地源热泵技术工作原理及在暖通工程中的应用设计 附地源热泵在建筑空调系统设计中的应用分析.docx

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1、地源热泵技术工作原理及在暖通工程中的应用设计【关键词】暖通工程；地源热泵技术；应用设计Abstract This article describes the ground source heat pump technology works and characteristics, analyzes and discusses the engineering design of ground source heat pump.Key words HVAC engineering;Ground source heat pump technology;Application Design地源热泵技术

2、是一种高效的节能环保型供热、空调技术。该技术是以地球表 面浅层地热资源作为冷热源，利用热泵工作原理，通过少量的高位电能输入、实 现低位热能向高位热能转移的一种技术。地表浅层地热资源是指地表土壤、地下 水河流、湖泊吸收太阳能而蕴藏的低位热能，是一种清洁、可再生的能源。地源 热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，在美、加与欧洲 已有几十年的应用历史，应用范围涉及空调、采暖、生活热水供应及一些工业和 工程上的冷热源提供，被美国能源部与环保署共同认为是当今世界上最高效，最 环保清洁的供暖与空调技术。随着常规能源资源的日趋减少和人们对节能、环保 要求的不断提高，地源热泵技术将在我国的采

3、暖空调等行业有较大的应用和发 展。1 .地源热泵技术的工作原理1.1 地源热泵的分类。根据地热源的种类和方式不同，地源热泵可分为以下 三类：(1) 土壤源热泵土壤源热源(也叫大地耦合式热泵)以大地作为热源，热 泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水 水或热泵机组或水气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分 为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。(2)地下水热泵系统地下水热泵系统，是一种以水体为低位热源，利用地 下水式水源热泵机组为空调系统制备与提供冷/热水，再通过空调末端设备实现 房间空气调节的系统形式。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统 低，另外水

4、井很紧凑，不占什么场地，技术也相对比较成熟，水井承包商也容易 找。但存在其劣势就在于：有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水 有限；如水质不好或打井不合格要注意水处理；如泵选择过大、控制不良或水井 与建筑偏远，泵耗能就会过大。(3)地表水热泵系统地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。地表水热泵 系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。在寒冷地 区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。但是，在公共用的河水中，管道或 水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着 室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低，制冷或供热能力降低的后果。1.2 地源

5、热泵的工作原理。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能 换热系统、热泵机组和室内空调末端系统。工作原理就是在地下埋设管道作为换 热器，管道与热泵机组连接形成闭式环路，管道中有液体流动通过循环将热泵机 组的凝结热通过管道散入地下(供冷工况)，或从大地吸取热量供给热泵机组向 建筑物供热(供热工况)。其中水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，水源热泵与地能之 间换热介质为水，与建筑物空调末端换热介质可以是水或空气，系统的关键是大 地换热器的设计和施工。2 .地源热泵技术的特点2.1 地源热泵是清洁的可再生能源利用技术。地表浅层土壤和水体是一个

6、巨 大的太阳集热器，同时地球深部的热能也会通过地表向大气层散失。人类每年消 耗的全部能量，只是地表吸收和散发的太阳能和地热能的极小的一部分。地表能 量被利用后，可由太阳能和地球深部传导上来的热量很快平衡，不会对自然界的 能量系统造成不良影响。因此浅层地表能量是一个取之不尽的可再生清洁能源 库。2.2 高效、节能，运行费用低。地下土壤或水体温度冬季比环境温度高，夏 季比环境温度低，且始终保持较为稳定的状态。由于这一特点，地源热泵机组的 运行能效比或性能系数上升。美国环保署估计，设计安装良好的地源热泵，平均 来说可以比常规空调节约40%50%的运行费用。2.3 一机多用运行稳定、可靠。地源热泵系统

7、可供暖、制冷和提供生活热水, 对于同时需求供暖、供冷的建筑，地源热泵一套系统就可同时解决，节省了建筑 的配套建设费用和配套设施占用面积，从而也增加了经济性。2.4 运行稳定可靠，寿命长。由于土壤或水体的温度较为稳定，无论是寒冬 还是酷暑，机组都在较为稳定的工况下运行，保证了机组的高效性，并有利于延 长其使用寿命。通常，地下埋管部分的使用寿命可长达5()年，热泵机组的寿命 可达20年以上。2.5 与空气源热泵相比，地源热泵性能不受空气温度变化的影响，冬季不存 在除霜问题，采用地源热泵中央空调的建筑，室内温度稳定，并因运行费用低， 设计上可加大新风量，保证室内的舒适度。2.6 系统简单，维护费用低

8、。地源热泵中央空调系统组成简单，地下或室外 部分几乎不需维护，室内部分的维护只需普通的制冷空调工即可胜任。2.7 可实现区域控制，便于物业管理。区域控制最大的优点是，各区域机组 可在同一时刻各自独立进行制冷或制热运行，避免能源浪费，充分体现地源热泵 中央空调系统的节能性和舒适性。2.8 结构紧凑，节省机房面积。不需大型冷冻机房和锅炉房，不需冷却塔， 不影响建筑美观。小规格机组形式多样，可直接安装在室内，与室内装修融为一 体。3 .地源热泵的工程设计应用3.1 关于地下水源开采、回灌和土壤换热器的比较。(1)近几年来地源热泵的部分形式是地下水源开采回灌形式的水源热 泵系统。这种形式面临的最大问题

9、是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降, 地面沉降问题一直很严重，多年来面临严重的地沉问题，在利用向地下回灌来控 制地面沉降的技术已用多年，积累了很多经验教训。(2)地源热泵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。(3)采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏 自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新

10、和维修 潜水泵的烦恼。3.2 冬季避免采用防冻液介质。很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。在我国华北及以南区域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数 量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不 慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。3.3 系统的管材必需采用高强度惰性材料。土壤换热器系统设计要保证水系 统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。3.4 关于竖直埋管埋设。单U型或双U型管的问题从工程实践中看，总体 来说单U型管方式优于双U型管方式，但是同样的换热量单U型管需要更多的 孔数而增加了建设成本。3.5 系统设计参数讨论。关于(冷)热源侧水流量，要由

11、最大得热量和最大 释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度，埋管材料，管径 大小，当地地源条件以及机组的特性要求。一般，如提高水流速度可适当增加换 热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水 泵能量消耗。一般可取流速为0.65L5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设 计。优化设计时其复合能耗与埋管长度、埋管材料、管径、地源温度、地源热指 标、机组特性等因素有关。在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出 的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组冬季的蒸发温度和冷凝 温度。总之，我国幅员辽阔，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。

12、 因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。4 .结语总之，开源节流，尤其是开发各种可再生新能源将是我国经济可持续发展的 关键。我国地域宽广，蕴藏着丰富的地表浅层地能资源，因地制宜地采取不同形 式的地源热泵技术可以有效地提高低温地热资源，同时克服传统暖通空调技术的 局限和不足，是非常有意和具有实际价值的，在节约能源、防治环境污染和城市 现代化方面有着较大的意义。参考文献1马宏权，龙惟定.世博园区江水源热泵技术应用J.建设科技.2010 (12).2樊玉杰，吴建华，张方方，方肇洪.地源热泵与太阳能供热空调复合 系统的工程应用J.中国建设信息供热制冷.2010 (03).3袁龙，

13、浅层地热能引领节能新潮流J.中国建设信息供热制冷.2010 (02).4陈昌富，吴晓寒，王陈栋.地埋管地源热泵系统及存在问题分析J. 探矿工程(岩土钻掘工程).2009 (10)地源热泵在建筑空调系统设计中的应用分析摘 要：在进行建筑空调系统设计的时候地源热泵设计是非常重要的，其不 仅可以提高建筑空调系统的节能性能，同时还可以提高空调系统运行的稳定性。 地源热泵系统可以对房间进行冷热两种形式的供应，不仅可以满足人们对温度的 需求，同时还能够在一定程度上提高建筑空调系统的使用性能。本文就地源热泵 在建筑空调系统设计中的应用进行研究，希望能够在一定程度上提高人们生活的 质量。关键词：地源热泵；建筑

14、空调系统；设计随着现代社会发展速度的不断提高，人们对生活质量的要求也在不断提高， 因此为了提高建筑室内的环境质量，我们必须要不断加强清洁能源在建筑中的应 用。地源热泵技术在进行应用的谩程中，可以通过吸收大地上的冷气和热气来满 足人们的需求，这样建筑空调系统才能发挥出更大的作用。地源热泵空调系统在 进行供热和制冷的过程中，使用的是地层浅表资源，这是一种新型的能源利用技 术，其可以将土壤中的冷量和热量根据人们的需要来进行转移。1地源热泵在我国的发展在我国地源热泵大的利用范围是非常广泛的，在九十年代地源热泵就已经开 始得到广泛的利用了，在我国的西北地区、东北地区等的地源热泵开发、应用都 是以供暖为主

15、。我们必须要不断提高建筑空调系统设计中地源热泵的应用效率， 这样建筑在投入使用之后排放的有害物质才能得到减少，建筑的环保性能才能够 得到提高，建筑施工企业的经济效益才能够得到提升。现在我国很多地区都已经了应用地源热泵技术，并且在很多建筑示范工程中 都已经得到了非常广泛的应用，在我国旅游业相对来讲比较发达的地区一般主要 是利用地源热泵来进行烘干和制冷，随着地源热泵地区应用范围的不断推广，我 国的中低温热水已经逐渐开始向着产业化、规模化的方向发展了，因此国家必须 要不断加大对地源热泵技术的重视度，这样地源热泵技术才能得到更加健康的发 展。地源热泵相比较于传统的供暖系统而言在供热方式上有很多的不同，

16、这样建 筑空调系统的节能性能才能得到提高。地源热泵系统不仅在一定程度上解决了空 调系统对环境造成污染的问题，同时其的发展前景也是非常广泛的，其完全可以 取代其他的供暖方式，比如：锅炉等，地源热泵系统的能源主要来源于太阳能， 是一种可再生的能源，地源热泵系统可以提高建筑的绿色环保性能和建筑的节能 性能，因此我们要不断推广地源热泵的应用，这样建筑的使用性能才能得到提高。2地源热泵特点在进行空调系统设计的时候，必须要不断提高对地源热泵系统的应用，这样 建筑的环保性能和经济性能才能够得到提高。地源热泵不仅具有使用费用非常低 廉的特点，还有着可循环利用的特点。4.1 地源热泵技术具有可再生能源利用优势相

17、比较于很多不可再生资源而言了，地源热泵资源本身具有和太阳资源一样 的特点，也是一种可在生的资源，其的热源主要是来自地表浅层的资源，其不仅 可以有效的进行能源供给，同时也可以对能源进行转换。水和土壤都可以进行能 源储存，地表的资源本身具有不受环境和空间限制的特点，利用地表的资源转化 为人们所需要的资源不仅可以实现对资源的合理利用。地源热泵系统作为一种新 型能源，其本身具有可持续发展、可再生的性能。4.2 地源热泵具有经济节能优势地源热泵的节能性能是非常突出的，在河流、土壤和湖泊中都能够得到获取 到资源，给地源热泵系统能源转换提供了非常稳定的能源供给客观条件。据调查, 应用地源热泵技术进行建筑空调

18、系统的设计要比传统的空调运行费用节省 40070左右。而且。土壤、水等地表资源相对稳定的温度为地源热泵的稳定运行 提供了高效、经济的条件。经过调查，技术成熟的地源热泵系统在用户供热制冷 空调的运行费用上可以节约30-0%,大大降低了人们平常使用传统空调的运行费 用。具有不可比拟的经济节能优势。4.3 地源热泵污染物排放更少与其他的供热制冷方式相比，地源热泵的污染物排放更低，从环保、低碳的 角度来讲是一种更加绿色的节能方式。在污染物的排放上，据调查结果显示，地 源热泵的污染物排放比电供暖减少70%以上，比空气热源泵减少40%以上。3地源热泵在建筑空调系统设计中的应用推广地源热泵在国内也被称为地热

19、泵。根据地热源的种类和方式不同可分为土壤 源热泵、地下水热泵系统、地表水热泵系统。目前建筑空调设计最常用的是地埋 管地源热泵系统。而今，世界范围内的能源环保压力越来越大。中国在能源环保方面也同样面 临着严重的挑战。在经济保持高速增长的同时.国家也在严肃考虑环保、资源的 可持续发展问题。这就要求从各个行业、各个方面提高能源利用率，要求能源结 构的调整和有效利用。例如在北京。已经提出使用清洁能源改造取暖方式。而随 着人们生活水平的提高。空调的使用率也在逐年提高.空调拥有率上海居民已超 过60%,北京占34%。城镇居民拥有率20%.空调成为冰箱、彩电后普及的又一 种主要家电。能源的消耗加大，污染加重

20、。在满足人们生活环境改善的同时,国 家要考虑采用优势更多的技术满足经济环境和谐发展的各种需求.因此，地源热 泵技术在建筑空调系统中的设计与应用就将成为最具竞争的建筑空调方式。而且 在未来的发展中有着广阔的前景。4地源热泵系统发展的前景虽然存在各种困难，地源热泵技术作为一项有效的暖通空调节能技术，因其 自身的清洁、节能等特点，存在一定的推广价值。在国外，由于起步较早，此技 术已经基本成熟，并开始逐步应用于各种建筑中，并且针对不断出现的问题进行 调整。我国的地源热泵系统的应用研究工作相对较晚，但随着技术的引进与需求 的提高，在一些建筑工程中已逐步采用了地源热泵技术进行空调系统的设计与应 用。随着技

21、术障碍的不断被克服，在地源热泵的应用上.一些制约因素将会逐步 被克服，为地源热泵的应用于发展提供便利条件。我国幅员辽阔。地域的气候和 土壤条件各不相同，但大部分地区都是冬冷夏热，都符合地源热泵的使用条件。 因此，地源热泵系统在建筑空调系统的设计与应用中有着广阔的天地。利用其经 济、节能、维护费用低的优势。相信地源热泵技术越来越多、越快的为广大群众 所认可和接受。在实际使用的过程中。只要发挥其突出的优势，规范其弊端，正 确定位，地源热泵系统有着相当大的发展空间。5总结综上所述，地源热泵系统的能量一般主要来源于地下的能源，地源热泵系统 有一个非常大的优点那就是并不会排放废渣、废气和废水，地源热泵系

22、统的环保 性和节能性是非常强的，被认为是一种对环境最友好的一种供热和供冷系统，其 在热带地区和严寒地区都可以进行应用。在别墅、医院、办公楼以及商场等地区 地源热泵系统都能进行使用，在进行建筑空调系统设计的时候要不断加强对地源 热泵应用的重视度，这样建筑行业的发展速度才能得到提升。参考文献1郝赫，宋晓玲，张素芳，等.单因素敏感性分析在地源热泵地埋管换热器 系统设计中的应用J.暖通空调，2016, 46 (2)： 90-95.2赵登科.地源热泵在暖通空调设计中的应用J,工程技术：全文版，2016 (33)： 00286-00287.3刘洋,地源热泵在建筑节能技术中的设计应用J.门窗，2016 (5)： 41-41.4张海云，余跃进，柏文，等.某大型办公建筑的地源热泵空调系统方案设 计J.建筑热能通风空调,2016, 35 (4)： 89-92.