【正文】 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 1 隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長城市建設(shè)的發(fā)展和人民生活水平的提高及房地產(chǎn)業(yè)的升溫 ,我國空調(diào)業(yè)己得到空前的發(fā)展?？照{(diào)己成為季節(jié)性能源消耗的大戶 ,并成為建筑節(jié)能的關(guān)注問題。大力發(fā)展新能源與可再生能源 ,已成為我國 21 世紀(jì)發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的刻不容緩的戰(zhàn)略目標(biāo)。 熱泵技術(shù)是應(yīng)用低位可再生能源的重要技術(shù)措施之一。熱泵系統(tǒng)是利用低溫?zé)嵩催M(jìn)行制熱 ,制冷的新型能源利用方式。與使用常規(guī)能源供熱方式相比 ,具有許多不可替代的特點(diǎn)。因地制宜的發(fā)展地源熱泵系統(tǒng) ,有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu) ,促進(jìn)多種資源的有效利用 ,提高能源利用率。 目前常規(guī)使用 的熱泵系統(tǒng)多為空氣源 ,它受環(huán)境溫度影響很大。夏季不利于冷凝器的散熱 ,冬季蒸發(fā)器得熱難 ,猶其是冬季融霜難。地源熱泵幾乎不受環(huán)境氣候影響 ,可以產(chǎn)生良好的節(jié)能效益 ,且不用除霜。主要內(nèi)容包括 :地源熱泵的形式與基本原理 ,地源熱泵機(jī)組 ,新鄉(xiāng)本地工程應(yīng)用實(shí)例 ,對傳統(tǒng)地源熱泵的改進(jìn)設(shè)想等。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 2 地源熱泵的發(fā)展 地源熱泵是利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)，是熱泵的一種熱泵是利用卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉(zhuǎn)移冷量和熱量的設(shè)備 。 地源熱泵通常是指能轉(zhuǎn)移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方 ， 通常熱泵都是用來做為空調(diào)制冷或者采暖用的 。 地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)一個年度形成一個冷熱循環(huán) 。 地源熱泵的起源 地源一詞是從英文“ ground source”翻譯而來，漢語的內(nèi)涵則十分廣泛，應(yīng)包括所有地下資源的含義。但在空調(diào)業(yè)內(nèi)，目前僅指地殼表層（小于 400 米）范圍內(nèi)的低溫?zé)豳Y源，它的熱源主要來自太陽能，極少能量來自地球內(nèi)部的地?zé)崮堋? 地源熱泵 的概念，最早于 1912 年由瑞士的專家提出，而該技術(shù)的提出始于英、美兩國。 1946 年美國在俄勒岡州的波蘭特市中心區(qū)建成第一個地源熱泵系統(tǒng)。但是這種能源的利用方式?jīng)]有引起當(dāng)時社會各界的廣泛注意，無論是在技術(shù)、理論上都沒有太大的發(fā)展。 20 世紀(jì) 50 年代，歐洲開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當(dāng)時的能源價格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因而未得到推廣。直到 20 世紀(jì) 70年代初世界上出現(xiàn)了第一次能源危機(jī)，它才開始受到重視，許多公司開始了地源熱泵的研究、生產(chǎn)和安裝。這一時期，歐洲建立了很多水平埋管式土壤源熱泵，主要用于冬季供暖。雖然歐洲是世界上發(fā)展地源熱泵最成熟的地區(qū)，但是它也曾因?yàn)闊岜脤＜也欢?安裝技術(shù)，安裝工人又不懂熱泵原理等因素，致使地源熱泵的發(fā)展走了一段彎路。 隨著科技的進(jìn)步，關(guān)于能源消耗和環(huán)境污染的法律制訂越來越嚴(yán)格，地源熱泵的發(fā)展迎來了它的另一次高潮。歐洲國家以瑞士、瑞典和奧地利等國家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術(shù)。政府采取了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策和保護(hù)政策，使得地源熱泵生產(chǎn)和使用范圍迅速擴(kuò)大。上世紀(jì) 80河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 3 年代后期，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，更多的科學(xué)家致力于地下系統(tǒng)的研究，努力提高熱吸收和熱傳導(dǎo)效率，同時越來越重視環(huán)境的影響問題。地源熱泵生產(chǎn)呈現(xiàn)逐年上升趨勢，瑞士和瑞典的年遞增率超過 10％。美國的地源熱泵生產(chǎn)和推廣速度很快，技術(shù)產(chǎn)生了飛速的發(fā)展，成為世界上地源熱泵生產(chǎn)和使用的頭號大國。從地源熱泵應(yīng)用情況來看，北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯(lián)供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應(yīng)用情況，對我國地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。 地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)空氣源熱泵的對比 市場上現(xiàn)有的戶式中央空調(diào)的形式可歸納為以下幾類： 制冷劑直接蒸發(fā)式一拖多系統(tǒng)。亦即使用一個室外機(jī)多個室內(nèi)機(jī)組，分布在不同的房間內(nèi)供暖空調(diào)。該系統(tǒng)安裝方便，各居室溫度可自由調(diào)節(jié)，管線占用空間小， 但制冷劑管路長且復(fù)雜，氟利昂用量大，泄漏的危險也加大了；該系統(tǒng)受氣候條件的制約，在 5℃以下使用時必須安裝輔助加熱器；該系統(tǒng)難以解決新風(fēng)供應(yīng)與冬季加濕問題；該系統(tǒng)價格相對較高。 室外機(jī)為空氣 水熱泵機(jī)，制備冷（熱）水供應(yīng)分布在不同房間內(nèi)的多臺風(fēng)機(jī)盤管。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，與全空氣系統(tǒng)比較占用建筑空間較少，也易與建筑裝修融為一體；風(fēng)機(jī)盤管容易控制，各房間可獨(dú)立控制、方便使用，較易實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，便于節(jié)電。但是該系統(tǒng)無新風(fēng)供應(yīng)，風(fēng)機(jī)盤管集水盤內(nèi)容易滋生細(xì)菌，水管入戶，存在漏水危險，對施工要求嚴(yán)格；該系統(tǒng) 也受氣候條件制約，低于 5℃時無法正常工作，需安裝輔助加熱裝置。 室外機(jī)為空氣 空氣熱泵，制備冷（熱）風(fēng)，通過風(fēng)管送到每個房間。其優(yōu)點(diǎn)是采用全空氣系統(tǒng)，沒有漏水危險；可引入新風(fēng)，可對室內(nèi)空氣進(jìn)行過濾、加濕、除臭等處理，空氣品質(zhì)好，是最為接近中央空調(diào)的系統(tǒng)形式。其缺點(diǎn)是風(fēng)管管徑較大，占用空間較多；各個房間溫度不好單獨(dú)進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)；戶外溫度小于 5℃時，室外機(jī)能效低，產(chǎn)熱量低，技術(shù)安全性差。 其中， 3 種方式都使用了熱泵技術(shù)，具有節(jié)能效果，但是我們不提倡使用空氣源熱泵，因?yàn)檫€存在如下一系列問題： 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 4 存 在熱島效應(yīng)，使得外界局部空間環(huán)境條件惡化 當(dāng)空氣溫度低于零度時，機(jī)組效率下降，并且當(dāng)溫度低于 5℃時，機(jī)組效率極低，甚至無法開機(jī)，需要附加輔助熱源 冬季室外機(jī)組需要除霜，浪費(fèi)能源 有研究表明，地表 5m 一下的土壤年平均溫度恒定，在夏熱冬冷地區(qū)，地溫平均溫度為 15~20℃全年溫度波動較小，且具有不同程度的延遲和衰減。因此土壤比空氣和水更適合作為熱泵裝置的冷 、 熱源。 在 1952年當(dāng)熱泵系統(tǒng)第一次被正式提出時，被稱為“熱量倍增器”。這也從另一方面說明了熱泵節(jié)能高效的特點(diǎn)。 “熱泵”這一術(shù) 語是借鑒水泵一詞而來。熱泵裝置消耗一定的機(jī)械能，將低溫位的熱能泵送到高溫位。 從熱力學(xué)或工作原理上說，本質(zhì)上熱泵就是制冷機(jī)。 在我國《暖通空調(diào)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》中，對“熱泵”的解釋是：能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)。 熱泵是以制冷劑在冷凝器中釋放的熱量實(shí)現(xiàn)供熱的制冷裝置。 地?zé)釤岜檬?以巖土體、 地下水或地表水為低溫?zé)嵩?,由水源熱泵機(jī)組 、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、 建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng) . 地源熱泵 ： 也叫地下耦合熱泵系統(tǒng) ， 還被稱為： 地?zé)釤岜?、地能系統(tǒng) 、地源系統(tǒng)， 1997正式定名為 地源熱泵 (GSHP) 系統(tǒng)分類組成 作為利用周圍環(huán)境熱源的熱泵來說，熱泵按換熱器所用熱源的不同可分： 熱泵 水源熱泵 地源熱泵 地下水熱源熱泵 地表水源熱泵 地埋管熱泵 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 5 地埋管地源熱泵系統(tǒng)包括豎直埋管、水平埋管和螺旋埋管三種，如下圖所示： 圖 21常見地埋管的形式 1 水平埋管式分為單回路水平埋管和多回路埋管。 2 豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)，負(fù)荷小時直接接入機(jī)房，負(fù)荷較大時接入集水器。特殊形式：樁基換熱器。 3 螺旋埋管式 ，常見的有以下幾種，如圖： 圖 22 螺旋管式換熱器 地源熱泵在設(shè)計(jì)中，根據(jù)換熱過程的不同，一種是將幾組制冷劑盤管直接埋 在地下的直接系統(tǒng)，另一種是借助于換熱介質(zhì)，如水、防凍水溶液等，把熱量從地下轉(zhuǎn)移到熱泵機(jī)組換熱器，這種稱為地源閉環(huán)系統(tǒng)。 熱泵空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)介質(zhì)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，主要分為：空氣和水換熱兩種形式。分為：水 — 水式 、 水 — 空氣式 、 空氣水式 、 空氣空氣式四類。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 6 熱泵系統(tǒng)主要由三部分組成：室外地源熱泵系統(tǒng) 水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)采暖末端系統(tǒng) 地源熱泵空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)： ，穩(wěn)定可靠 。 地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，土壤與空氣溫差一般為 17 度，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的 熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高 40%～ 60%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用 40％－ 50％左右。通常地源熱泵消耗 1KW 的能量，用戶可以得到 5KW以上的熱量或 4KW 以上冷量，所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。 冬季運(yùn)行時， COP 約為 4，即投入 1KW 電能，可得到 4KW 左右的熱能，夏季運(yùn)行時， COP 可達(dá)到投入 1KW 電能，可得到 4KW 以上的冷量，能源利用效率為電采暖方式的 34 倍；并且理管熱交換器不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的能耗。 表 21 不同熱量提供方式的能量利用率 熱量提供方式 燃油爐 燃?xì)鉅t 電取暖 熱泵 性能系數(shù) COP ＞ 。 地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少 40％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少 70％