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第六章具体应用方式举例：地源热泵一、地源热泵原理二、地源热泵的应用背景三、地源热泵设计应用要点四、学校开展的有关工作五、中国气候条件下热泵与蓄能技术发展对策一、地源热泵应用原理冷凝器蒸发器高温热源低温热源压缩机节流阀（一）热泵原理所谓热泵，实际上是制冷循环的逆循环，即是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置利用热泵，可以把不能直接利用的低品位热能（如空气、土壤、水中所含的热能，太阳能，工业废热等）转换为可以利用的高位热能。热泵机组的能量转换，是通过消耗一定的辅助能量（如电能），由环境热源中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质中成为高温热源输出整个热泵装置所消耗的能量仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点通过水循环系统的流向切换，或者工作介质流向的转换，夏季可实现制冷，冬季可实现制热热泵是一种高效节能的建筑物空调冷热源装置，利用热泵可实现建筑物的冬季供热和夏季供冷，或单独实现供热的功能。（二）热泵性能的评价标准WQCOPWQCOPhhl＝机组输入功率制热量冬季：＝机组输入功率制冷量夏季：COPPER＝折算的一次能源消耗量冷量或者热量一次能源利用率在各种能量转换装置中，热泵的效率是最高的几种供热装置的一次能源利用率比较00.20.40.60.811.21.41.61.82电锅炉燃煤锅炉燃气锅炉电动热泵燃气热泵（三）.热泵的分类按驱动动力：电力驱动压缩式热泵燃气热泵（内燃式、外燃式吸收式热泵按低温热源：空气源地表水源热泵（江、河、湖、海）地源热泵（地下水、土壤）（四）电力驱动热泵的特点1空气源热泵空气源热泵已在空调领域得到了较广泛的应用其性能受室外气象条件的影响较大制冷量和制热量难以和建筑物的冷热负荷相适应冬季室外换热器等结霜问题COP较低其应用的领域和范围受到很大程度上的限制2地表水源热泵水源的要求（水温、水质、水量、水源地与应用地点的距离）可以获得较高的COP污水源热泵应用应用的关键是合适的水源，应用地区和范围受到限制3地下水源热泵热泵机组风机盘管循环泵深水井蒸发器冷凝器水源热泵的基本组成包括地下水源系统、地面热泵机组、建筑物空调系统三部分，其工作原理如图所示技术要求：水量与水温充足的水源水量是影响水源热泵系统的重要因素,一般要求地下水的取水量为每ｋＷ制冷量为0.04～0.06ｋｇ/s,10,000m2的空调面积需要的地下水量约为150m3/h。制冷时水源温度一般要求在14-33℃；制热时水源温度一般要求在12-22℃之间。另外取水井与回灌井之间应有一定的距离,目前实际应用运行良好的工程中,取水井与回灌井之间的间距均在40ｍ以上。水质要求：热泵机组对水源的水质有一定的要求,如果水质达不到要求,会对阀门、主机及其附件构成危害,尤其对多数热泵厂家采用的板式换热器产生的危害更为严重,从而影响系统的运行用于热泵机组的水源，含砂量应＜1/20万，浑浊度＜20毫克/升。如果水源热泵系统中装有板式换热器，水源水中固体颗粒物的粒径应＜0.5毫米。水源pH值应为6.5-8.5，水源水中的CaO含量应＜200Mg/L，矿化度应＜3g/L在水源水质不满足要求的情况下，通常可以采取一些处理手段如设置除污器,电子除垢仪，或在取水井内多设几层过滤装置以减小井水中所含沙尘颗粒直径,从而满足机组对水质的要求水井的要求：水井一般由井孔、井壁管、滤水管、沉砂管组成井孔用钻机钻成，井壁管安装在非含水层处，用以支撑井孔孔壁，防止坍塌，井管与孔口周围用粘土或水泥等不透水材料封闭，防止地面污水渗入滤水管安装在含水层处，除有井壁管作用外其主要作用是滤水挡砂井管最底部为沉砂管，用以沉积水中泥沙，延长管井使用寿命图2.管井结构剖面示意图国内的地下水回灌基本上采用原先的人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。现在国内的大多数系统都采用的是真空回灌的地下水回灌方式回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关，其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素在砾卵石含水层中，单位回灌量一般为单位出水量的80%以上在粗砂含水层中，回灌量是出水量的50-70%细砂含水层中，单位回灌量是单位出水量的30-50%地下水源热泵可获得较高的COP存在的技术难题：回灌、地下水的二次污染等应用上受到地下水保护要求的限制，尤其在水资源短缺的地区，难以得到推广应用水资源费的收取，很大程度上抵消了其在运行效率的影响4土壤源热泵（通常也成“地源热泵”）土壤源热泵利用地下埋管与土壤或用井下换热器与地热水进行热交换，系统组成与工作原理如图所示。土壤源热泵主要由三部分组成：地下埋管换热器、地面热泵机组和空调末端循环系统冷凝器蒸发器压缩机U型埋管膨胀阀采暖末端回热器夏季，热泵机组按制冷工况运行，空调末端装置回水通过蒸发器降温，机组冷凝器热量通过地下埋管换热器排至地下土壤冬季，通过循环水管道阀门切换，热泵机组按制热工况运行，空调末端装置回水通过冷凝器加热升温，蒸发器通过埋管换热器从地下土壤吸热埋管方式水平埋管垂直埋管垂直套管垂直U型管土壤源热泵系统分类一般认为垂直埋管的性能优于水平埋管系统，占地面积较少，但施工难度相对较高一些垂直埋管：地下埋管换热器一般采用高密度聚乙烯塑料管，直径一般在25～32mm埋管深度一般为25－120m埋管井间距一般为3～5m埋管井钻孔直径一般在φ100～φ150土壤源热泵所具有的特点(1)属国家推广应用的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作为冷热源，是清洁的可再生能源一种利用形式加快可再生能源的开发与应用，在建筑节能领域推广地源热泵技术，是国家能源发展战略的重要目标之一（2）属经济有效的节能技术，运行费用低地下土壤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，是优良的热泵低温热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据北美地区的调查资料表明，一个经过精心设计、安装和运行维护管理的地源热泵系统，在满足同样舒适性标准的前提下，其年运行能耗可仅为常规空调系统的50%地下土壤温度的实测数据表明，地下土壤温度在全年基本稳定，因而是一种较为理想的热泵低温热源和高温热汇。0204060801001201515.215.415.615.81616.216.416.616.817时时[h]时时时时时[时]-36m-36m-72m-72m-54m-54m-90m-90m-121m-121m2月2月0:00月2月6月0:00-18m-18m邯郸地区冬季地下土壤温度实测（3）一机多用地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统（4）运行可靠，维护费用低机组使用寿命长，均在15年以上机组紧凑、节省空间自动控制程度高，可无人值守维护费用低Martin等（2000）对地源热泵系统和常规空调系统冷热源的维护维修成本进行了详细地调查和分析，结果是地源热泵平均维护维修费用为常规空调系统冷热源的45％（5）环境效益显著地源热泵的污染物排放，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地源热泵应用推广的制约因素场地的限制设计和施工的技术要求较高地源热泵系统方案规划、设计和运行控制方法，应充分考虑不同地区的空调和采暖负荷特征以及地下土壤特性等因素，并应综合考虑投资、运行成本等问题。地源热泵技术的推广和应用，必须建立在经过有效性和可靠性验证的地源热泵模拟基础之上应用领域：可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑特别适合于别墅、住宅楼的采暖、空调土壤源热泵作为一种空调冷热源方式，无论在环境方面还是在运行能耗方面，都具有很大的发展潜力二、土壤源热泵的应用背景和现状（一）采暖空调系统冷热源类型冷源：电力驱动冷热水机组吸收式冷水机组直燃式各类热泵热源：城市热网集中供热锅炉房（燃煤、燃气）吸收式或直燃式机组分散式热源（壁挂炉等）各类热泵冷热源选择面临的基本问题能源政策与环境保护政策建筑节能要求能源结构与能源价格调整投资和运行费用目前随着我国住宅市场化改革，新建商品住宅小区发展迅速随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，北方地区新建小区一般就不再运行采用燃煤锅炉房供热，何种方式可以经济、清洁地解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题（二）地源热泵面临的发展机遇地源热泵是实现住宅等建筑节能的一种切实可行的选择，是一种经过实践证明了的有效供热空调方式（三）有关地源热泵推广的政策：建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见（建科[2006]213号）建设部《建设事业“十一五”重点推广技术领域》建设部公布的第一批可再生能源建筑应用示范项目（共25项，其中热泵的15项，土壤源热泵的2项）北京市已开始实施的地源热泵优惠政策石家庄市工业经济促进局关于申报2007年电力需求侧管理项目的通知地源热泵推广应用面临着前所未有的良好政策机遇和发展前景（四）地源热泵的应用现状地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利自20世纪70年代末以来，在欧美等国地源热泵发展迅速，基础研究、产品开发和应用推广齐头并进，已制定出相应的行业标准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％据不完全统计据不完全统计，2002年全世界有26个国家共装置了地源热泵约50万台我国地源热泵的应用研究开始于90年代中期，近年日益受到广泛关注和重视有关高校的研究工作地源热泵机组的开发与成熟的商业推广地源热泵的设计标准一批示范工程和实际工程的相继建成与应用国内部分工程实例地点面积m2功能冷负荷kW热负荷kW井数井深m北京26712酒店34992458201100北京14000教学和宿舍105084090100北京18400办公综合1578413391616120北京3000门诊楼24024040100湖北38000高档住宅1560100019065～70湖北5000办公52037022030江苏4000办公54247419865江苏68115住宅23331828桩基埋管885室外302室外埋管井深60m三、土壤源热泵设计应用要点核心技术和应用基础是大地的热物理性质。包括不同岩土类型，含水率等诸多的不确定因素主要的关键：埋管换热器设计在实验研究的基础上，进行模拟分析是基本的方法国内外常用的地热换热器设计计算软件清华大学的DEST软件美国地源热泵协会的GLHEPRO软件3.03版美国威斯康星大学TRANSYS室外垂直埋管换热器设计应根据埋管建筑物的地质勘察报告、气候特征等资料采用有关设计计算软件进行设计计算（一）设计要点1负荷计算2本工程地质勘察报告资料3埋管材料和传热介质选用4埋管长度、埋管间距和埋管井数量确定5回填材料和回填工艺确定6埋管布置和水系统方式确定，埋管系统水力计算7热泵机组运行参数和运行控制方式确定8机组和附属设备选择9建筑末端系统设计与热泵耦合（二）施工要点钻孔：钻机、泥浆泵等设备垂直PE管预制：热熔焊接、PE管下井头部定位针制作、管口标记、管间距控制放管监控：严禁管道弯曲翅角、定位控制回填：回填材料制作、回填工艺管道连接四、我校开展的地源热泵研究工作情况1.2002年投资40万元，在国内建成了首个埋深120m地源热泵试验装置2.进行了系统的理论和实验研究，开发出模拟分析软件3.承担热泵省自然基金3项，省科技攻关项目2项，已鉴定项目达到国际先进水平，获省科技进步三等奖4.开展了有关地源热泵的示范工程建设地源热泵实验系统去末端装置热泵测温井热泵数据采集1234埋管井1埋管井2图1.埋管井及测温辅井平面布置图河北工程大学河北工程大学埋管井2埋管井1热量、制热系数