2013年暖通工程师复习资料11

　　地源热泵系统构成与原理

　　系统构成：

　　地源热泵(也称地热泵)是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。

　　地球是一个巨大的蓄热体，一年四季其地表5m以下的土壤温度十分稳定，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。地源热泵机组工作原理就是在夏季从土壤或地下水中提取冷量，由热泵原理通过空气或水作为载热剂降低温度后送到建筑物中，而冬季，则从土壤或地下水中提取热量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中，从而实现的热交换过程。需要特别指出的是：地热泵中的冷热源不是指地下的热汽或热水，而是指一般的常温土壤、地表水、地下水。

　　1.2地耦管热泵系统

　　以导热好、抗腐蚀、强度高且可绕曲的材料制成管路，内有导热流体(水或防冻剂)同土壤直接换热后，进入水源热泵机组的热交换器与其换热。当制冷供暖面积较小、周围有较大空地时，采用水平敷设地锅管路系统较合理，初投资较小;当制冷供暖面积较大、周围有一定空地时，可采用垂直敷设地锅管路系统，但其初投资相对较大。

　　与传统的中央空调比较

　　燃煤锅炉对环境的污染严重，而燃油及电锅炉采暖造价及运行费用皆较高，让人难以承受，也不符合国家长期发展的能源政策，而地源热泵空调技术是国家科技部重点推广的项目，也是国家节能设计手册优先选用的冷(热)源方式。因此，近十几年来，尤其是近五年来，中国的地源热泵市场日趋活跃。

　　通常消耗l kw的电能或获取4kw的热量或冷量，与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比，锅炉供热只能将90%一98%的电能或70%一90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省l/3以上的能量;由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10℃一25℃，其制冷、制热系数可达3.5―4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%一60%。

　　地源热泵系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点，不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。

　　国内外地源热泵的发展历史及前景

　　在中国传统的空调系统概念中，在过去相当长的时期，南方以水冷机组解决夏季制冷问题，中、北方以燃煤锅炉解决冬季取暖问题。20世纪80年代以后，出现了溴化锂机组、风冷机组，90年代以后，从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。但是，替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生的能源，且采暖造价及运行费用皆较高，因此必须寻找可以再生的能源，从而提出了地源热泵空调新技术。

　　在国外，地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史，但发展相当迅速。如美国，截止1985年全国共有14000台地源热泵，而1997年就安装了45000台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中新建筑中占30%。

　　与美国有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管(埋深小于400m深)的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。

　　安全省地方面

　　热泵系统在冬季供热时省去了锅炉房系统，没有燃烧过程，无燃烧设备，避免了有害烟尘和有害物质的排放，从而不存在爆炸、燃烧的隐患。热泵机组运行安全、可靠、稳定，几乎不受天气及环境温度变化的影响，符合环保理念。

　　与燃气和燃油锅炉系统相比，省去了储油设备和燃气管道的敷设，若是燃煤锅炉系统则可以省去锅炉房及与之配套的煤场和渣场，而夏季制冷时则可以省去冷却塔所占面积，大大减少了机房的占地面积，节约了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象，提高了建筑物的使用率。

　　高效节能方面

　　地温一年四季基本稳定，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率。冬季，投入1kW电能，可以得到4kW左右的热能;夏季，投入1kW的电能，可以得到5kW以上的冷量。系统的高效率，压缩机的低能耗，使运行费用大幅减少，只有传统方式的2/3。

　　热泵系统之所以节能，很重要的一点就是换热器位置的设置，传统的空调系统中，不管是水冷或风冷，其换热器对建筑立面造型均起一定的破坏作用。水冷换热器须配置冷却塔，且必须置于大气中，风冷机组也一样，都要暴露于建筑物之上的大气之中，这难免要对建筑立面造型造成不好的影响。风冷换热器和水冷换热器的换热环境均为大气，和大气换热不可避免地受到环境条件变化的影响。在夏季，当室外温度达到40 ℃时，由于换热效率的降低，主机的制冷量将下降20 %～40 %;在冬季，当室外温度下降到- 10 ℃时，供热量将下降到15 %～30 % ，而且要反复地冲霜来保证机组的正常运行。而对于地源热泵机组来讲，换热过程是和大地来完成的，换热对象是1.5 m以下的地层，其初始温度大约等于年平均气温，一般在14～16 ℃左右，基本不受外界环境的影响。

　　环境保护方面

　　众所周知，普通空调对环境的影响是不言而喻的，它不仅对大气臭氧层造成严重破坏。夏季，风冷机组将废热排入大气，使室外温度升高，还将水蒸气带入大气中;冬季，风冷机组吸收大气环境中的热量，导致恶劣的大气环境更加恶劣。因此，要保证空调运行对环境不产生任何影响，必须要改变换热对象，即不与大气换热，而变成与大地换热。在换热过程中，地下换热器在夏季将多余的热量排到大地中，在冬季又将热量取回，以达到冬夏取散热量平衡，达到制冷和供暖的目的。