土壤源熱泵的應(yīng)用培訓(xùn)講義

土壤源熱泵系統(tǒng)技術(shù)及其在我市的應(yīng)用培訓(xùn)講義1土壤源熱泵系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)地源熱泵在國(guó)內(nèi)也被稱(chēng)為地?zé)岜?。地源熱泵技術(shù)起源于1927年瑞士的一個(gè)專(zhuān)利，已有近百年的歷史，是非常成熟的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)在美國(guó)、加拿大和一些歐洲得到迅速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用。例如美國(guó)，截止1997年，已安裝了400000臺(tái)，而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。在中北歐的法國(guó)、瑞士、瑞典、奧地利、丹麥等國(guó)家,在淺層地?zé)豳Y源利用方式（地埋管方式）處于國(guó)際領(lǐng)先地位。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究，最近幾年來(lái)，這一技術(shù)成了我國(guó)建筑節(jié)能研究的熱門(mén)課題，并開(kāi)始大量應(yīng)用于工程實(shí)踐，市場(chǎng)日趨活躍。它是最有前途的節(jié)能裝置和系統(tǒng)之一，是國(guó)際空調(diào)和制冷行業(yè)的前沿課題之一，也是淺層地能利用的重要形式。根據(jù)利用地?zé)嵩吹姆N類(lèi)和方式不同可分為以下三類(lèi)：土壤源熱泵或稱(chēng)土壤耦合熱泵（GCHP）,地下水熱泵（GWHP）,地表水熱泵（SWHP）。土壤源熱泵系統(tǒng)是利用在地層內(nèi)埋換熱管，通過(guò)土壤埋管與大地進(jìn)行冷熱交換的地源熱泵系統(tǒng)。土壤源熱泵系統(tǒng)冬季代替鍋爐從土壤中取出熱量（據(jù)有關(guān)資料介紹：5米以下的土壤平均溫度隨各地的情況有所不同，但基本不會(huì)隨季節(jié)的變化而變化，且約等于該地區(qū)的年空氣平均溫度，一般來(lái)講地層30m—lOOm之內(nèi)為恒溫層水溫變化15—20"C。），以40－45℃左右的熱水向建筑物供暖，夏季代替普通空調(diào)向土壤排熱，以7-12℃左右的冷水給建筑物制冷。其主要由四部分組成：（1）淺層地能采集系統(tǒng)；（2）水源熱泵機(jī)組；（3）室內(nèi)采暖空調(diào)系統(tǒng)；（4）控制系統(tǒng)。土壤源熱泵的工作原理：1、內(nèi)側(cè)換熱器2、壓縮機(jī)3、四通換向閥4、室外側(cè)換熱器（大地盤(pán)管）5、節(jié)流閥6、貯液器7、截止閥8、風(fēng)機(jī)圖1土壤源熱泵系統(tǒng)圖圖1示出土壤源熱泵系統(tǒng)，夏季即制冷工況時(shí)，熱泵工質(zhì)在室內(nèi)側(cè)換熱器的蒸發(fā)將室內(nèi)余熱取出，在室外側(cè)換熱器（大地盤(pán)管）中進(jìn)行熱量交換，將余熱放至室外，室內(nèi)空氣得到了冷卻；冬季即在制熱工況時(shí)，四通換向閥轉(zhuǎn)換方向，熱泵工質(zhì)在室外側(cè)換熱器（大地盤(pán)管）內(nèi)蒸發(fā)而從室外吸取熱量，在室內(nèi)側(cè)換熱器中將熱量釋放給室內(nèi)空氣，實(shí)現(xiàn)向室內(nèi)供熱。土壤源熱泵以大地為熱源和熱匯，利用埋在地表淺層的換熱器作為中間換熱設(shè)備，冬季從大地取熱，夏季向其放熱。（1）淺層地能采集系統(tǒng)：是指通過(guò)水或加入防凍劑的水溶液將巖土體中的熱量采集出來(lái)并輸送給水源熱泵機(jī)組，提供空調(diào)制冷/供暖使用，常用閉路系統(tǒng)。地下管道采集能源是熱泵技術(shù)發(fā)展的最新技術(shù)成果。這一技術(shù)的理論構(gòu)想產(chǎn)生于40年代，但是，直到最近幾年，熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)上的革新和地下管道材料技術(shù)的發(fā)展，才使得以地?zé)釣槟茉吹臒岜眉夹g(shù)，達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用的最佳要求。到目前為止，地源熱泵技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面，已經(jīng)成為與傳統(tǒng)的供暖、制冷技術(shù)同時(shí)存在并在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的成熟技術(shù)。根據(jù)地下熱交換器的布置形式，主要分為水平埋管和垂直埋管兩種形式，其中垂直埋管（見(jiàn)圖2）是目前國(guó)內(nèi)地源熱泵行業(yè)主推圖2的一種形式。豎直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1~0.15m、埋管換熱器間距為5~6m的鉆孔或利用管樁，在鉆孔或管樁中設(shè)置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實(shí)。鉆孔的深度通常為40~200m.現(xiàn)場(chǎng)可用的地表面積是選擇地?zé)釗Q熱器形式的決定性因素，地?zé)釗Q熱器所需埋管的總長(zhǎng)度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負(fù)荷的情況作詳細(xì)的計(jì)算才能確定。垂直埋管土壤耦合熱泵系統(tǒng)較水平系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)：占地面積小；土壤的溫度和熱特性變化小；土壤的溫度和熱特性變化小；泵耗能低；能效比高。地埋管的材質(zhì)：土壤源熱泵地埋管換熱器采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、熱導(dǎo)率大、流動(dòng)阻力小的塑料管材及管件。土壤的熱傳導(dǎo)率小而使埋管換熱器的持續(xù)吸熱率僅為20～40W/M，一般吸熱率為25W/M左右。因此，當(dāng)換熱量較大時(shí)，埋管換熱器的占地面積較大；地下埋管換熱器的換熱性能受土壤的熱物性參數(shù)的影響較大。傳遞相同的熱量所需傳熱管管長(zhǎng)在潮濕土壤中為干燥土壤中的1/3，在膠狀土中僅為它的1/10。目前，被應(yīng)用于土壤源熱泵地埋管的管材主要有聚乙?。≒E80或PE100）管和聚丁烯（PB）管，且管材和管件應(yīng)為相同材料。聚氯乙?。≒VC）管由于熱膨脹和土壤移位壓力的能力較弱，不宜在地埋管換熱器中采用。一般情況下，地埋管換熱器一經(jīng)埋入土壤中，就無(wú)法維護(hù)，因此在工程選材上，應(yīng)采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。管材的公稱(chēng)壓力應(yīng)符合1.0Mpa以上的國(guó)標(biāo)規(guī)定。地埋管換熱器的連接：為可靠起見(jiàn)，所有地下埋管的連接接頭都必須采用熱熔或者電熔的連接方法，而不得使用機(jī)械連接方法。地埋管換熱器傳熱介質(zhì)：工程應(yīng)用中一般以水為傳熱介質(zhì)的首選，其它傳熱介質(zhì)還有氯化鈉溶液、氯化鈣溶液、乙二醇溶液、丙醇溶液、甲醇溶液、乙醇溶液等。在寒冷地區(qū)宜考慮這些溶液代替水，以提高防凍性能。研究和實(shí)踐證明管道不會(huì)對(duì)自然環(huán)境有任何損害。平面鋪設(shè)管道所挖的地溝寬度只有20厘米，當(dāng)然這會(huì)暫時(shí)在草坪上留下一條裸露的地面，很容易用草籽或草皮修補(bǔ)。垂直鋪設(shè)管道用地面積更小，對(duì)草坪沒(méi)有太大的影響。（2）水源熱泵機(jī)組：熱泵以壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)分：適用于大容量的多機(jī)頭活塞式壓縮機(jī)熱泵、離心式壓縮機(jī)熱泵、螺桿式壓縮機(jī)熱泵；適用于小容量的半封閉活塞式壓縮機(jī)熱泵、，全封閉蝸旋式壓縮機(jī)熱泵、直流變頻壓縮機(jī)熱泵。即，一種是小型機(jī)組，單機(jī)制冷量不大于25KW時(shí)，可吊裝于頂內(nèi)，不占用任何室內(nèi)空間；一種是機(jī)組，單機(jī)制冷量一般都在幾百KW以上，需安裝在專(zhuān)門(mén)的機(jī)房?jī)?nèi)；還有一種是介于兩者之間的，機(jī)組一般分散安裝于建筑內(nèi)部，不占用專(zhuān)門(mén)的機(jī)房空間，但需要占用一定的室內(nèi)空間。熱泵機(jī)組的組成，壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、四通閥(節(jié)流閥)或換向閥(只限于小容量的熱泵)。熱泵以新型制冷劑分：R407C、R410A、R134a新型綠色制冷劑代替R22。這樣可以防止破壞大氣中的臭氧層。（3）室內(nèi)采暖空調(diào)系統(tǒng)：主要有風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)、地板輻射采暖系統(tǒng)、頂棚輻射制冷系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)等形式。（4）控制系統(tǒng)：“傻瓜操作模式”的運(yùn)行管理。2土壤源熱泵系統(tǒng)的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)地埋管熱泵工程打孔數(shù)量多，但孔淺，打孔費(fèi)低——每延長(zhǎng)米約50～80元。土壤源地源熱泵系統(tǒng)，初投資約為300-480元/㎡（土壤源熱泵初投資不但包括傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的地面上的管路及設(shè)備的費(fèi)用，還要包括地面下的換熱器的費(fèi)用，而且還包括初期的HYPERLINK"/transportation/transportsurvey/Index.html"勘測(cè)、鉆孔、及地下管路敷設(shè)等費(fèi)用。北方地區(qū)還要考慮防凍，水管要進(jìn)行保溫，也增加了初投資。機(jī)組約占整個(gè)系統(tǒng)的2/3多。一說(shuō)，土壤源熱泵技術(shù)熱源初投資造價(jià)：黃河流域地區(qū)的華北平原，冬季和夏季冷熱空調(diào)負(fù)荷需求基本處于平衡狀態(tài)條件，地下土壤源溫度場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定。由黃河上下游、淮河和海河流域沖積而成的泥沙地質(zhì)條件，適用的地下埋管比較經(jīng)濟(jì)，每瓦熱源來(lái)源造價(jià)在

0.6—0.7元/w；巖層地質(zhì)條件，

適用的地下埋管初投資比較昂貴，每瓦熱源來(lái)源造價(jià)在1.5—2.0元/w。）。地源熱泵系統(tǒng)靜態(tài)投資增量回收期約4-10年不等。伴隨著地源熱泵技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用，政府補(bǔ)貼的逐步完善，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的不斷加大，生產(chǎn)廠家和集成商的逐漸增多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)逐漸加劇，地源熱泵系統(tǒng)的初投資還會(huì)進(jìn)一步降低，地源熱泵系統(tǒng)成本應(yīng)具有50-100元/平米左右的降價(jià)空間。采用埋管式地源熱泵系統(tǒng)可大量降低運(yùn)行費(fèi)用，比傳統(tǒng)冷水機(jī)組和空氣源熱泵少30%。地下埋管換熱器無(wú)需除霜，沒(méi)有結(jié)霜和融霜的能耗損失，節(jié)省了空氣源熱泵結(jié)霜、融霜所消耗的3％～30％的能耗；能效比（cop）一般為4—5，即投入1KW的電能可得到4以上的制冷或供熱的能量。制熱能耗量較其他采暖方式減少50-70%；制冷能耗量較其他制冷方式減少40-60%。地源熱泵系統(tǒng)會(huì)為您節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用25～50%。如圖3為土壤源熱泵供熱量轉(zhuǎn)移示意圖。對(duì)供熱工況來(lái)分析，熱泵提供熱能E，其中與土壤換熱量為E1，驅(qū)動(dòng)能源耗量為E2，則E＝E1＋E2，即向室內(nèi)供熱量為E時(shí)，實(shí)際提供的高品位的用于驅(qū)動(dòng)的能量（如電能）只有E2。作為地源熱泵系統(tǒng)熱量的來(lái)源（冬季）和熱量的排放源（夏季）的土壤，深度在數(shù)米之下，全年溫度基本恒定。也就是說(shuō)，地源熱泵系統(tǒng)工作時(shí)，熱量傳遞的溫差全年基本恒定，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣源熱泵的傳熱溫差。用另外一種說(shuō)法就是，地源熱泵的熱量轉(zhuǎn)移自然動(dòng)力遠(yuǎn)大于空氣源熱泵，僅需要較少的外界能源即可實(shí)現(xiàn)熱量的順利轉(zhuǎn)移。圖3土壤源熱泵供熱熱量轉(zhuǎn)移示意圖(3)土壤源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40％以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會(huì)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(chē)間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。

土壤源熱泵技術(shù)利用地表土壤的過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)引起任何的地下或地表水污染，因此，土壤源熱泵是一種清潔能源方式。據(jù)測(cè)算，每推廣1000萬(wàn)平方米的地源熱泵技術(shù)，可以節(jié)約56萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減排煙氣75億標(biāo)準(zhǔn)立方米，減排顆粒物2.5萬(wàn)噸，減排二氧化硫1.34萬(wàn)噸，減排氮氧化合物143萬(wàn)噸，同時(shí)還可減少每年供暖用煤的存放量，大大緩解運(yùn)輸壓力，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。（4）地埋管熱泵尚待研究的問(wèn)題=1\*GB3①地質(zhì)HYPERLINK"/GroupIndex.aspx?no=gaoceng"結(jié)構(gòu)與不同深度地溫的關(guān)系。=2\*GB3②單位管長(zhǎng)換熱量及其變化。=3\*GB3③夏冬季取、排熱量不平衡問(wèn)題等。3土壤源熱泵系