【正文】 地源熱泵與集中供熱采暖方式的競(jìng)爭(zhēng)能力。 地源熱泵技術(shù)在中國(guó)推廣過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題 任何一項(xiàng)新事物的出現(xiàn)總是要受到人們的質(zhì)疑，對(duì)于地源熱泵這項(xiàng)新技術(shù)同樣可能會(huì)遇到一些阻力。首先，中國(guó)有關(guān)地源熱泵的現(xiàn)成技術(shù)資料不多，還缺少這方面的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)技術(shù)人員，同時(shí)，由于在中國(guó)生產(chǎn)地源熱泵相關(guān)設(shè)備的廠家少，人們對(duì)它還比較陌生，大多抱著觀望的態(tài)度，這樣的情形不利于這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)的推廣。其次，我國(guó)現(xiàn) 在還沒(méi)有出臺(tái)促進(jìn)地源熱泵技術(shù)發(fā)展的相關(guān)優(yōu)惠政策，這使部分想采用地源熱泵系統(tǒng)的用戶由于看不到眼前利益而采用其它的空調(diào)系統(tǒng)。為了鼓勵(lì)用戶采用地源熱泵系統(tǒng)，我國(guó)可以提供鼓勵(lì)性補(bǔ)貼和資助給購(gòu)買地源熱泵系統(tǒng)的用戶，或者采用調(diào)整能源價(jià)格的方法，使能源價(jià)格合理化，給予這些用戶一些實(shí)惠，鼓勵(lì)人們采用地源熱泵系統(tǒng)。還要說(shuō)明的一點(diǎn)是，世界上熱泵技術(shù)比較發(fā)達(dá)的北美、北歐和中歐國(guó)家由于氣候條件基本上只用于供熱，對(duì)地源熱泵夏季制冷工況研究較少。而我國(guó)幅員遼闊，地處溫帶，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地區(qū)氣象條件差異很大，同樣的建筑 在不同的地區(qū)，其負(fù)荷情況可能迥然不同。因此，我們不能照搬外國(guó)的技術(shù)成果，必須投入大量的科研經(jīng)費(fèi)和研究人員進(jìn)行研究，使其適合中國(guó)的氣候特點(diǎn)，這也在一定程度上延緩了這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)的推廣。但可以相信，地?zé)崮芫哂袕V泛的應(yīng)用前景，在不久的將來(lái)，地?zé)崮軐⒃谑澜缒茉蠢媒Y(jié)構(gòu)中占有更大的份額。隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和對(duì)“綠色能源”的日益重視，地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)也將得到前所未有的發(fā)展。 本文研究的主要內(nèi)容 第二章 工作原理和制冷劑的選擇 2． 1 熱泵原理 熱泵，就像水泵能把低位水提升到高位一樣可以把熱從低溫端傳送到 高溫端。它是一種可以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器之間功能轉(zhuǎn)換的機(jī)械，實(shí)質(zhì)上是另一種形式的制冷機(jī)。 地源熱泵 （ Groundsource heat pump） 是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于 400 米深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的 高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。地源熱泵系統(tǒng)就是把傳統(tǒng)空調(diào)器的冷凝器或蒸發(fā)器直接埋入地下，使其與大地進(jìn)行熱交換，或通過(guò)中間介質(zhì)作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過(guò)大地循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行熱交換的目的；地上部分的空調(diào)器傳熱 過(guò)程與 傳統(tǒng)的 HVAC 一樣。地源熱泵系統(tǒng)作為一種“綠色空調(diào)”，是以大地為熱源對(duì)建筑進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。冬天，通過(guò)熱泵將大地中的低位熱能提高品味對(duì)建筑供暖，同時(shí)存儲(chǔ)冷量，以備夏用；夏季，通過(guò)熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對(duì)建筑進(jìn)行供冷，同時(shí)存儲(chǔ)熱量，以備冬用。這樣可保持地溫恒定，冷暖負(fù)荷平衡，從而達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的要求 因此地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可解決空氣源熱泵系統(tǒng)必需室外機(jī)及室外機(jī)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生熱污染等問(wèn)題 ,并且冬季運(yùn)行不存在結(jié)霜問(wèn)題 ,節(jié)省了空氣源熱泵系統(tǒng)除霜所耗的電能 ,空調(diào)效果不受室外氣溫的影響 ,運(yùn)行穩(wěn)定可 靠 ,是一種國(guó)家鼓勵(lì)使用的適用于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的節(jié)能環(huán)保空調(diào)系統(tǒng) 。 2． 2 制冷劑的選擇 制冷劑 又稱制冷工質(zhì)，是制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，利用制冷劑的相變來(lái)傳遞熱量，既制冷劑在 蒸發(fā)器 中汽化時(shí)吸熱，在 冷凝器 中凝結(jié)時(shí)放熱。當(dāng)前能用作制冷劑的物質(zhì)有 80 多種，最常用的是 氨 、氟里昂類、 水 和少數(shù)碳 氫 化合物等。 1987 年 9 月在加拿大的蒙特利爾室召開(kāi)了專門性的國(guó)際會(huì)議，并簽署了《關(guān)于消耗臭氧層的蒙特利爾協(xié)議書》，于 1989 年 1 月 1 日起生效，對(duì)氟里昂在的R1 R1 R11 R11 R11 R502 及 R22 等 CFC 類的生產(chǎn)進(jìn)行限制。 1990年 6 月在倫敦召開(kāi)了該議定書締約國(guó)的第二次會(huì)議，增加了對(duì)全部 CFC、四 氯化碳（ CCL4）和甲基氯仿（ C2H3CL3）生產(chǎn)的限 制，要求締約國(guó)中的發(fā)達(dá)國(guó)家在 2021 年完全停止生產(chǎn)以上物質(zhì)，發(fā)展中國(guó)家可推遲到 2021 年。另外對(duì)過(guò)渡性物質(zhì) HCFC 提出了 2020 年后的控制日程 表 。 HCFC 中的 R123 和 R134a 是 R12和 R22 的替代品。 熱力 學(xué)的要求 1 在大氣壓力下，制冷劑的蒸發(fā)溫度 (沸點(diǎn) )ts 要低。這是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。ts 愈低，則不僅可以制取較低的溫度，而且還可以在一定的蒸發(fā)溫度 to 下，使其蒸發(fā)壓力 Po 高于大氣壓力。以避免 空氣 進(jìn)入制冷系統(tǒng)，發(fā)生泄漏時(shí)較容易發(fā)現(xiàn)。 2 要求制冷劑在常溫下的冷凝壓力 Pc 應(yīng)盡量低些，以免處于高壓下工作的 壓縮機(jī) 、冷凝器及排氣管道等設(shè)備的強(qiáng)度要求過(guò)高。并且，冷凝壓力過(guò)高也有導(dǎo)致制冷劑向外滲漏的可能和引起消耗功的增大。 3 對(duì)于大型 活塞 式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，制冷劑的單位容積 制冷量 qv 要求盡可能大，這樣可以縮小壓縮機(jī)尺寸和減少制冷工質(zhì)的循環(huán)量；而對(duì)于小型或微型壓縮機(jī)，單位容積制冷量可小一些；對(duì)于小型離心式壓縮機(jī)亦要求制冷劑 qv 要小，以擴(kuò) 大離心式壓縮機(jī)的使用范圍，并避免小尺寸葉輪制造之困難。 4 制冷劑的臨界溫度要高些、冷凝溫度要低些。臨界溫度的高低確定了制冷劑在常溫或普通低溫范圍內(nèi)能否液化。 5 凝固溫度是制冷劑使用范圍的下限，冷凝溫度越低制冷劑的適用范圍愈大。 制冷劑 分子式 分子量 u 正常蒸發(fā)溫度 ts(℃ ) 凝固點(diǎn) tf(℃ ) 臨界溫度 tkp(℃ ) 臨界壓力 PKP 絕對(duì)壓力 絕熱指數(shù) K 水（ R718） H2O +100 0 + 氨（ R717） NH3 + R11 CFCL3 + 111 +198 R12 CF2CL2 155 + R13 CF3CL 180 + R22 CHF2CL 180 +96 R115 C2F5CL 38 106 +80 33 1 物理 化學(xué) 的要求 ： 1 制冷劑的 粘度 應(yīng)盡可能小，以減少管道流動(dòng)阻力、提換熱設(shè)備的傳熱強(qiáng)度。 2 制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)當(dāng)高，以提高換熱設(shè)備的效率，減少傳熱面積。 3 制冷劑與油的互溶性質(zhì)：制冷劑溶解于 潤(rùn)滑油 的性質(zhì)應(yīng)從兩個(gè)方面來(lái)分析。 如果制冷劑與潤(rùn)滑油能任意互溶，其優(yōu)點(diǎn)是潤(rùn)滑油能與制冷劑一起滲到壓縮機(jī)的各 個(gè)部件，為機(jī)體潤(rùn)滑創(chuàng)造良好條件；且在蒸發(fā)器和冷凝器的熱換熱面上不易形成油膜阻礙傳熱。其缺點(diǎn)是從壓縮機(jī)帶出的油量過(guò)多，并且能使蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫度升高。部分或微溶于油的制冷劑，其優(yōu)點(diǎn)是從壓縮機(jī)帶出的油量少，故蒸發(fā)器中蒸發(fā)溫度較穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是在蒸發(fā)器和冷凝器換熱面上形成很難清除的油膜，影響了傳熱。 類別溶解性 制冷劑 產(chǎn)生的影響 1 難溶 NH CO R1 R1 R1 SO2 無(wú) 2 微溶（在壓縮機(jī) 曲軸箱 和冷凝器內(nèi)相互溶解，在蒸發(fā)器內(nèi)分解） R2 R11 R15 R502 溶解時(shí)降低潤(rùn)滑油的沾度 3 完全溶解 R1 R1 R2 R11烴類、 CH3CI、 R500 降低潤(rùn)滑油的沾度和凝固點(diǎn)，并使油中石蠟下沉，蒸發(fā)溫度升高 4 應(yīng)具有一定的吸水性，這樣就不致在制冷系統(tǒng)中形成 “冰塞 ”，影響正常運(yùn)行。 5 應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性：不燃燒、不爆炸，使用中不分解，不變質(zhì)。同時(shí)制冷劑本身或與油、水等相 混時(shí)，對(duì) 金屬 不應(yīng)有顯著的腐蝕作用，對(duì)密封材料的溶脹作用應(yīng)小。 安全性的要求 由于制冷劑在運(yùn)行中可能泄漏，故要求工質(zhì)對(duì)人身健康無(wú)損害、無(wú)毒性、無(wú)刺激作用。 制冷劑的分類 1 在壓縮式制冷劑中廣泛使用的制冷劑是氨、氟里昂和烴類。按照化學(xué)成分，制冷劑可分為五類：無(wú)機(jī)化合物制冷劑、氟里昂、飽和碳?xì)浠衔镏评鋭?、不飽和碳?xì)浠衔镏评鋭┖?共沸混合物制冷劑。根據(jù)冷凝壓力，制冷劑可分為三類：高溫（低壓）制冷劑、中溫（中壓）制冷劑和低溫（高壓）制冷劑。 2 無(wú)機(jī)化合物制冷劑：這類制冷劑使用得比較早，如氨（ NH3）、水（ H2O）、空氣、二 氧化 碳（ CO2）和二氧化硫（ SO2）等。對(duì)于無(wú)機(jī)化合物制冷劑，國(guó)際上規(guī)定的代號(hào)為 R 及后面的三位數(shù)字，其中第一位為 “7”后兩位數(shù)字為分子量。如水 R718...等。 3 氟里昂（鹵碳化合物制冷劑）：氟里昂是飽和碳?xì)浠衔镏腥炕虿糠謿湓兀?CL）、氟（ F）和溴（ Br）代替后衍 生物 的總稱。國(guó)際規(guī)定用 “R”作為這類制冷劑的代號(hào)，如 R22...等。 4 飽和碳?xì)浠衔铮哼@類制冷劑中主要有 甲烷 、乙烷、 丙烷 、 丁烷 和環(huán)狀有機(jī)化合物等。代號(hào)與氟里昂一樣采用 “R”，這類制冷劑易燃易爆，安全 性很差。如R50、 R170、 R290...等。 5 不飽和碳?xì)浠衔镏评鋭哼@類制冷劑中主要是 乙烯 （ C2H4）、 丙烯 （ C3H6）和它們的鹵族元素衍生物，它們的 R 后的數(shù) 字多為 “1”，如 R11 R1150...等。 6 共沸混合物制冷劑：這類制冷劑是由兩種以上不同制冷劑以一定比例混合而成的共沸混合物，這類制冷劑在一定壓力下能保持一定的蒸發(fā)溫度，其氣相或液相始終保持組成比例不變，但它們的熱力性質(zhì)卻不同于混合前的物質(zhì)，利用共沸混合物可以改善制冷劑的特性。如 R500、 R502...等。 7 高溫、中溫及低溫制冷劑：是按制冷劑的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度和常溫下冷凝壓力來(lái)分的。 制冷劑 使用溫度范圍 壓縮機(jī)類型 用途 備注 R717（氨） 中、低溫 活塞式、離心式 冷藏、 制冰 在普通制冷領(lǐng)域 R11 高溫 離心式 空調(diào) R12 高、中、低溫 活塞式、回轉(zhuǎn)式、離心式 冷藏、空調(diào) 高溫為： 100℃ R13 超低溫 活塞式、回轉(zhuǎn)式 超低溫 R22 高、中、低溫 活塞式、回轉(zhuǎn)式、離心式 空調(diào)、冷藏、低溫 中溫為：020℃ R114 高溫 活 塞式 特殊空調(diào) 低溫為： 2060℃ R500 高、中溫 活塞式、回轉(zhuǎn)式、離心式 空調(diào)、冷藏 超低溫為： 60120℃ R502 高、中、低溫 活塞式、回轉(zhuǎn)式 空調(diào)、冷藏、低溫 在本系統(tǒng)中，綜合考慮各種制冷劑的特性和優(yōu)缺點(diǎn)，選擇 R22 作為本系統(tǒng)的制冷劑。 第三章 熱力計(jì)算 3． 1 設(shè)計(jì) 要求 論文旨在研究土壤源熱泵系統(tǒng)在供熱空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)出一套可行的土壤源熱泵系統(tǒng)。在合理設(shè)計(jì) 核心 部分 土壤耦合地?zé)峤粨Q器 的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮 土壤源熱泵 系統(tǒng) 供熱 高效節(jié)能、 環(huán)保 的特點(diǎn) ，探討該系統(tǒng)成本高、性能不穩(wěn)定等缺陷的解決方案。 根據(jù)設(shè)計(jì)的初步要求，本系統(tǒng)的功率為 100KW，且只用于制熱的單熱型空調(diào)系統(tǒng)?？紤]到要結(jié)合地源熱泵并有效利用地表淺熱，在比較活塞式、螺桿式、離心式、溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)后， 選擇螺桿式空調(diào)機(jī)組作為本地源熱泵系統(tǒng)的地上部分。而地下部分主要是地下熱交換器 。 3． 2 熱力計(jì)算 空調(diào)機(jī)組的功率設(shè)定為 100KW， 0Q =100KW= 0qqm 夏季制冷時(shí)，設(shè)定蒸發(fā)溫度為 2 C0 ，冷凝溫度為 ， 過(guò)冷溫度為 C0 ，冷卻水進(jìn)水溫度為 20 C0 ，冷卻水出水溫度為 25 C0 ；冷凍水進(jìn)水溫度為12 C0 ，冷凍水出水溫度為 7 C0 。 吸氣溫度 R22 為 C0 。 風(fēng)冷式螺桿冷熱水機(jī)組， 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況：供冷 —— 冷水出水溫度： 7 C0 ；環(huán)境進(jìn)風(fēng)溫度： 35 C0 。供熱—— 熱水出水溫度： 45 C0 ；環(huán)境溫度： 7 C0 。 機(jī)組使用工況：供冷 —— 冷水出水溫度： 5~12C0 ；室外環(huán)境溫度： ? 40 C0 ；供熱 —— 熱水出水溫度： ? 45 C0 ，室外環(huán)境溫度： 10~15 C0 根據(jù) R22 的熱力性質(zhì)表，查出處于飽和線上的各點(diǎn)有關(guān)狀態(tài)參數(shù)值： ?h kJ/kg ?v 3m /kg ?? hh kJ/kg ?p aMP ?kp aMP 在 R22 的 ph 圖上找到 ?p aMP 的等壓線與飽和蒸氣 線的交點(diǎn) 1，由1 點(diǎn)作等熵線，此線和 ?kp aMP 等壓線相交于點(diǎn) 2，該點(diǎn)即為壓縮機(jī)的出口狀態(tài)。由圖可知 ?h kJ/kg 642?t C0 1) 單位質(zhì)量制冷量 41 ??? hhq o kJ/kg (21) 2) 單位容積制 冷量 325510 ??vqqv kJ/ 3m 3) 制冷劑質(zhì)量流量 00 ?? qQqm kg/s 2 1 4 壓焓圖 3 4) 理論比功 6 4 ??? hhw kJ/kg 5) 壓縮機(jī)消耗的理論功率 ?? wqP m kW 6