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地源热泵系统

一、概念

  地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季,把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地下去。通常地源热泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。与锅炉(电、燃料)供热系统相比,锅炉供热只能将90%以上的电能或70~90%的燃料内能为热量,供用户使用,因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能,比燃料锅炉节省约二分之一的能量;由于地源热泵的热源温度全年较为稳定,一般为10~25℃,其制冷、制热系数可达4.0~4.4,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50~60%。因此,近十几年来,尤其是近五年来,地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展,中国的地源热泵市场也日趋活跃,可以预计,该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

二、地源热泵国内外发展近况

  地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利,而地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。如美国,截止1985年全国共有14,000台地源热泵,而1997年就安装了45,000台,到目前为止已安装了400,000台,而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中有新建筑中占30%。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会,该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标,届时将降低温室气体排放1百万吨,相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩,年节约能源费用达4.2亿美元,此后,每年节约能源费用再增加1.7亿美元。与美国的地源热泵发展有所不同,中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源,地下土壤埋盘管(埋深<400米深)的地源热泵,用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计,为家用的供热装置中,地源热泵所占比例,瑞士为96%,奥地利为38%,丹麦为27%。美国特别看好中国市场,美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书,其中主要内容之一是“地源热泵”,该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商业建筑,以推广运用这种“绿色技术”,缓解中国对煤炭和石油的依赖程度,从而达到能源资源多元化的目的。与此同时,科技部委托的中国企业公司将美国的地源热泵技术及设备引进中国市场,这将促进我国地源热泵的市场化、产业化的发展,并使我国地源热泵的研究开发尽快跟上国际潮流。我国的地源热泵事业近几年已开始起步,而且发展势头看好。天津大学、清华大学分别与有关企业结成产学研联合体开发出中国品牌的地源热泵系统,已建成数个示范工程,越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵,并对其应用产生了浓厚的兴趣,可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。

三、地源热泵特点

1、属可再生能源利用技术
  地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能,是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制,真正是量大面广、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的可再生能源一种形式。
2、属经济有效的节能技术
  地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%,因此要节能和节省运行费用40%左右。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。设计安装良好的地源热泵,平均来说可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。
3、环境效益显著
  系统运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。
4、一机多用,应用范围广
  地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外,机组使用寿命长,均在15年以上;机组紧凑、节省空间;维护费用低;自动控制程度高,可无人值守。

四、热泵的分类

  热泵是需要冷凝器的热量,蒸发器则从环境中取热,此时从环境取热的对象称为热源;相反制冷是需要蒸发器的冷量,冷凝器则向环境排热,此时向环境排热的对象称为冷源。蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同,主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵或制冷机根据与环境换热介质的不同,可分为水—水式,水—空气式,空气—水式,和空气—空气式共四类。利用空气作冷热源的热泵,称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史,而且其安装和使用都很方便,应用较广泛。但由于地区空气温度的差别,在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区,冬季平均气温低于零摄氏度,空气源热泵不仅运行条件恶劣,稳定性差,而且因为存在结霜问题,效率低下。利用水作冷热源的热泵,称之为水源热泵。水是一种优良的热源,其热容量大,传热性能好,一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵,但由于受水源的限制,水源热泵的应用远不及空气源热泵。

五、地源热泵工作原理

  地源热泵则是利用水源热泵的一种形式,它是利用水与地能(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源,冬季把地能中的热量“取”出来,供给室内采暖,此时地能为“热源”;夏季把室内热量取出来,释放到地下水、土壤或地表水中,此时地能为“冷源”。

 

 



  地源热泵供暖空调系统主要分三部分:室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式:水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递,水源热泵与地能之间换热介质为水,与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
地源热泵同空气源热泵相比,有许多优点:
  (1)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,一般可高于40%,因此可节能和节省费用40%左右。
  (2)冬季运行不需要除霜,减少了结霜和除霜的损失。
  (3)地源有较好的蓄能作用。

六、地源分类

  地源按照室外换热方式不同可分为三类:1.土壤埋盘管系统,2.地下水系统,3.地表水系统。

 

  根据循环水是否为密闭系统,地源又可分为闭环和开环系统。
闭环系统如埋盘管方式(垂直埋管或水平埋管),地表水安置换热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式。

七、地源热泵应用方式

  地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类,从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。
1、家用系统

  用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应,多用于小型住宅,别墅等户式空调。

2、集中系统
  热泵布置在机房内,冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

3、分散系统
  用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等,此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上,便于计量,适用于目前的独立热计量要求。
4、混合系统:
  将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统,混合系统与分散系统非常类似,只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。
南方地区,冷负荷大,热负荷低,夏季适合联合使用地源和冷却塔,冬季只使用地源。北方地区,热负荷大,冷负荷低,冬季适合联合使用地源和锅炉,夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸,节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。

常见问题讨论

1.为什么地源热泵在美国、欧洲以及中国,尤其是近些年来为越来越多的用户所认识,市场日趋活跃呢?
  一方面是由于全世界范围内比以往更加关注能源、环境与可持续发展的问题,对于中国由于以燃煤为主的能源
结构已经造成了极为严重的大气污染,因此,要实现经济的可持续发展,必须尽可能多地利用清洁的可再生能源,必须加大节能的力度,而既能在冬季供暖、又能在夏季制冷空调的地源热泵系统是很好的一个选择;另一方面是地源热泵系统经过多年的研究,在技术上已经非常成熟,而且经过多年的示范与实践,确认了地源热泵系统的很多优点:节约能源、舒适、安全、性能稳定、清洁、使用灵活等。
2.对几种地源热泵系统在工程应用中的评述
  1)直接利用地下井水的地源热泵系统:其最大优点是非常经济,占地面积小,但要注意必须符合下列条件:水质良好;水量丰富;符合标准。
  2)地下埋管的地源热泵系统:对于垂直式埋管系统,其优点有:较小的土地占用,管路及水泵用电少,其缺点是钻井费用较高;对于水平式埋管系统,其优点有:安装费用比垂直式埋管系统低,应用广泛,使用者易于掌握,其缺点有:占地面积大,受地面温度影响大,水泵耗电量大。
  3)地表水式热泵:在10米或更深的湖中,可提供10℃的直接制冷,比地下埋管系统投资要小,水泵能耗较低,高可靠性,低维修要求、低运行费用,在温暖地区,湖水可做热源.
3.地源热泵的运行费用怎样?经济性如何?

  这是用户最关心,也是大家最容易提出的一个问题,然而,也是目前最难回答的一个问题。因为影响地源热泵使用经济性的因素有很多,如电价、用户或居民行为、气候条件以及例如非正常的炎热或寒冷季节等其它因素。尤其是在中国的应用时间还不长,实际运行经济性的总结工作还有待完成,目前,尚难于给出较准确的答案。由于美国等发达国家在地源热泵的工程应用方面已至少有十余年的历史,不妨先借鉴其经验。据世界环境保护组织EPA的一份有关空调未来的报告所得出的结论:地源热泵技术在为家庭居民带来舒适、可靠和高效节能的同时,将成为降低国家能源消耗和环境污染的一个主要力量。据EPA估计,设计安装良好的地源热泵,平均来说,可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。

 

地源热泵以大地为热源和热汇、通过埋入地下的换热器与大地进行冷热交换,实现建筑空调和热水供应的目的:与地面上的环境空气相比,地热源温度较为恒定,可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。在冬季,地源热泵特大地中的低位热能提高向建筑供暖,同时蓄存冷量、以备夏用;夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温*同时蓄存热量,以备冬用:夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相当,冷暖负荷基本相同。用同一系统,可以充分发择地下蓄能的作用。此外,地源热泵可与太阳能联用改善冬季运行条件。由于地源热泵系统中的埋地换热器在地下进行吸放热,减小了空调系统对地面空气的热及噪音的污染;它不向外界排放任何废气、废水、废渣,是一种理想的“绿色技术”,符合当前可持续发展的要求。
1
地源热泵原理
    
地源热泵是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性,通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部进行热交换的装置,它完全不需要任何的人工热源,彻底取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤中取热,向建筑物供暖,夏季它代替普通空凋向土壤排热给建筑物制冷。同时,它还能供应生活热水。

2 地源热泵特点
1)
可再生能源利用形式
    
地源热泵是利用地球表面浅层地热资源(通常小于400m)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统c地表浅层地热资源可以称之为地能(Earth Energy),是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能:地表浅层是一个巨大的太阳集热器、收集了47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多:它不受地域、资源等限制,真正是量大面广、天处不在,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的可再生能源一种形式。
2)
经济性
    
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%。另外。地能温度较恒定的持性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性:
据美国环保署EN估计,设计安装良好的地源热泵,平均来说可以节约用户3040%的供热制冷空调的运行费用。
3)
保护环境
    
地源热泵的污染物徘放,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,如果结合其它节能措施节能减徘会更明显。虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量:肩自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏机串大为减少:该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧、没有徘烟、也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。
4)
多功能
    
地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,也适合于别墅、住宅楼的采暖、空调。
    
此外,机组使用寿命长,主机部件均在15年以上;机组紧凑、节省空间;维护费用低;自动控制程度高,可无人值守。
    
当然,象任何事物一样,地源热泵也不是十全十美的,加其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响;一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。
3
地源热泵摄况
1)
研究状况
    
“地源热泵”的概念最早出现在1912年瑞土的一份专利文献中。20世纪50年代欧洲和美国开始了利用地源热泵的第一次高潮.在此期间IngersollPlass根据Kelvin线源概念提出了地下埋管传热的线热源理论:但当时能源价格低,系统投资高,因而未得到推广:直到20世纪70年代,石油危机把人们的注意力集中到节能、高效益用能时.地源热泵的研究进人了又一次高潮:20世纪80年代初,欧洲先后召开了5次大型的地源热泵的专题国际学术会议.美国在能源部的直接资助下开展了大规模的研究.为地源热泵的推广起到了重要的作用。这一时期的主要工作是对埋地换热器的地下换热过程进行研究.建立相应的数学模型井进行数值仿真。此时地下埋管换热器由早期的金属埋管改为塑料管。这个时期,欧洲建立了不少水平埋管地下换热器的地源热泵.但其主要用于冬季供暖。早期的研究主要集中于土壤的传热性质、换热器形式以及影响埋管换热的因素等方面:20世纪70年代末到90年代初,美国开展了冷热联供地源热泵方面的研究工作,不少文献报道了地源热泵不同形式的地下埋管换热器的传热过程及其模拟计算方法。
    1990
年后地源热泵的研究热点依然集中在埋地换热器的换热祝理、强化换热及热泵系统与埋地换热器匹配等方面c与前一阶段单纯采用的‘线热源。传热模型不同,最新的研究更多地关注相互闻合的传热、传质模型,以便更好地模拟埋地换热器的真实换热状况;同时开始研究采用热物性更好的回境材料.以强化埋管在土壤中的导热过程,从而降低系统用于安装埋管的初投资;为进一步优化系统,有关埋地换热器与热泵装置的最佳匹配参数的研究也在开展.
2)
工程应用
    
地源热泵真正意义的商业应用只有近十几年的历史。如美国,截止到1985年全国共安装14000台地源热泵,而l997年就安装了45000台,到目前为止已安装了400000台,而且每年以l0%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中在新建筑中占30%。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会,该协会在近年中将投入1亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标,届时将降低温室气体排放40万吨.相当于减少5D万辆汽车的污染物排放或种植树40万公顷,年节约能源费用达4.2亿美元,此后,每年节约能源费用再增加1.7亿美元。
    
与美国的地源热泵发展有所不同,中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用埃层地热资源、采用地下土壤埋盘管(埋深小于400米深)的水—水地源热泵,用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计,在家用的供热装置中,地源热泵所占比例,奥地利为38%.丹麦为27%。
    
中国的地源热泵事业近几年已开始起步,而且发展势头看好,越来越多的用户开始熟悉地源热泵.并对其应用产生了浓厚的兴趣.近几年来在山东、河南、湖北、辽宁、黑龙江、北京市及河北等地,已有100多个利用地下水的地源热泵工程在实际应用.供热/空调面积达100余万平方米。可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。
4
地源热泵运行效益分析
    
地源热泵作为冬天供暖或供应热水的方案之一是否具有竞争力,其经济性是一个关键因素。
    
从运行费用的角度来看,假设天然气价格为1.4m3、电0.38/kwh,如果利用天然气来采暖,天然气热值为33500kj/m3,利用热效率以90%计,则燃烧1m3天然气可以获得热量为:Q30150kJ。如果使用地源热泵,取COP3.5,则获得同样的热量需要耗电量为:WQ/COP=2.4(kwh)。费用比较可知:热泵供暖电费为0.91(),而1m3的天然气费用为1.4(),因此,用地源热泵供暖()可减少运行费用35.0%。由此可见地源热泵在运行费用方面的优势:
5
结语
1)
地源热泵是高科技通向节能环保的桥梁。地源热泵对于取其土壤、岩石、含水层等中的冷(热量),用来改善人类的生活环境是切实可行的,是一种可以较大规模开发利用可再生能源的良好途径。
2)
利用地源热泵供暖和供热,其运行费用可比用天然气或电节省30~70%:在全世界都在以燃烧煤、油、气等矿物质为主获取能源的今天来研究地源热泵,对于减少环境污染、节约能源具有重要意义,建议在我国“十五”期间立项重点支持:
3)
中国近几年来在利用地下水为冷热源的地源热泵工程应用方面有了较大的发展.如何总结其中的成功经验及其不足.使其真正做到节能、环保.实现该项技术的可持续发展。应该引起人们关注。
4)
从国内外发展趋势看.利用只取热不取水的土壤换热器的地源热泵将会是未来发展方向。而如何完善地下换热器的传热模型,确定最佳地下埋管换热器的尺寸将是发展地源热泵工程应用的关键内容,因此,加快研究开发适合国内应用的计算模型和设计软件很重要。
   

 

地源热泵系统GSHP(Ground Source Heat Pump)
【1】地源热泵的名词解释
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,是热泵的一种,热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备.地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方.通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的.地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环.

【2】地源热泵系统的工作原理
一、制冷原理
在制冷状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝,由水路循环将冷媒所携带的热量吸收,最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中,通过冷媒-空气热交换器,以13℃以下的冷风的形式为房供冷。
二、制热原理
在制热状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量,通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发,将水路循环中的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝,由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中,以强制对流 、自然对流或辐射的形式向室内供暖。

【3】地源热泵系统的组成
地源热泵空调系统主要包含地源热泵主机、风机盘管和地下埋管。主机是一种水冷式的供冷/供热机组。机组由封闭式压缩机、同轴套管式水/制冷剂热交换器、热力膨胀阀(或毛细膨胀管)、四通换向阀、空气侧盘管、风机、空气过滤器、安全控制等所组成。机组本身带有一套可逆的制冷/制热装置,是一种可直接用于供冷/供热的热泵空调机组。地埋管是埋在地下的部分。不同的地埋管并联连接,再通过不同的集管接入热泵主机。

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