地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、地源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用一、前言地源熱熱泵(Ground-sourceheatpump)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能),實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。地源熱泵的閉合回路部分由埋于地下的長(zhǎng)塑料管 組成，該管道埋在地下與土壤耦合，管內(nèi)的流體與土壤之間進(jìn)行換熱。熱泵在閉合 回路和室內(nèi)負(fù)荷之間傳遞熱量。該系統(tǒng)由閉式埋管系統(tǒng)、水源熱泵和室內(nèi)分配系 統(tǒng)組成。其中分配系統(tǒng)用來對(duì)加熱和冷卻的空氣和水在房間內(nèi)進(jìn)行分配。由于較深的地層在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又 低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可以克服空氣

2、源熱泵的技術(shù)障礙，且能效比大大提高。地源熱泵由于其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和環(huán)保效益 ，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低。深層土地資源的溫度一年四季相對(duì)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 得地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約 40%(2) 一機(jī)多用，節(jié)約設(shè)備用房。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào),還可供生活熱水，一機(jī) 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。(3) 保護(hù)環(huán)境。開發(fā)推廣地源熱泵空調(diào)技術(shù)可徹底廢除中小型燃煤鍋爐房，該裝置 沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物，沒有任何污染，不會(huì)影響城鎮(zhèn)的環(huán)境質(zhì)量

3、。(4) 利用再生能源，可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源,進(jìn)行能量交換的采暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源量大面廣，無處不在，它是一種清潔的可再生能源。因此,利用地?zé)岬牡卦礋岜茫且环N可持續(xù)發(fā)展的“綠 色裝置”。二、地源熱泵應(yīng)用概況2.1 國(guó)外發(fā)展情況地源熱泵系統(tǒng)由于采用的是可再生的地?zé)崮?, 因此被稱之為一項(xiàng)以節(jié)能和環(huán)保為 特征的 21世紀(jì)的技術(shù)。這項(xiàng)起始于 1912年的技術(shù) （瑞士提出的一個(gè)專利 , 應(yīng)用始 于英、美兩國(guó)）,美國(guó)從1946年開始對(duì)GSHP系統(tǒng)進(jìn)行了十二個(gè)主要項(xiàng)目的研究, 并在俄勒岡州的波特蘭市中心區(qū)安裝了美國(guó)第一臺(tái)地源熱泵系統(tǒng)。 近十年來地源 熱泵在歐

4、美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家取得了迅速的發(fā)展 , 已成為一項(xiàng)成熟的應(yīng)用技術(shù)。到 2000年底, 美國(guó)有超過 40萬臺(tái)地源熱泵系統(tǒng)在家庭、 學(xué)校和商業(yè)建筑中使用 , 每 年約提供8000-11000Gwh的終端能量。地源熱源在工程上的應(yīng)用主要為地下耦合 熱泵系統(tǒng)（GCHPS和地下水熱泵系統(tǒng)（GWHPS）地表水熱泵系統(tǒng)（SWHPS）2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展應(yīng)用情況到2040年, 我國(guó)一次能源的總消費(fèi)量將達(dá) 38.6 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 , 是現(xiàn)在能源消費(fèi)量的 3倍。我國(guó)已探明的能源總體儲(chǔ)量、煤炭?jī)?chǔ)量約占世界儲(chǔ)量的11%,原油占 2.4%,天然氣僅占 1.2%,我國(guó)人口約占世界人口的 20%,人均能源占有量不到世界平均 水平的一

5、半。我國(guó)是煤炭大國(guó) , 但世界七大煤炭大國(guó)中其余六國(guó)的的儲(chǔ)量比都在 200 年以上 , 只有我國(guó)的儲(chǔ)量不足百年。石油的儲(chǔ)量比為四十年 , 并且中國(guó)石油、 天然氣的平均年度值也僅為世界平均水平的 57%和 45%。面對(duì)如此嚴(yán)峻的能源形 勢(shì), 國(guó)家總的能源政策還是節(jié)能和新能源開發(fā)、再生能源利用并重 , 因此, 地源熱 泵技術(shù)的推廣應(yīng)用在我國(guó)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 主要包括兩大部分 : 一是建筑物內(nèi)的水環(huán)路空調(diào)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) ; 二是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下部分的設(shè)計(jì) , 即地下耦合熱泵系統(tǒng)的地下 熱交換器、 地表水熱泵系統(tǒng)的地表水熱交換器、 地下水熱泵系統(tǒng)的水井

6、系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)。地下耦合熱泵系統(tǒng)最早應(yīng)用在 89 年 10 月投入運(yùn)行的上海閔行開發(fā)區(qū)辦公樓 （4305m2,冷負(fù)荷4532KW熱負(fù)荷231KW）,其技術(shù)和設(shè)備均由美國(guó)提供,使用情況 良好。135個(gè)深35m的垂直豎管井,埋管為聚丁烯管。國(guó)內(nèi)的大專院校均進(jìn)行了 相關(guān)的垂直或水平埋地管的試驗(yàn)研究和小型的工程應(yīng)用 , 并建立了地埋管的傳熱 模型。各地的地質(zhì)條件不同 , 土壤的溫度和熱物性參數(shù)都不一樣 , 因此 , 地下耦合 熱泵的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。目前在我國(guó)來說 , 技術(shù) 上比較成熟、 利用可行性較大、 實(shí)施的工程項(xiàng)目較多的還是地下水熱泵系統(tǒng)。 目 前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水源熱泵機(jī)組的廠

7、家也已達(dá)到二、 三十家。因?yàn)閲?guó)內(nèi)還沒有頒布水源 熱泵機(jī)組的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) , 國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差別較大 ,從有些廠家的產(chǎn) 品樣本來看 , 技術(shù)參數(shù)不完整、不準(zhǔn)確。三、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)簡(jiǎn)介及選擇地源熱泵系統(tǒng)按其循環(huán)形式可分為 : 閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)和混合循環(huán)系 統(tǒng)。封閉循環(huán)系統(tǒng)是指冷 （熱） 源側(cè)的循環(huán)水在機(jī)組室外換熱器與地源換熱器間形成 封閉循環(huán)。管道可以通過垂直井埋入地下 150-200 英尺深,或水平埋入地下 4-6 英尺處 , 也可以置池塘的底部。在冬天 , 管中的流體從地下抽取熱量 , 帶入建筑物 中, 而在夏天則是將建筑物內(nèi)的熱能通過管道送入地

8、下儲(chǔ)存 ; 所用管道為高密度 聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。 大部分地源熱泵冷 （熱） 源側(cè)換熱系統(tǒng)是采用封閉循環(huán)。開式循環(huán)系統(tǒng)是其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源 , 在以與閉式 循環(huán)相同的方式與建筑物交換熱量之后 ,水流回到原來的地方或者排放到其它的 合適地點(diǎn)。對(duì)于混合循環(huán)系統(tǒng) , 地下?lián)Q熱器一般按熱負(fù)荷來計(jì)算 , 夏天所需的額外的冷負(fù)荷 由常規(guī)的冷卻塔來提供。閉式循環(huán)系統(tǒng)是一中比較穩(wěn)定可靠的常規(guī)循環(huán)系統(tǒng) , 對(duì)地下水、地下環(huán)境沒有污 染,一般設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮該循環(huán)系統(tǒng)。 對(duì)于地下設(shè)計(jì)熱交換空間不夠充分 , 或垂直 埋管困難等地下特殊情況 , 可考慮設(shè)計(jì)混合循環(huán)

9、系統(tǒng)。3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)討論關(guān)于（冷）熱源側(cè)水流量 , 要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的 選取取決于埋管循環(huán)流程長(zhǎng)度、 埋管材料、 管徑大小、當(dāng)?shù)氐卦礂l件以及機(jī)組的 特性要求。一般 ,如提高水流速度可適當(dāng)增加換熱系數(shù) , 強(qiáng)化換熱量 , 減小換熱面 積和換熱管的耗材 , 但流速太快會(huì)增加循環(huán)水泵能量消耗。一般可取流速為 0.65-1.5m/s 。具體可當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計(jì) , 其優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)關(guān)系 如下。復(fù)合能耗N=f（長(zhǎng)度LLT、埋管材料Ma管徑D地源溫度Te,地源熱指標(biāo) Ke,機(jī)組特性Type）在機(jī)組選擇上,設(shè)定地埋管進(jìn)水溫度,根據(jù)測(cè)井測(cè)出的進(jìn)出水 溫差推算出地

10、埋管出水溫度 , 進(jìn)而確定熱泵機(jī)組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫 度?？傊? 我國(guó)幅員遼闊 , 地處溫帶 , 在不同地區(qū)氣候條件差異很大 , 其負(fù)荷也迥然 不同。因此不能照搬國(guó)外的技術(shù)成果 , 而要開發(fā)適合我國(guó)氣候特點(diǎn)的技術(shù)。3.3 機(jī)組的設(shè)計(jì)地源熱泵的形式比較多 , 其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵。對(duì)于戶式地 源熱泵系統(tǒng) , 以水-水系統(tǒng)為例 , 由一個(gè)室外機(jī)組和多個(gè)室內(nèi)機(jī)組組成。該系統(tǒng)可 以對(duì)每個(gè)空調(diào)室進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié) , 滿足各個(gè)空調(diào)室的要求 , 具有較好的節(jié)能效果。 而 變頻戶式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)加上獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)是一很有發(fā)展前景的理想的節(jié) 能舒適型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)。 因而其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有

11、極其重要的價(jià)值。 傳統(tǒng)的制冷 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是基于經(jīng)驗(yàn)加實(shí)驗(yàn)為主。通常經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便易行 , 對(duì)理論知識(shí) 和實(shí)驗(yàn)條件等依賴性相對(duì)較小。 然而經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn) , 只適于產(chǎn)品的初步開發(fā)。而基于理論預(yù)測(cè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù) 可以有效。最優(yōu)化方法就是在一切可行方案中選出最優(yōu)方案的方法。在最優(yōu)化設(shè)計(jì)中, 表征方案的一切獨(dú)立變量為設(shè)計(jì)變量。 最優(yōu)化方法就是研究如何合理地確定這些變量 的方法。而評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的指標(biāo)決定于該方案所選定的設(shè)計(jì)變量 , 即該指標(biāo)為設(shè) 計(jì)變量的函數(shù) -目標(biāo)函數(shù)。在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中 , 設(shè)計(jì)變量的取值常常受到種種條件 的限制, 即約束條件。變頻戶式地源

12、熱泵空調(diào)系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā) 器、電子膨脹閥、室內(nèi)機(jī)、制冷劑管路和水泵水管路系統(tǒng)組成。根據(jù)制冷系統(tǒng)熱 力學(xué)理論 ,利用參數(shù)動(dòng)態(tài)分布、 相互關(guān)聯(lián)的方法 ,建立系統(tǒng)各部件數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行 參數(shù)動(dòng)態(tài)方程 ,組成系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的方程組 ,并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。 模擬系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)特性 , 為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為滿足空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、熱舒適性及制冷制 熱好的效果 ,空調(diào)系統(tǒng)的能效比、降（升）溫速率和降 （升）溫幅度要達(dá)到指標(biāo)要求。 因而在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí) ,分別選取能效比、降 （升）溫速率和降 （升）溫幅度為目標(biāo)函數(shù) 的多目標(biāo)優(yōu)化方法。 同時(shí)考慮滿足冷凝器和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、 面積范圍、 迎面風(fēng)速范 圍、系統(tǒng)溫

13、度和壓力變化范圍、 水和制冷劑流量范圍、 過冷過熱度范圍和室內(nèi)機(jī) 數(shù)量等約束條件的要求 ,利用優(yōu)化方法進(jìn)行對(duì)上述目標(biāo)多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算 , 從而達(dá) 到針對(duì)不同地域的地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。3.4 地源熱泵地下?lián)Q熱器形式與布設(shè) 土壤熱交換器是地源泵機(jī)組設(shè)計(jì)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(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。 在中國(guó)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(chǎng)、操場(chǎng)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。下面就豎直埋管換

14、熱器的設(shè)計(jì) 進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。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、傳熱性 能可滿足換熱要求、 價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)?？晒┻x用的管材有高密度聚乙烯管 （PE 管）, 不得用于商業(yè)用途鋁塑管等。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(dāng)?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(fèi)用相對(duì)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(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)及土壤的傳熱情況。豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔

15、達(dá)到預(yù)計(jì)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(jià)、 傳熱性能、 施工方便等 因素。從實(shí)際測(cè)試比較澆鑄混凝土換熱性能最好 , 但造價(jià)高、施工難度大 , 但可結(jié) 合建筑物樁基一起施工。豎直埋管換熱器中流動(dòng)的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時(shí) ,由 于蓄熱地溫提高 , 機(jī)組運(yùn)行時(shí)水溫不斷上升 , 停機(jī)時(shí)水溫又有所下降 , 當(dāng)建筑物得 熱達(dá)到最大時(shí)水溫升至最高點(diǎn)。 冬季供熱工況運(yùn)行時(shí)則相反 , 由于取熱地溫下

16、降 , 當(dāng)建筑物失熱最多時(shí) , 換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。 對(duì)于簽埋管尤其嚴(yán)重。 設(shè)計(jì)時(shí) , 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。同時(shí) , 由于埋管換熱器的 表面結(jié)垢等影響 , 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮衰減 , 設(shè)定值應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳狀態(tài)點(diǎn)。四、結(jié)束語地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)是一項(xiàng)新的技術(shù) , 它是一項(xiàng)跨專業(yè)、跨學(xué)科的綜合能源 利用技術(shù),需要通過相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的通力協(xié)作 ,做好勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試 等各項(xiàng)工作才能使系統(tǒng)達(dá)到要求的節(jié)能、 環(huán)保性能。 近幾年在全國(guó)各地已經(jīng)有大 量工程投入使用 , 應(yīng)該積極對(duì)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié) , 以其使地源熱泵這項(xiàng)利國(guó) 利民的可再生能源利用技術(shù)得到健康有序的發(fā)展。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studie