地源热泵空调技术的应用.pdf

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1、 文章编号 1 0 0 7 - 9 4 6 7 ( 2 0 0 7 ) 0 5 - 0 0 1 1 - 0 3 地源热泵空调技术的应用 . 汪敏丽， 张湘君( 中国联合工程公司， 杭州 3 1 0 0 2 2 ) 【 摘 要】地源热泵主要是运用低位热能作为供暖和空调的 冷热源， 充分发挥地下蓄能系统的作用， 是一种节能、 对环 境无害的绿色空调系统。 【 关键词】 地源热泵; 开式系 统; 闭式系统; 节能 【 中图分类号】 T U 8 3 3 . 3【 文献标志码】 B -冷暖 案-制供 方一!汀书 1概述 我们日常使用的家用空调器一般为风冷热泵 机组， 夏季当室外温度为3 5 时， 则空调

2、制冷的冷 凝温度在4 0 以上，而冬季室外温度为0 时， 则 空调制冷的蒸发温度在一 5 以下， 因此风冷热泵的 C O P 值较低， 水冷机组的C O P 要高一些， 而地源热泵 机组的C O P 值要比 风冷热泵和水冷机组高的多。 以 及维护费用降低至常规中央系统的1 / 5 至1 / 1 0 . 6 ) 将所有的设备安置于室内， 室外不安放任何 机组， 使系统寿命比常规系统延长一倍。 7 ) 降低电网的容量， 减少二氧化碳的排放， 可 对环境保护作出重大贡献。 8 ) 能量计费方便。 3 地源热泵空调与普通中央空调的比较 ( 见 表 1 ) 表 1地源热泵空调与普通中央空调的比较 地源热

3、泵风冷热泵冷沙 3L 组+ 燃油锅炉 运行 方式 热水 风冷热泵机组 地源热泵机组热泵机组十 辅助热源 ( 无) 长较短 可能需要电 或油加 隐式系统， 机组可 热作为辅助热源，无 置于封闭空间内附加建筑， 但需要有 冷却塔 冷水机组 燃油锅炉 较短 2地源热泵空调的优点 1 ) 不仅可满足冷暖空调的要求， 且可根据需要 提供热水， 夏季空调运行时， 卫生热水是免费提供 的， 冬季热水费用节省5 0 % - 7 0 %. 2 ) 运行不受室外环境的影响， 在恶劣的气候中 仍能保持高效运行并提供舒适的室内环境， 而此项 是风冷热泵无法相比的。 3 ) 完全取消室外挂机， 保证整个建筑的外观不 被

4、破坏。并且由于消除了室外机组及冷却塔， 不存 在向室外的排热， 避免室外高温， 改善室外环境， 进 一步降低了环境噪音。 4 ) 避免使用辅助热源， 取消燃料( 油、 气) 锅炉， 避免现场的排放，同时为用户减少燃料的管道、 输 送、 储存、 操作和安全上的一系列管理工作， 消除任 何不安全的风险。 5 ) 不使用操作工人， 同时使每年的维护工作量 需加建锅炉房和 冷却塔， 外观较差。 维护较少 基本无废气污染， 无需专职操作人员 少量工作 最差， 最需要制冷 或供热时出力最小， 系统需要保持较大的 安全系数 需要维护 完全洁净， 无需专 职操作人员 无燃料运输、 储存 和安 全管理等工作 有

5、一定的排放 需要操作人员 需考虑燃料的运输、 储存和安全等问题 护一境-理 维一环-管 运行 稳定性 最好，与外界环境 基本没有关系， 不受 气候影响 较好 4地源热泵空调系统运行原理 地源热泵空调系统与普通空调系统相比， 其主 要区别在于， 地源热泵空调系统是利用土壤进行弃 热或弃冷， 而普通空调系统则通过室外空气或水进 行弃热或弃冷。 地源热泵系统大致可分为开式系统 和闭式系统两种形式。 4 . 1开式系统 开式系统为直接抽取地下水供热泵机组作冷 1 1 源或热源使用， 其原理同水源热泵系统一样， 最大 的好处是系统简单， 其投资主要取决于打井的深度 和大小， 适合于地下水资源丰富的地区。

6、缺点是受 地下水资源的限制， 对于无地下水或地下水量不足 的地区则无法使用。 这种方式的地源热泵技术目 前 正在向南方地区推广。 4 . 2闭式系统 闭式系统为地下埋管， 让水通过地埋管后供热 泵机组作冷源或热源， 然后再回到地埋管， 如此循 环。地下埋管可以垂直或水平埋到地下一定的深 度， 也可以将环形管道通到有一定容量的池塘或井 里， 用地温或水温改变管道内水溶液的温度。在供 热或供热水时， 水溶液从地下吸取热量， 然后将热 量带到热泵机组， 如果要制冷， 则水溶液从热泵机 组吸取热量， 然后将热量带到地下。地源热泵空调 系统的运行原理见图t o 闭式地源热泵技术的核心在地下埋管， 室内空

7、 调系统的布置与水源热泵系统相比， 区别不大。地 下埋管的材料一般采用耐腐蚀塑料管， 这种管材在 加工时注入添加剂以提高导热性能， 使用寿命可达 5 0 a 以上。 水平埋管的深度在 l m -3 m， 而垂直埋管 的深度一般在数米至数十米， 也有达到百米以上的 实例， 垂直埋管可采用U型管或套管式。水平埋管 的施工比较简单， 可直接在地表开沟， 每条沟埋一 根或数根管， 然后再回填， 水平埋管也有采用螺旋 管的。垂直埋管一般先钻孔， 孔径以埋进一根U型 管为准， U型管的管径一般为2 5 .4 m m ( 1 英寸) , U 型管沉入钻好的孔后再用专门的灌浆回灌， 以更好 的与土壤换热， 垂

8、直埋管与水平的干管相连接。 垂直埋管的投资大小与当地的地质资料关系 很大， 如岩石层较浅时， 则需在岩石层钻孔; 如土壤 层以淤泥为主， 则钻孔难以保持形状， 需要采用另 外的措施。 闭式地源热泵系统由于不使用地下水， 只要有 足够的空地埋管就可采用， 所以具有很大的推广价值。 5 地源热泵空调系统的节能效果 我们已在前面对热泵机组的原理进行了分析， 蒸发温度和冷凝温度是影响制冷效率的主要因素， 蒸发温度越低或冷凝温 度越高均使制冷效率下降， 尤其是蒸发温度对效率的影响更 图1地源热泵运行示意图 大， 在不改变热泵机组的机械性能 的情况下， 提高热泵的效率的最有 效的方法便是降低热泵机组的冷

9、凝温度或提高热泵机组的蒸发温 度。 普通空调的这两个参数完全受 室外空气参数的约束， 我们不可能 去改变气象条件， 因此， 普通空调 的C O P 值已 经很难提高。 我们脚下的大地是一个极大 的蓄热体， 这一点通过井水的温度 可以充分体现， 井水的温度即反映 了土壤的温度， 地下土壤的温度夏 天明显低于室外空气的温度， 而冬 季则明显高于室外气温，例如上 海、杭州等地区的土壤温度在 3 .2 m深度时，全年在 1 5 0C -2 0 C 之间。地源热泵则正是利用了这个特点， 利用土壤 进行散热或吸热， 使热泵的冷凝温度降低或蒸发温 度升高， 从而提高热泵的制冷或制热效率。夏季空 调时，利用地

10、温可使热泵的冷凝温度降至2 5 一 3 0 0C ， 比风冷热泵低1 0 0C - 2 0 0C 。 冬季空调时， 利用 地温可使热泵的蒸发温度升至 1 0 0C -1 5 0C ， 比风冷 热泵高1 5 以上。 据此可看出， 地源热泵空调系统 的制冷制热效率大大高于普通空调系统，此外， 地 源热泵空调系统一般无需冷冻水系统和冷却塔， 冬 季供暖不需要辅助热源， 从而大幅度降低了运行费 用，其运行费用一般仅为普通空调系统的4 0 %一 6 0 % . 6地源热泵空调可实现蓄冷 在一定条件下， 可利用地下土壤进行蓄冷。比 如热泵机组为水一 水热泵时，只要再增加冷却塔对 水系统进行切换， 白天正常

11、空调运行， 冷却塔无需 运行， 夜间则热泵反转， 变成向地下土壤供冷， 废热 则通过冷却塔排至大气。另一种方案也可实现蓄 冷，当水一 空气热泵的送风管和回风管可进行室内 外切换时，也即白天空调送回风仅对室内空调房 间， 而夜间热泵反转向地下土壤供冷时， 热泵的送 回风切换至仅对室外， 废热排至室外。 由于土壤蓄冷的温度不用象冰蓄冷那样必须 在冰点以下，热泵的蒸发温度一般在1 0 以上， 至 少比普通的冰蓄冷制冷机组的蒸发温度高 巧一 2 0 0C 。 冰蓄冷空调的主要优点是起到了电网的移峰 填谷， 但并不节能， 实际上用电量的消耗是增加的， 由于夜间的电费便宜才有一定的经济效益。 利用地源热泵

12、的蓄冷空调系统最大的好处即 是在不增加初投资的情况下实现了蓄冷的目的， 实 际上由于减轻了热堆积的现象， 因此室外埋管还可 减少。此外在享受夜间低谷电费的优惠的同时， 热 泵的制冷效率并不降低， 尽管白天空调时仍需热泵 运转制冷， 但由于制冷效率的大幅度提高， 因此其 节能 效 果 仍 然十 分 显 著。 彝 收稿日期 2 0 0 7 - 0 3 - 0 9 作者简介 汪敏丽( 1 9 6 5 -) ， 女， 浙江杭州人， 高级工程师， 从事暖 通专业的工程设计工作。 用友软件园地源热泵冰蓄冷空调系统工程竣工 北京市华清地热开发有限责任公司的用友软件 园地源热泵冰蓄冷空调系统工程经过了近两年的

13、 努力， 目 前己 经完成了软件园一期工程中央空调系 统的 施工， 工 程竣 工镬 义 式 于2 0 0 7 年3 月2 2 日 在用友软 件园举行。 用友软件园在其建设中的定位是生态环保软 件园。因此用友方案中所设计的 “ 地源热泵+ 冰蓄 能” 系统， 是华清地热公司为用友软件园量身定制 的一套集热泵技术， 变频技术、 夏季蓄冰、 冬季蓄热 技术和地下土壤的换热技术有机合理地结合为一 体的复合式能源系统， 是暖通空调领域内的一次革、 命性的技术创新。 此系统采用的技术使用户用到了 廉价的采暖、 空调方式， 又解决了污染问 题。 经过近 两年的施工， 已 完成了一期1 8 .5 x 1 0

14、4 m 2 的中央空调 系统工程， 为整个园区的一期提供冬季供热、 夏季 供冷和全年的生活卫生热水。 整个系统建设规模之 大， 综合性之强， 技术措施之先进目 前在国内尚属 首例。除此之外， 该系统所具有高效节能、 环保清 洁、 便于管理、 节省占地空间以及舒适等优点， 也是 传统空调系统所无法比 拟的。 承担用友软件园空调系统工程的北京市华清地 热开发有限责任公司是一家专门从事地热资源开 发利用、 热泵技术引进开发、 市场开发、 系统设计、 工程施工管理的专业化公司，自1 9 9 9 年开始从事 热泵空调系统的开发利用， 多年来一直致力于推动 国内热泵技术的发展。已经承担了几十个包括地热 尾水利用、 浅层地下水利用、 土壤能利用等多种形 式的热泵系统工程项目， 同时还完成了多个地热水 处理项目， 积累了大量有价值的地质数据和设计施 工经验， 创造了多个第一和惟一: 第一家从事水源 热泵研究开发的企业， 惟一一家拥有先进的微动测 深物探技术的企业， 建设了北京市第一个地热供暖 示范工程和全国最大的地热综合利用工程。 ( 邓海燕报道 ) 1 3