【正文】 前 言 中國的建筑行業(yè)正處于飛速發(fā)展的階段，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，而生活環(huán)境最主要的就是居住環(huán)境，這種需求帶動了中國的空調(diào)制冷業(yè)的發(fā)展，特別是在“非典”之后，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)（ IAQ）有了更深刻的認(rèn)識，室內(nèi)空氣的好壞直接影響到人們的健康，原來使用的空調(diào)技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的要求，對環(huán)境的需求意識已經(jīng)不是簡單的冷熱意識，而是趨向于健康化、衛(wèi)生化的需求。因此采用更先進(jìn)的空氣調(diào)節(jié)方法提高空氣品質(zhì)滿足人們的要求成了當(dāng)前制冷行業(yè)發(fā)展的熱點和重點之一。 從 2021 年至今，電力緊缺的問題一直困擾著我們，現(xiàn)在 的情形更為嚴(yán)重，一方面是我國的經(jīng)濟(jì)每年以兩位數(shù)的飛速發(fā)展，另一面是全球性的能源緊缺，再加上去年的全國性的冰災(zāi)，據(jù)有關(guān)部門預(yù)計，今年我國南方尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的廣東地區(qū)缺電達(dá) 30%，不少工廠被迫“開四停三”，嚴(yán)重影響到了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。電廠的發(fā)展又不能盲目的增加發(fā)電量，或者增建新的電廠，必須依靠宏觀的發(fā)展才能不至于發(fā)生電力過剩的尷尬局面，而且電廠發(fā)電對環(huán)境的污染也會隨著電廠的增加而增加，在這種情況下，空調(diào)作為用電大戶，充分利用現(xiàn)有的自然能，如太陽能、地?zé)崮堋⑸罾瓤衫玫哪芰抠Y源既減輕了當(dāng)前電力的負(fù)擔(dān)，又增加 了空調(diào)的環(huán)保能力，因此，利用自然資源，保護(hù)環(huán)境也成了當(dāng)前各國空調(diào)制冷行業(yè)的研究方向。 還有一個問題也是我們比較關(guān)心的問題，那就是“可持續(xù)發(fā)展”的觀點，根據(jù) 1987 年 9 月 16 日在加拿大的蒙特利爾會議上通過的聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署組織制定的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，對 CFC 及哈龍兩類中 8 種破壞臭氧層的物質(zhì)進(jìn)行限控，規(guī)定發(fā)達(dá)國家 2021 年完全停止使用這些物質(zhì)，發(fā)展中國家 2021 年完全停止使用這些物質(zhì)。我國已經(jīng)確定了 2021 年全面淘汰的方案和行動計劃，并且開展了替代品及替代技術(shù)的研究與開發(fā)。 當(dāng)前空調(diào)行業(yè)的 已經(jīng)在這些方面有了一定的進(jìn)步，許多節(jié)能性空調(diào)如變頻空調(diào)正越多的得到使用，而在中央空調(diào)方面，溴化鋰雙吸收式制冷等保護(hù)環(huán)境的制冷劑設(shè)備也發(fā)展的越來越快。熱泵技術(shù)的使用既有效利用了自然能源，節(jié)省了能量，同時又保護(hù)了環(huán)境。 設(shè)計不足之處在所難免，望各位老師批評指正。 學(xué)生 畢明品 第一章 緒論 1． 1 設(shè)計背景 地?zé)崾且环N 可再生的自然能源。盡管目前它的應(yīng)用還不能像傳統(tǒng)能源 (煤、石油、天然氣、水力能和核能 )那樣廣泛，但由于地殼里蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)崮?，特別是在傳統(tǒng)能源越來越缺乏的今天，地?zé)崮芾迷谠S多國家已得到了相當(dāng)?shù)闹匾?。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)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)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了 47％的太陽能，比人類每年利用能量的 500 倍還多。它不受地 域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地源也成為清潔的可再生能源一種形式。 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是利用水與地源 (地下水、土壤或地表水 )進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地源中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時地源為“熱泵”；夏季把室內(nèi)熱量“取”出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地源為“冷源”。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)通過輸入少量的高品位能源 (如電能 )，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。與鍋爐 (電、燃料 )供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將 90％以上的電能或 70— 90％的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量供用戶使用，因此地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為 9— 16℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá) — ，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出 40％左右，其運(yùn)行費用為普通中央空調(diào)的 50— 60％。 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少 40％以上，與常規(guī)電供暖相比，相當(dāng)于減少 70％以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少 25％ 的充灌量。該裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。 國內(nèi)地源熱泵發(fā)展簡史 地源熱泵并不是一種新的空調(diào)系統(tǒng)，早在 20 世紀(jì) 30 年代，歐洲就已經(jīng)出現(xiàn)了工程的應(yīng)用，當(dāng)時主要用于冬季的供暖。 20 世紀(jì) 70 年代，出現(xiàn)能源危機(jī)，地源熱泵系統(tǒng)的工程應(yīng)用形成高潮，技術(shù)日趨成熟。由于中國空調(diào)技術(shù)應(yīng)用較晚，地源熱泵作為傳統(tǒng)空調(diào)的一個分枝，對大多數(shù)人說，確實較為陌生。 我 國在地源熱泵領(lǐng)域的研究始于 20世紀(jì) 80年代初的天津大學(xué)和天津商學(xué)院。自此，其他少數(shù)單位也先后在地?zé)峁┡矫孢M(jìn)行了一系列的理論和試驗研究，但是，由于我國能源價格的特殊性，以及其他一些因素的影響，地源熱泵的應(yīng)用推廣非常緩慢。 20世紀(jì) 90年代以后，由于受國際大環(huán)境的影響以及地源熱泵自身所具備的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢，這項技術(shù)日益受到人們的重視，越來越多的技術(shù)人員開始投身于此項研究。 1995年，中國國家科技部與美國能源部共同簽署了《中華人民共和國國家科學(xué)技術(shù)委員會和美利堅合眾國能源部效率和可再生能源技術(shù)的發(fā)展與利用領(lǐng)域合作協(xié)議書》，并于 1997年又簽署了該合作協(xié)議書的附件六 《中華人民 共和國國家科學(xué)技術(shù)委員會與美利堅合眾國能源部地?zé)衢_發(fā)利用的合作協(xié)議書》。其中，兩國政府將地源熱泵空調(diào)技術(shù)納人了兩國能源效率和可再生能源的合作項目，這一舉措極大地促進(jìn)了該技術(shù)的國際合作和推廣應(yīng)用。 1998年是我國在該領(lǐng)域的一個里程碑，從這一年開始，國內(nèi)數(shù)家大學(xué)紛紛建立了地源熱泵的實驗臺。其中， 1998年重慶建工學(xué)院建設(shè)了包括淺埋豎管換熱器和水平埋管換熱器在內(nèi)的實驗裝置； 1998年青島建工學(xué)院建設(shè)了聚乙烯垂直地源熱泵裝置； 1998年湖南大學(xué)建設(shè)了水平埋管地源熱泵實驗裝置； 1999年同濟(jì)大學(xué)建設(shè)了垂直地源熱泵 裝置等。同時，我國也成立了一些專門的生產(chǎn)廠家，開始批量生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品。這些科研單位和企業(yè)互相合作，在開發(fā)利用地源熱泵技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)展，做了許多實驗研究和工程示范，產(chǎn)生了很多有效數(shù)據(jù)，這些寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)勢必將大大加快我國發(fā)展地源熱泵的步伐。 地源熱泵發(fā)展趨勢 地源熱泵與中央空調(diào)相連接的供熱／制冷系統(tǒng)是目前的發(fā)展趨勢。綜合利用低品位熱能、高效率利用熱能、簡單化和一體化的地源熱泵系統(tǒng)等都是目前地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的前沿課題。根據(jù)地源熱泵 20年來的發(fā)展趨勢，其系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展大致有如下三個方向： (1) 綜合利用熱 能的趨勢。將來的地源熱泵系統(tǒng)不僅用于一般住宅、辦公用戶的供熱和制冷，更趨向于將供熱的廢棄能量 (冷能 )和制冷的廢棄能量 (熱能 )綜合利用，比如用供熱的廢棄冷能運(yùn)轉(zhuǎn)冷藏庫、自動售貨機(jī)等，用制冷的廢棄熱能供應(yīng)溫室養(yǎng)殖、種植和生活熱水等。 (2) 一體化趨勢。隨著新材料和新工藝的開發(fā)，將來的地源熱泵系統(tǒng)可能將熱泵的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與地上散熱系統(tǒng)一體化，使采熱和傳熱的效率更高。 (3) 實地建造的趨勢。隨著人們對居住和生活環(huán)境要求的不斷提高，越來越多的建筑物需要常年供暖、制冷、熱水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空間和周邊的自然環(huán)境和自 然能源，因地制宜地設(shè)計、制造和配套安裝相應(yīng)的地源熱泵系統(tǒng)也將是一個發(fā)展方向。 國外地源熱泵的發(fā)展 地能熱泵系統(tǒng)在北美和歐洲都應(yīng)用的比較普及 ， 根據(jù)國際地?zé)崧?lián)合會 （ The geothermal heat pump consortium ） 的統(tǒng)計 ， 到 2021 年底 ， 采用地能熱泵技術(shù)制冷供熱的建筑面積美國為 3720 萬平方米 ， 瑞典為 2021 萬平米 ， 德國為 560萬平米 ， 加拿大為 435 萬平米。但北美的應(yīng)用與歐洲的應(yīng)用存在明顯的差異。 北美的應(yīng)用，地能熱泵更多地偏重于解決建筑的空調(diào)制冷問題。在美國，政府 投入很多的力量來支持地能熱泵系統(tǒng)的推廣，政府和學(xué)校經(jīng)過多年的努力，建立了全國各地地質(zhì)參數(shù)資料庫，并在各州確立了經(jīng)過認(rèn)可的地能熱泵推薦的工程商， ASHERE 也針對系統(tǒng)特殊要求在機(jī)組設(shè)計上建立了標(biāo)準(zhǔn)，同時政府支持在大地?fù)Q熱器設(shè)計以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策來鼓勵地能熱泵系統(tǒng)的推廣，如專門的補(bǔ)貼、政府推廣網(wǎng)站等。從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，雖然北美也有小型的水水熱泵機(jī)組，但北美地能熱泵系統(tǒng)更多地采用的是水環(huán)熱泵系統(tǒng)，尤其對于一些大型的工商建筑，采用水環(huán)熱泵正成為設(shè)計的主流趨勢。美國著名的地能熱 泵制造商有 CLIAMTMASTER 、 WATER FURNACE 等 ，他們提供符合 ARI 的專門用于地能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。而對于大地?fù)Q熱器，北美采用的多是單 U 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式 ,鉆孔深度為 50 160 米 。 在歐洲，由于環(huán)保和節(jié)能的要求，目前，在歐洲，地能熱泵系統(tǒng)在供熱方面積累了豐富的經(jīng)驗，從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，歐洲多采用水系統(tǒng)，歐洲的水水熱泵機(jī)組更多偏重于制熱，但沒有專門的地能熱泵機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)和專門的地能熱泵設(shè)備制造商。而對于大地?fù)Q熱器，歐洲采用的多是雙 U 型的垂直埋管方式。 地源熱泵技術(shù)在中國的發(fā)展優(yōu)勢 1) 初期投資費用少。隨著改革開放的不斷深入，人們生活水平的不斷提高，持續(xù)的高速經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致人們對舒適生活的追求，從而使地源熱泵這項嶄新的技術(shù)在中國具有巨大的市場潛力。同時我們也要注意到，我國城市的建設(shè)步伐正在加快，每年城鎮(zhèn)新建住宅 億平方米。而在建設(shè)新建筑之前并入集中地源熱泵系統(tǒng)，其成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于舊建筑的改造 (甚至可以低于一般空調(diào)系統(tǒng) !)，這對我們這個“嚴(yán)寒”與“寒冷”采暖區(qū)幾乎占了國土面積的 70％和全國總建筑面積的 50％的國家而言，節(jié)省的費用是巨大的。在美國，由于能 源相對的便宜 (與中國相近 )，而人工費用很高，一般一個家庭的安裝費用在 3000 美元左右，地源熱泵仍然具很強(qiáng)的市場競爭力。而我國由于人工費用比較低，與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國的基建費用低。基建費用是地源熱泵最主要的成本增加部分。由此可見，我國與國外發(fā)達(dá)國家相比，初期投資相對要少一些。 2) 能夠提高城市環(huán)境質(zhì)量。隨著人們生活水平的提高，對生活質(zhì)量的要來越高，環(huán)保意識增強(qiáng)，人們開始認(rèn)識到高品質(zhì)的空氣是人類健康的保障。目前居民對空氣污染的關(guān)注程度越來越高，城市 (包括室內(nèi) )對人們生活以及身體的影響日益受到重視，在碰到身體不適 的時候，很多居民開始考慮空氣因素的影響。根據(jù)《 1997 年中國環(huán)境狀況公報》，我國城市空氣質(zhì)量仍處于較重的污染水平。據(jù)統(tǒng)計，世界大氣污染最嚴(yán)重的 10 座城市中，中國就占了 7 席，這也從一個側(cè)面反映出我國城市空氣質(zhì)量不容樂觀，加強(qiáng)空氣治理，已經(jīng)到了刻不容緩的時候。目前我國的能源結(jié)構(gòu)中有一個最為不利的因素，即長期以來在能源的生產(chǎn)和消費中煤炭的比例占 70％左右。為了徹底整治環(huán)境，減少溫室氣體排放，我國政府正在規(guī)劃改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。北京等城市正在考慮以電代煤的方法來解決城市污染的問題。每千瓦電 能帶來 3 至 4 千瓦熱量的地源熱泵將是極具競爭力的技術(shù)。由于電力是地源熱泵的唯一動力，因此沒有燃料分散燃燒所造成的大氣污染。與此同時由于廠家密封制劑。使用過程中不泄露，不補(bǔ)充，減少了對臭氧層的破壞。分析和調(diào)查表明，地源熱泵的應(yīng)用對降低溫室效應(yīng)起了積極作用?？梢?，這項技術(shù)應(yīng)用于中國將緩解城市空氣污染問題。 3) 能夠緩解能源緊張問題。進(jìn)入新世紀(jì)，在生產(chǎn)力高速發(fā)展的條件下，人們越來越認(rèn)識到地球上的資源和能源日益匣乏。我國能源短缺是一個不爭的事實，與此同時，我國又存在能源利用率低的矛盾。據(jù)統(tǒng)計，我國總的能源利用率約為 30％ ，這僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家 90 年代的水平。我國建筑耗能約占總耗能的25％，其中供熱采暖能耗約占一半。能源短缺導(dǎo)致中國的能源價格越來越接近發(fā)達(dá)國家的水平。我國要在能源每年增長率僅為 3％ — 5％的條件下滿足國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)每年增長 8％ — 9％，就必須重視節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)利用，這決定了我國必須在空調(diào)和取暖這一耗能大項上有所改進(jìn)。就地源熱泵技術(shù)而言，由于熱泵僅僅用來傳輸熱量，而不是產(chǎn)生熱量，所需要的熱量有 70％來自于地下，夏天制冷時，用來將建筑物中的熱量傳人地下所消耗的電力也非常少，因此地源熱泵這項節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于我國可以 在一定程度上緩解我國的能源壓力。 4) 受到國家相關(guān)政策的支持。為了減少我國由于冬季采暖所造成的大氣污染，減低國內(nèi)現(xiàn)有制冷空調(diào)的能源消耗，尋求新的低能耗、無污染的供暖制冷空調(diào)技術(shù)，國家科技部與美國能源部分別代表兩國政府簽署了中美兩國政府地源熱泵合作協(xié)議，引進(jìn)和推廣美國先進(jìn)的地源熱泵技術(shù)。這對地源熱泵技術(shù)在中國的推廣起到巨大的推動作用。八屆人大常委會第二十八次會議審議并通過了《中華人民共和國節(jié)約能源法》，其中第三十九條將熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)列入國家鼓勵發(fā)展的通用技術(shù)，這也將促進(jìn)地源熱泵事業(yè)的發(fā)展。自從我國實施《民用建筑節(jié) 能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》后，提高了建筑隔熱保溫性能，降低了建筑采暖能耗，結(jié)果是大幅度降低了地源熱泵采暖方式的年運(yùn)行費用，增加了