平系統通過埋在地下的密封及耐壓的塑質閉式管路系統，水或防凍溶液在管路中循環，管路放置于水平溝渠中，而不是放置于垂直孔井中，深度為1.2-1.8米，水平系統適合于面積比較空曠區域，在北方冬季應用有防凍處理。4、湖/地系統（閉環）是具有節能優點的最經濟的閉環系統，這一系統利用附近的池或湖，與垂直系統及水平系統一樣，水或防凍溶液在密閉的塑質閉式及耐壓的塑質閉式管路系統中循環，管路系統侵入池中或湖中，而不是將管路放置于垂直井中或水5平溝渠中，可以利用池或湖水的穩定溫度，而且具有顯著的散熱性能，不需要鉆井，只需少量的
11、溝渠，費用降低。五、地源熱泵系統的特點1、利用可再生能源，環保效益好。地源熱泵系統不用抽取地下水，對環境無污染，無室外機，不于室外空氣接觸，又對建筑物里外無任何影響，是目前倡導的綠色建筑空調系統的典型代表。2、高效節能，運行費用低。地源熱泵機組采用溫度恒定的底下土壤或水源作為能源，能效比COP在3.5～4.5之間，比空氣源熱泵高出40%左右，運行費用比常規中央空調系統低40%～50%，比空氣源熱泵系統低30%～40%。根據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵系統平均可節約用戶30%～40%的運行費用。在電力等資源緊張的今天，使用地源熱泵系統更符合國家建設節約性社會的要求。3、運行安全穩定，可靠性高。無燃燒設備，無爆炸隱患，使用安全。如使用燃油、燃氣
12、鍋爐供暖，其燃燒產物對居住環境污染及重，影響人們的生命健康。地源熱泵利用常年溫度恒定的地下土壤或水源，夏季不會向大氣中排除廢熱，加劇城市的“熱島”效應；冬季不受外界氣候影響，運行穩定可靠，不存在空氣源熱泵除霜和供熱不足的問題。4、空調主機便于布置，使用范圍廣泛。空調主機體積小，機組安裝在儲藏室等輔助空間，即可制冷，又可制熱，也不需要較高的入戶電容量。（未完，待續）
