地源熱泵原理及設(shè)計要點.ppt

1、地源熱泵系統(tǒng),一 地源熱泵概述 二 地源熱泵由來 三 熱泵工作原理 四 地源熱泵組成 五 地源熱泵優(yōu)點 六 地源熱泵特點 七 地源熱泵分類 八 地源熱泵地下?lián)Q熱器形式與埋管 九 地源熱泵應(yīng)用方式 十 常見問題討論 十一 地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗總結(jié),一 地源熱泵概述 地源熱泵是利用淺層地能進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

2、到建筑物內(nèi),一個年度形成一個冷熱循環(huán)。,二 地源熱泵由來地源熱泵的概念，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。 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。,三 熱泵工作原理作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創(chuàng)造機器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功

3、僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié)能特點。,工作原理,地源熱泵是地熱利用的一種形式 ,是將低位熱能用熱泵提升為高位熱能加以利用。熱泵機組是制冷機的逆循環(huán),1 制冷模式： 在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將由風機盤管循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)同時再通過冷凝器內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地表水、地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過風機盤管，以13以下的冷風的形式為房間供冷。 2 供暖模式:在供暖狀態(tài)下，壓縮機對冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動方向換向。由地

4、下的水路循環(huán)吸收地表水、地下水或土壤里的熱量，通過冷凝器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的冷凝，由風機盤管循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以35以上熱風的形式向室內(nèi)供暖。,1 地緣熱泵機組的組成 熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設(shè)備組成及功能是一樣的，對蒸氣壓縮式熱泵（制冷）系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成： 壓縮機：起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統(tǒng)的心臟； 蒸發(fā)器：是輸出冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的；,四 地

5、源熱泵組成,冷凝器：是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達到制熱的目的；膨脹閥或節(jié)流閥：對循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。根據(jù)熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復地進行循環(huán)。,2 地源熱泵系統(tǒng)組成 地源熱泵系統(tǒng)主要分三部分（如下圖）：室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中地源熱泵機主要有兩種形式：水水式或水空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進行熱量的傳遞，地源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介

6、質(zhì)可以是水或空氣。,1.高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠 地能或地表淺層地熱資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)運行效率要高40%60%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用4050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)。,五 地源熱泵優(yōu)點：,2.無環(huán)境污染 地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40以上，與電供暖相比，相當于減少70以上，真正的實現(xiàn)了節(jié)能減排。 3.一機多用 地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，還可

7、供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。 4.維護費用低 地源熱泵系統(tǒng)運動部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護，系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。,5.使用壽命長 地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達50年。 要比普通空調(diào)高35年使用壽命。 6.節(jié)省空間 沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設(shè)備，省去了鍋爐房，冷卻塔占用的寶貴面積，產(chǎn)生附加經(jīng)濟效益，并改善了環(huán)境外部形象。,1.屬可再生能源利用技術(shù)地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地熱資源可以稱之為地能（Ear

8、thEnergy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47的太陽能量，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，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。,六 地源熱泵特點,2、屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，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)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得

9、熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶3040的供熱制冷空調(diào)的運行費用。,3、環(huán)境效益顯著地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40以上，與電供暖相比，相當于減少70以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。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；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，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，且不用遠距離輸送熱量。,4一機多用，應(yīng)用范圍廣地源熱

10、泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。此外，機組使用壽命長，均在15年以上；機組緊湊、節(jié)省空間；維護費用低；自動控制程度高，可無人值守。當然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應(yīng)用會受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會受到當?shù)氐叵滤Y源的制約，實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質(zhì)產(chǎn)生污染。,5.地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點：

11、全年溫度波動小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費用40%左右。 冬季運行不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失。 地源有較好的蓄能作用。,七 地源熱泵的分類 地源按照室外換熱方式不同可分為三類： 1.地表水系統(tǒng) 2.土壤埋盤管系統(tǒng) 3. 地下水系統(tǒng),1 地表水系統(tǒng) 地表水地源熱泵系統(tǒng)，由潛在水面以下的多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換器地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中。 一 般情況下，只要地表水冬季不結(jié)冰，均可作為低溫熱源使用。我國有豐富的地表水資源，用其作為熱泵的低溫熱源

12、，可獲得較好的經(jīng)濟效益。地表 水相對于室外空氣是溫度較高的熱源，且不存在結(jié)霜問題，冬季溫度也比較穩(wěn)定。利用地表水作為熱泵的低溫熱源，要附設(shè)取水和水處理設(shè)施，如清除浮游生物和垃圾，防止泥沙等進入系統(tǒng)，影響換熱設(shè)備的傳熱效率或堵塞系統(tǒng)，而且應(yīng)考慮設(shè)備和管路系統(tǒng)的腐蝕問題。,2 土壤熱交換器系統(tǒng) 土壤是熱泵良好的低溫熱源。通過水的流動和太陽輻射熱的作用，土壤的表層貯存了大量的熱能。土壤的溫度變化不大，并有一定的蓄熱作用。熱泵可以從土壤表層吸收熱量，土壤的持續(xù)吸熱率(能量密度)為20-40wm2，一般在25wm2左右。土壤的主要優(yōu)點是：(1)溫度穩(wěn)定，全年波動較小，冬季土壤溫度比空氣高，因此熱泵的制熱

13、系數(shù)較高；(2)土壤的傳熱盤管埋于地下，熱泵運行中不需 要通過風機或水泵采熱，無噪聲，換熱器也不需要除霜；(3)土壤有蓄能作用。,3 地下水系統(tǒng),八 地源熱泵地下?lián)Q熱器形式與埋管,土壤熱交換器是地源泵機組設(shè)計的關(guān)鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式,如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應(yīng)用環(huán)境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性:節(jié)約用地面積,換熱性能好,可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能,甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管,見縫插針充分利用可利用的土地面積。,1豎直埋管材料和深度 埋管材料最好采用塑料管,因與金屬管相比,塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱

14、性能可滿足換熱要求、價格便宜等優(yōu)點?？晒┻x用的管材有高密度聚乙烯管(PE管),鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇,如DN20、DN25、DN32、DN50等。豎直埋管可須根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)條件而定,可以從20m-200m。確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。如果地表土壤層很厚,鉆孔費用相對便宜,宜采用較深的豎直埋管,反之,采用淺埋。埋管間距一般以5-6m及以上,要綜合考慮當?shù)氐牡刭|(zhì)及土壤的傳熱情況。,2豎直埋管換熱器回填、靈敏度 豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度,將制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管

15、并聯(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同,回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好,但造價高、施工難度大,但可結(jié)合建筑物樁基一起施工。,3 豎直埋管換熱器中傳熱的衰減 豎直埋管換熱器中流動的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時,由于蓄熱地溫提高,機組運行時水溫不斷上升,停機時水溫又有所下降,當建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反,由于取熱地溫下降,當建筑物失熱最多時,換熱器中水溫達到最低點。對于淺埋管尤其嚴重。設(shè)計時,首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度。同

16、時,由于埋管換熱器的表面結(jié)垢等影響,設(shè)計時要考慮衰減,設(shè)定值應(yīng)通過經(jīng)濟比較選擇最佳狀態(tài)點。,4 串聯(lián)或并聯(lián) 地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管 徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文，即常采用單U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。,5選擇管材 一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在

17、嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。,6 確定管徑 在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：（1）管道要達到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合 考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、3

18、2mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mHO/100m當量長度以下,7 確定豎井數(shù)目及間距 國外，豎井深度多數(shù)采用50100m，設(shè)計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H ，計算結(jié)果進行調(diào)整，若計算結(jié)果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。 關(guān)于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m， 也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置，來節(jié)約占地面積。,8計算管道壓力損失

19、 在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯斄块L度法，將局部阻力件轉(zhuǎn)換成當量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。,9 水泵選型 根據(jù)上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數(shù)。 其它 與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點處（一般為1m）設(shè)計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。,地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對象

20、可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。 1家用系統(tǒng)用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統(tǒng)進行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。,九 地源熱泵應(yīng)用方式,2集中系統(tǒng)熱泵布置在機房內(nèi)，冷熱量集中通過風道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。,3 分散系統(tǒng)用戶單獨使用自己的熱泵機組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應(yīng)在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。 4混合系統(tǒng)： 將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。 南方地區(qū)，冷負荷大，熱負荷低，

21、夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。,5水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)水環(huán)路熱泵(Water-LoopHeatPump，簡稱WLHP)空調(diào)系統(tǒng)，它由許多臺水源熱泵空調(diào)機(WSHP)組成。這些機組由一個閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調(diào)工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。 夏季運行：全部或大多數(shù)機組為供冷，熱量水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。,1為什么地源熱泵在美國、歐

22、洲以及中國，尤其是近些年來為越來越多的用戶所認識，市場日趨活躍呢？一方面是由于全世界范圍內(nèi)比以往更加關(guān)注能源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的問題，對于中國由于以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)造成了極為嚴重的大氣污染，因此，要實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，必須盡可能多地利用清潔的可再生能源，必須加大節(jié)能的力度，而既能在冬季供暖、又能在夏季制冷空調(diào)的地源熱泵系統(tǒng)是很好的一個選擇； 另一方面是地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究，在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，而且經(jīng)過多年的示范與實踐，確認了地源熱泵系統(tǒng)的很多優(yōu)點：節(jié)約能源、舒適、安全、性能穩(wěn)定、清潔、使用靈活等。,十 常見問題討論,2水環(huán)路熱泵（WLHP）系統(tǒng)與地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)有什么異

23、同？適用于什么場合？ 兩者都可通過水源熱泵如水空氣熱泵或水水熱泵系統(tǒng)為建筑物提供熱量或冷量，區(qū)別是WLHP系統(tǒng)通常是指利用冷卻水塔和鍋爐保持全年冬夏兩季節(jié)的供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)， 而GSHP系統(tǒng)則通常是指通過利用地下水、地下?lián)Q熱系統(tǒng)、地表水或者地下?lián)Q熱系統(tǒng)與冷卻塔、鍋爐相結(jié)合等形式維持供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)。,對于WLHP系統(tǒng)適用于什么場合，有研究認為，單純的供冷或單純的供熱選用水環(huán)路熱泵是不合理的；對同時具有制冷和制熱需要的空調(diào)建筑，當其內(nèi)部余熱量較小或較大時，使用WLHP系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯，只有當機組排出的熱量與部分水源熱泵機組吸收的熱量相近時，才具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。對于某一特定建筑，設(shè)計者需根據(jù)建筑物的冷熱負荷曲線、使用特點、功能，所處環(huán)境等諸多因素綜合評價使用WLHP系統(tǒng)是否節(jié)能、合適。