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地源熱泵工作原理1地源熱泵工作原理地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式,它是利用水與地能(地下水、土壤或地表水)進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源,冬季把地能中的熱量“取”出來,供給室內(nèi)采暖,此時地能為“熱源”;夏季把室內(nèi)熱量取出來,釋放到地下水、土壤或地表水中,此時地能為“冷源”。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分:室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水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,水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水,與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。2地源熱泵技術(shù)路線地源熱泵技術(shù)路線有以下兩種:土--氣型地源熱泵技術(shù)和水--水型地源熱泵技術(shù)土--氣型地源熱泵技術(shù)以美國的技術(shù)為代表,水--水地源熱泵技術(shù)以北歐的技術(shù)為代表。二者的差別是:前者從淺層土壤或地下水中取熱或向其排熱,通過分散布置于各個房間的地源熱泵機組直接轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)或冷風(fēng)為房間供暖或制冷。后者是從地下水中取熱或向其排熱,經(jīng)過熱泵機組轉(zhuǎn)換成熱水或冷水,然后再經(jīng)過布置在各個房間的風(fēng)機盤管轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)或冷風(fēng)給房間供暖或制冷。由于美國的土--氣型地源熱泵技術(shù),可以不用地下水,采用埋設(shè)垂直管、水平管或向地表水拋設(shè)管路等多種方式,直接從淺層土壤取效或向其排熱,不受地下水開采的限制,推廣的范圍更大、更靈活。3地源分類地源按照室外換熱方式不同可分為三類:(1)土壤埋管系統(tǒng),(2)地下水系統(tǒng),(3)地表水系統(tǒng)。根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng),地源又可分為閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)如埋盤管方式(垂直埋管或水平埋管),地表水安置換熱器方式。開環(huán)系統(tǒng)如抽取地下水或地表水方式。此外,還有一種“直接膨脹式”,它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來傳遞熱量,而是直接將熱泵的一個換熱器(蒸發(fā)器)埋入地下進行換熱。4地源熱泵系統(tǒng)的形式土-氣型地源熱泵系統(tǒng)按照室外換熱方式不同分,主要有三類形式:1、地耦管系統(tǒng)該方案只需在建筑物的周邊空地、道路或停車場打一些地耦管孔,室外水系統(tǒng)注滿水后形成一個封閉的水循環(huán),利用水的循環(huán)和地下土壤換熱,將能量在空調(diào)室內(nèi)和地下土壤之間進行轉(zhuǎn)換。故該方案不需要直接抽取地下水,不會對本地區(qū)地下水的平衡和地下水的品質(zhì)造成任何影響,不會受到國家地下水資源政策的限制。2、地下水系統(tǒng)項目附近如果有可利用的地表水,水溫、水質(zhì)、水量符合使用要求,則可采用開式地表水(直接抽?。Q熱方式,即直接抽取地表水,將其通過板式換熱器與室內(nèi)水循環(huán)進行隔離換熱,可以避免對地表水的污染。此種換熱方式可以節(jié)省打井的施工費用,室外工程造價較低。3、地表水系統(tǒng)項目附近如果有可利用的地表水,水溫、水質(zhì)、水量符合使用要求,則可采用拋放地耦管換熱方式,即將盤管放入河水(或湖水)中,盤管與室內(nèi)循環(huán)水換熱系統(tǒng)形成閉式系統(tǒng)。該方案不會影響熱泵機組的正常使用;另一方面也保證了河水(湖水)的水質(zhì)不受到任何影響,而且可以大大降低室外換熱系統(tǒng)的施工費用。地源熱泵在回灌困難地區(qū)的應(yīng)用北京市是偉大祖國的首都,為改善空氣環(huán)境、減少大氣污染,市委市政府早在2000年就提出了大氣污染治理規(guī)劃。在城區(qū)內(nèi)利用清潔能源取代燃煤鍋爐,禁止新建燃煤鍋爐。水源熱泵空調(diào)作為一種清潔、節(jié)能、環(huán)保新技術(shù)很快被人們認識和接受。但在水源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用中,如何合理地抽取和回灌地下水是困惑用戶的首要問題。在水文地質(zhì)條件相對差的地區(qū),回灌很難,出現(xiàn)了個別項目難以實現(xiàn)地下水的100%回灌,系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)正好彌補了水源熱泵系統(tǒng)的不足,它通過密閉的PE換熱管與地層進行熱交換,為熱泵提供冷熱源,不再需要提取和回灌地下水。它的成功應(yīng)用和示范,使在水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)也能使用地能資源。本文將對比水源熱泵和地源熱泵系統(tǒng),以及它們所適用的地質(zhì)條件和地區(qū),并通過對朝陽區(qū)綠化局辦公樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的介紹,使大家對地源熱泵進一步了解。一、地能熱泵系統(tǒng)的介紹1.1地能概述人類賴以生存的地球蘊藏著豐富的各類礦產(chǎn)資源,同時它還是一個非常巨大的能量資源庫。以淺層地表為例,據(jù)調(diào)查地表以下5~10米的地層溫度就不隨室外大氣溫度的變化而變化,常年維持在15~17℃。這樣的溫度相對于北京等的北方城市,冬季它比大氣溫度(5~-15℃)高,是可利用的低品位熱源;夏季它比大氣溫度(25~40℃)低,是可利用的冷源。地能熱泵系統(tǒng)就是利用地層的冬暖夏涼的特性,通過提取和釋放地層中的熱量,實現(xiàn)冬季供暖和夏季制冷。冬季通過輸入1kW的電能,熱泵機組可吸收2.5~3kW的地能,為建筑物提供3.5~4kW的熱能;夏季通過輸入1kW的電能,能為建筑物提供3.5~4kW的冷能。而該項目技術(shù)成功的關(guān)鍵就在于如何從地層中提取和釋放熱能。水源熱泵和地源熱泵都屬于地能熱泵的范疇,不同之處就在于它們提取和釋放地能的方式不同。1.2水源熱泵和地源熱泵1.2.1水源熱泵系統(tǒng)水源熱泵是通過抽取與地層同溫度的地下水,機組與地下水換熱后,地下水通過回灌井回灌到地層中。根據(jù)系統(tǒng)負荷量及需水量的大小,地層的出水能力和回灌能力來設(shè)計抽水井和回灌井的數(shù)量。抽灌井可為一抽一灌、一抽多灌或多抽多灌。1.2.2地源熱泵系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)通過在密閉的換熱管里循環(huán)的循環(huán)液與地層之間進行熱量交換,冬季吸熱、夏季散熱。根據(jù)系統(tǒng)負荷量的大小,地層的導(dǎo)熱能力來設(shè)計換熱孔形式、數(shù)量和深度。圖1水源熱泵示意圖圖2地源熱泵示意圖1.2.3兩個系統(tǒng)對比水源熱泵地源熱泵相同之處不同之處站房內(nèi)系統(tǒng)基本相同,都能同時具備供暖、制冷和制生活熱水的功能需要鉆鑿抽灌井需要鉆鑿換熱孔抽取、回灌地下水,作為熱交換循環(huán)液在換熱管中密閉循環(huán),不擾動地下水的媒介機組進水溫度穩(wěn)定,與地層溫度冬季進水溫度為10~13℃,夏季進水溫為17~20℃相同水井需要定期維護換熱孔不需要任何維護二、北京市水文地質(zhì)條件北京市水文地質(zhì)條件相對較好的地區(qū)主要分布在永定河古河道,潮白河古河道等,比較適合應(yīng)用水源熱泵的地區(qū)有:海淀區(qū)南部、石景山區(qū)、豐臺區(qū)、大興北部、城區(qū)、順義縣城東北部等部分地區(qū)。根據(jù)具體地點的水文地質(zhì)條件不同,其單井的抽水量和回灌量都有所不同?;旧纤械牡貐^(qū)都能使用地源熱泵,但平原區(qū),如海淀北部、朝陽區(qū)、昌平區(qū)、順義南部、通縣、大興南部等地區(qū),地層顆粒細換熱孔施工容易,成孔費用相對較低;山區(qū)及山前地區(qū),由于地層為巖石地層或顆粒較大,鉆孔費用較高。三、地源熱泵案例北京市朝陽區(qū)綠化局位于朝陽區(qū)紅領(lǐng)巾公園橋西北側(cè),新辦公樓總建筑面積為4000m2,其中地上局部三層,地下一層。辦公樓于2003年初開始建設(shè),由于距離城市熱源主干道較遠,如采用燃氣鍋爐或城市熱力供暖都需要投入很大的接口費用。因為紅領(lǐng)巾公園所處地區(qū),地層顆粒較細,主要以粘土、粉細砂、粗砂和砂礫層為主,所以選用了地源熱泵系統(tǒng)。建筑物的總熱負荷為450kW(含30kW生活熱水負荷),總冷負荷為480kW??照{(diào)系統(tǒng)選用東宇制冷設(shè)備廠生產(chǎn)的GWHP530Y30型水水熱泵機組。地埋管系統(tǒng)布置在辦公樓東側(cè)道路下,換熱孔共計26眼,成兩列排布,孔間距為4米。每孔下入DN32的高密度聚氯乙烯(HDPE)換熱管4個,底部采用U型接頭(雙U型)。換熱孔一次埋設(shè)成功后,地面鋪設(shè)了道路。系統(tǒng)建成后經(jīng)過了一個采暖季和一個制冷季,運行穩(wěn)定,效果非常好。采暖季運行費用僅為16元/m2季,制冷季運行費用僅為18元/m2季。四、結(jié)論地源熱泵系統(tǒng)是清潔、節(jié)能、經(jīng)濟并環(huán)保的技術(shù),利用少量的電能即可實現(xiàn)供暖和供冷。同時換熱孔系統(tǒng)不需要提取和回灌地下水,在水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)也能實現(xiàn)地能利用。地源熱泵系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用,將會促進“藍天工程”的實施,在能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整中占有一席之地。地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用原理簡介熱泵技術(shù)是在高位能的拖動下,將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術(shù)。它可以把不能直接利用的低品位熱能(如空氣、土壤、水、太陽能、工業(yè)廢熱等)轉(zhuǎn)化為可利用的高位能,從而達到節(jié)約部分高位能(煤、石油、天然氣、電能等)的目的。利用低位能的熱泵技術(shù)可以節(jié)約燃料、合理利用能源、減輕環(huán)境污染,作為一條節(jié)能與環(huán)保并重的途徑。有研究表明,與區(qū)域鍋爐房的能耗比較,相同容量的熱泵站的能耗:用河水(5~6.6℃)作為低位熱源時,年節(jié)煤率為12.68~14.08%;用海水(12~13.6℃)作為低位熱源時,年節(jié)煤率為21.59~39.98%;用工業(yè)廢水(18~20℃)作為低位熱源時,年節(jié)煤率為39~39.98%。熱泵的效率與建筑物室內(nèi)和室外環(huán)境的溫差有關(guān),溫差越小,熱泵的效率越高。有研究表明,從熱泵機組冬季運行中除霜的角度來看,空氣源熱泵的使用不但與室外溫度有關(guān),而且與
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