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1、第2 9 卷第1 期 2 0 1 3 年2 月 上海电 力 学院学报 J o u r n a lo f S h a n g h a iU n i v e r s i t y o fE l e c t r i cP o w e r V 0 1 2 9 N o I F e b 2 0 1 3 D O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 4 7 2 9 2 0 1 3 0 1 0 0 1 基于地源热泵技术的节能系统 任建兴，刘剑涛，马晓程，尤坤坤，杨涌文 ( 上海电力学院能源与机械工程学院，上海2 0 0 0 9 0 ) 摘要：研究了一项可以利用浅层地热能的技术地源热泵
2、介绍了3 种主要的基于地源热泵的分布式能 源系统，讨论了地源热泵系统地埋管的设计问题，指出了能源的利用趋势 关键词：地热能；地源热泵；供热；制冷；地埋管 中图分类号：T U 8 3 1 6文献标志码：A文章编号：1 0 0 6 4 7 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 0 1 0 4 R e s e a r c ho nE n e r g yS a v i n gT e c h n o l o g yB a s e do n G r o u n dS o u r c eH e a tP u m p R E N J i a n x i n g ，L I UJ i a n t a o
3、 ，M AX i a o c h e n g ，Y O UK u n k u n ，Y A N GY o n g w e n ( S c h o o lo fE n e r g ya n dM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，S h a n g h a iU n i v e r s i t yo fE l e c t r i cP o w e r ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： R e s e a r c h e so nat e c h n o l o g y
4、w h i c hc a nu t i l i z et h ee n d l e s ss h a l l o w g r o u n dh e a t e n e r g y - G r o u n dS o u r c eH e a tP u m p ( G S H P ) a r ec o n d u c t e d T h r e ed i s t r i b u t e de n e r g ys o u r c e ss y s - t e m sb a s e do nG S H Pa r ei n t r o d u c e d ，a n dm e t h o d st od
5、 e s i g nt h eb u r i e dp i p e so fG S H Ps y s t e ma r e a l s oi n t r o d u c e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fe n e r g yu t i l i z a t i o ni sr e v e a l e d K e yw o r d s ：g r o u n dh e a te n e r g y ；G S H P ；h e a ts u p p l y ；r e f r i g e r a t i o n ；b u f f e dp
6、i p e s 地球内部蕴含着巨大的能量，地表以下1 0m 左右的土壤及地下水温度几乎不随季节的变化而 变化，常年维持在1 8 左右，在大多数地区，地下 水温冬季比大气温度高，可作为低品位热源供暖 使用，夏季比大气温度低，可作为冷源使用 地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新 型能源利用技术，由于热泵仅仅用来传输热量，而 不是产生热量，所需要的热量有7 0 以上来自于 地下，夏天制冷时，将建筑物中的热量传人地下所 消耗的电力也非常少，因此地源热泵技术的应用， 可以在一定程度上缓解我国的能源压力J 地源热泵系统概述 1 1 地源热泵的原理 地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集 了4 7 的太阳
7、能量，是人类每年利用能量的5 0 0 多倍它不受地域资源等限制，量大面广无处不 在，这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源， 使得地能也成为清洁能源的一种形式地源热泵 能够充分利用地能，是一项可持续发展技术旧1 地源热泵系统的核心设备是热泵机组，其理 收稿日期：2 0 1 2 - 0 7 0 9 通讯作者简介：任建兴( 1 9 6 1 一) ，男，博士，教授，江苏海门人主要研究方向为电厂热能动力与污染物控制E m a i l ：r e n 6 0 8 1 6 3 c o r n 基金项目：上海市教育委员会重点学科( J 5 1 3 0 4 ) ；上海市教育委员会第3 期本科教育高地建设项目 万
8、方数据 2 上海电力学院学报 论基础是逆卡诺循环地源热泵系统制冷时，可将 浅层地下水或地表水作为散热体；供热时则将浅 层地下水或地表水作为低温热源，通过消耗部分 电能从低温热源中吸取热量，其供热量为消耗的 电能与从低温热源中吸取的热量之和3 I 1 2 地源热泵系统的组成 一般来说，地源热泵系统用来满足用户以下 3 种需求：冬季供暖、夏季制冷以及全年的生活热 水，一套系统可以代替目前的空调和锅炉两种设 备地源热泵系统主要包括室外管网系统、热泵系 统、室内末端系统以及控制系统对于土壤源热 泵，各个系统之间的换热介质主要有水一水和土- 气两种水水型地源热泵技术出现较早，2 0 世纪 6 0 7 0
9、 年代就已经在欧洲地区得到广泛应用，它 是利用浅层地下水中的热量作为低位热源，这种 地源热泵系统一般用于地板辐射供暖；从2 0 世纪 8 0 年代开始，某些地下水比较缺乏的地区渐渐研 发出了一种利用土壤中热量的方法，这种地源热 泵被称为土壤源热泵，其室内系统一般采用风机 系统供应热风或者冷风 地源热泵系统原理见图1 图1 地源热泵系统原理 1 3 地源热泵的特点 ( 1 ) 节约能源地源热泵可以吸收低温热源 中的热量并传输到高温处，因此从原理上来说，只 要热泵的C O P 值大于1 ，这套系统就是节能的 实际上，市场上地源热泵的C O P 值大多数都在3 或者4 以上，这就意味着地源热泵系统的
10、耗能低 于输出能量的1 3 ，拥有非常可观的节能效果通 常，地源热泵每消耗1k W 的能量，用户可以得到 4k W 以上的热量或3k W 以上的冷量，而锅炉供 热只能将9 0 以上的电能或7 0 一9 0 的燃料 内能转换为热量，因此地源热泵要比电锅炉加热 节省2 3 以上的电能，比燃料锅炉节省1 2 以上 的燃料另外，地源热泵的热源温度全年较为稳 定，其性能要比空气源热泵高出4 0 左右4 ，其 运行费用为普通中央空调的5 0 6 0 5 | 图2 为地源热泵系统能量转换示意 图2 地源热泵系统能量转换示意 ( 2 ) 降低污染与空气源热泵相比，地源热泵 的污染物排放相当于减少了4 0 以下
11、的排放量；与 电供暖相比，相当于减少7 0 以下的排放量；可比 燃煤锅炉减少3 0 的C O ：的排放量J 同时其制 冷剂的充注量约为常规空调的7 5 8 。 ( 3 ) 维护费用低地源热泵系统运行部件比 常规系统少，因而维护次数少，维护费用低；机组 紧凑，空间节省；全电脑控制，性能稳定，可以电话 遥控，可以进行温湿度控制和新风配送；系统安装 在室内，不暴露在风雨中，可免遭损坏，更加可靠， 使用寿命更长J ( 4 ) 有效利用时间长地源热泵系统可以满 足夏季制冷和冬季供暖的需求，还可以供应四季 的生活用热水，有效利用时间长 ( 5 ) 节省设备空间地源热泵系统代替了原 来的锅炉加空调的两套装置
12、，系统紧凑，省去了锅 炉房和冷却塔，节省了建筑空间0 1 1 1 ( 6 ) 制热制冷系数较高相比目前常用的空 气源热泵，地源热泵的优越性较为明显全年温度 波动小，冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度 低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源 热泵 2 地源热泵系统的应用前景 在欧洲许多国家，地源热泵得到了快速的应 用和发展在欧洲中部和北部，地源热泵的市场很 大，由于其气候条件，主要用于供热，空调使用较 少12 1 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初，美国开展了 冷热联供地源热泵方面的研究3 。，取得了一系列 研究成果并被大量应用到工程实践中我国国土 面积辽阔，经纬度跨幅大，大多数地
13、区有供热及制 冷需要，气候条件与美国相似，因此美国在地源热 泵方面的经验对我国发展可再生能源技术有着重 万方数据 任建兴，等：基于地源热泵技术的节能系统 3 要的借鉴意义 在我国，地源热泵的研究始于2 0 世纪8 0 年 代，最初的工作主要是适用性分析，对系统本身的 研究较少，实际应用几乎没有；9 7 年以来与美国 签订了一系列合作条约，在美国的帮助下开始在 华东地区建成了地源热泵示范工程目前，地源热 泵在我国华北、东北、西北、南方以及西藏高原都 有应用我国地源热泵技术的研发工作主要集中 在适用性分析、对环境影响的评价、系统节能优化 设计，以及地源热泵系统检测技术等方面，已逐步 同国际接轨 3
14、 地源热泵系统的应用方式 3 1 地源热泵加太阳能集热器系统 地源热泵加太阳能集热器系统原理如图3 所 刁孓 注：一一冬季阀门；阅一夏季阀门， 图3 地源热泵加太阳能集热器系统原理 随着季节的变化，该系统的工作模式需经历 直接供冷模式、地源热泵制冷模式、蓄热工作模 式、直接供热模式和地源热泵制热模式5 个阶段 初夏时，由于气温不是太高，冷量的需求不大，同 时土壤在经历一个冬季的抽热后温度很低，此时 可以采用地下埋管中的液体循环方式直接对用户 供冷；盛夏时冷量需求增大，地源热泵机组投入运 行；夏末秋初，系统基本没有制冷任务，热水消耗 量也不大，为了冬季供热需要，将太阳能集热器的 热水打入地下进行
15、蓄热；深秋或初冬季节开始供 热时，由于经过了一个秋季的地下蓄热，土壤温度 较高，此时可以利用土壤热源直接供热；直接供热 一段时间后用户的需热量逐渐到达峰值，此时将 地源热泵机组投入运行在冬季太阳能有两个作 用：一是供应热水；二是给地下土壤补充能量。1 “ 地源热泵和太阳能集热器在不同季节的功能转 换，可以通过控制夏季阀门和冬季阀门开关实现 3 2 地源热泵空调加生活热水系统 地源热泵空调加生活热水系统原理见图4 热水出口 注：一一冬季阀门；丙一夏季阀I 1 图4 地源热泵空调加生活热水系统原理 在夏季制冷时，常规的地源热泵系统机组的 冷凝热被直接排放，造成了一定的能源浪费而在 该系统中，冷凝热
16、被用来加热生活用水，若其温度 未达到用户需求，可以采用其他途径，如电加热 器，进一步加热热水，可以节约相当一部分能量 冬季时使用热泵循环水加热生活用水并供暖春 秋季节既无制冷又无供暖需求时，热源热泵机组 可以全部用来制造生活热水 3 3 地源热泵加冰蓄冷系统 地源热泵加冰蓄冷系统原理如图5 所示 图5 地源热泵加冰蓄冷系统原理 该系统的设计主要是从经济性方面来考虑 的由于我国夜间电价较低，因此夏季晚上可以通 过制冷机组将冷量储存在蓄冰系统中”，白天用 电高峰时段，用储存的冷量来供应全部或部分空 调负荷，少开或不开制冷机，这对城市电网具有明 显的“移峰填谷”作用，社会效益显著引；用户侧 的生活热
17、水可通过机组自带的热回收模块制取， 未用掉的热水可在蓄水箱蓄存，若热水量不够，则 采用电加热方式补充热水供应mJ 该方案可减少 地下换热器的一次性投资费用，避免冬夏土壤的 万方数据 4 上海电力学院学报 2 0 1 3 年 热不平衡；同时系统效率高，运行费用低；但由于 增加了冰蓄冷装置，系统控制较复杂 4 地源热泵地下埋管系统的设计 全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域 土壤温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热 器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率 因此，地埋管换热系统设计应考虑全年冷热负荷 的影响1 8 1 本文以土壤源热泵，采用竖直双u 形 管埋管为例进行分析 4 1 地下换热
18、量计算 地下换热量为： ”Q 。( 去) ( 1 ) ”Q n ( 卜去) ( 2 ) 式中：Q 。夏季向土壤排放的热量，k W ； Q 。夏季设计总冷负荷，k W ； Q ，冬季从土壤吸收的热量，k W ； Q 。冬季设计总热负荷，k W ； 尺E E 设计工况下水源热泵机组的制冷 系数； P 。o 设计工况下水源热泵机组的供热 系数 4 2 确定竖井埋管管长 双u 管管长为： ：鱼 ( 3 ) 2 5 式中：一竖井埋管总长，m 4 3 确定竖井数目及间距 根据国外经验，竖井深度抒多取5 0 1 0 0m ， 间距多取4 6m ，确定日值后可计算出竖井总数 为： = 兰f 4 ) 4 H 5
19、 结论 ( 1 ) 我国幅员辽阔，各地接收太阳辐射能量 巨大，在地源热泵的推广应用上具有得天独厚的 优势，地源热泵系统有助于改善我国以煤为主的 能源结构； ( 2 ) 地源热泵经过几十年的研究与应用，技 术上已经很成熟，已开发出了多种与其他可再生 能源共同使用的系统，大大提高了地源热泵系统 应用的灵活性，因此地源热泵将在能源结构中占 据越来越大的比重 参考文献： 1 陈焕新，杨培志，徐云生地源热泵技术在我国的应用前景 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 J 建筑热能通风空调，2 0 0 2 ( 4 ) ：1 0 1 3 卢娜浅谈地源热
20、泵技术 J 建筑科学，2 0 1 2 ( 1 ) ：1 7 6 1 7 8 凌舒，张建忠地源热泵空调技术及其应用 J 江苏建筑， 2 0 0 2 ( 5 ) ：9 1 - 9 3 胡连营地源热泵技术讲座地源热泵技术及其发展概 况 J 可再生能源，2 0 0 8 ，2 6 ( 1 ) ：1 1 5 一1 1 7 胡桂秋，王国平地源热泵空调系统的经济性分析 J 节 能，2 0 0 3 ( 6 ) ：2 2 - 2 4 蒲鸿，高殿森浅谈地源热泵在建筑节能中的应用 J 中 国储运，2 0 1 1 ( 1 2 ) ：1 0 5 1 0 7 余红海，周亚素，雷鸣浅谈地源热泵空调系统的分类及其 优越性 J
21、节能技术，2 0 0 2 ，2 4 ( 5 ) ：4 4 1 4 “ 文力，黄翔地源热泵中央空调应用的探讨 J 制冷与空 调，2 0 0 2 ，2 ( 4 ) ：5 2 - 5 6 殷勇，杨志强，戈梦地源热泵可再生能源利用的核心 技术 J 住宅产业，2 0 1 0 ( 9 ) ：6 9 - 7 1 孙钦荣，文继卿地源热泵系统及节能分析 J 环境科学， 2 0 0 8 ，3 7 ( 2 ) ：5 7 - 5 8 胡桂秋水源热泵空调系统运行优化 J 节能，2 0 1 2 ( 5 ) ： 5 5 - 5 8 张世将，杨逍鹏，陈正顺，欧洲地源热泵和地热能储量的现 状 J 应用科学，2 0 0 9 (
22、2 2 ) ：6 5 - 6 7 陈华清，周亚素，余红海地源热泵技术的发展概况 J 科 技信息，2 0 0 7 ( 2 8 ) ：3 0 4 - 3 1 0 孙洲阳，陈武太阳能地源热泵联合循环技术研究 J 流体机械，2 0 1 1 ，3 9 ( 1 0 ) ：6 7 - 7 1 毛佳妮，徐玉党某火车站地源热泵冰蓄冷空调系统的可 行性分析 J 制冷与空调，2 0 0 7 ，7 ( 5 ) ：5 0 - 5 4 张小卫，路诗奎，吕燕某综合楼空调冷热源方案的优化 J 节能技术，2 0 0 9 ，2 7 ( 5 ) ：4 6 6 - 4 6 9 柳国忠，侯靖贤，宣振兴西亚特综合节能方案地源热 泵加冰蓄冷综合应用系统 J 建筑科学，2 0 1 0 ，2 6 ( 1 0 ) ： 3 8 8 - 3 9 1 中华人民共和国建设部G B5 0 3 6 6 - - 2 0 0 5 地源热泵系统 工程技术规范 s 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 5 ：l - 9 ( 编辑胡小萍) 万方数据