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1一、地源热泵系统简介0引言“热泵”这一术语是借鉴“水泵”一词而来。在自然环境中，水往低处流动，热向低温位传递，水泵将水从低处“泵送”到高处利用。而热泵可将低温位热能“泵送”（交换传递）到高温位提供利用。在我国《暖通空调术语标准（GB50155－02）》中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”。我们也可以称热泵为既可以制冷又可以供热的机组。热泵的分类多种多样，国际上通常根据热泵的热汇：即冷源和热源的不同，以及供暖和制冷输送介质的不同进行热泵分类。当按冷源和热源分类时，可分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵三大类。由于输送冷、热量的介质主要为空气和水，当同时考虑冷、热源的输送介质时，就形成了：空气－水热泵、水－空气热泵（包括地下水热泵和地表水热泵）、水－水热泵、以及地下耦合热泵。地源热泵（GSHP）是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的热泵系统。即：地下耦合热泵系统，也叫地下热交换器地源热泵系统、地下水热泵系统、地表水热泵系统。地源热泵还有一系列其他术语：如地热热泵、地能热泵、地源系统等。1997年之后由ASHAE统一为标准术语：地源热泵（ground-sourceheatpump，GSHP）。00空气源热泵空气源热泵以室外空气作为热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖。空气源热泵系统简单，初投资较低。空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒2冷天气时热泵的效率大大降低。而且，其制热量随室外空气温度降低而减少，这与建筑负荷需求正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，需要用电或其它辅助热源对空气进行加热。此外，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。空气源热泵不适用于寒冷地区，应用受到很大局限。01地下水源热泵地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。但是，应用这种地下水热泵系统也受到许多限制。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在决定采用地下水源热泵系统之前，一定要作详细的水文地质调查，并先打斟测井，以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但目前国内地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。此外，即使能够把抽取的地下水全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源，任何对水3资源的浪费或污染都是绝对不允许的。目前由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严格，地下水源热泵的应用已逐渐减少。02地表水水源热泵地表水水源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水体的地方，利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的形式。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵相似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，虽环保但并不节能，在实际工程中应用较少。03地下热交换器地源热泵地下热交换器地源热泵又叫土壤热交换器地源热泵。该系统是把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，使其与大地进行热交换，或是通过中间介质（通常是水）作为热载体，并使中间介质在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。也就是说，该系统是以大地为热源对建筑物进行空调的技术。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖，同时储存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑物进行降温，同时储存热量，以备冬用。大地提供了一个绝好的免费能量存贮源泉，这样就实现了能量的季节转换。正是由于地源热泵系统采用了大地这一特殊的热源体，与广泛采用的空气源热泵相比，它的季节平均性能系数高，尤其在极端气候条件下仍能保持较高的性能系数，空调效果不受室外气温的影响，运行稳定可靠；不向建筑外大气环境排放废冷或废热，有利于环保；室外换热器埋4在地下，不存在冬季除霜问题，节省了除霜所耗的电能；无室外机，不影响建筑外立面美观。由于地源热泵系统采用的是可再生的地热能，可兼顾建筑物在不同季节的供热和供冷的需要，具有技术上的优势以及节能、环保和可持续性发展的优点，因此国际上将地下蓄能技术和高效热泵同时列入21世纪最有发展前途的50项新技术之中。一地源热泵发展概况地源热泵（GSHP）的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文现中。20世纪50年代，欧洲和美国开始了研究地源热泵的第一次高潮。但在当时能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到上世纪70年代，石油危机和日益恶化的环境把人们的注意力集中到节能、高效益用能和环境保护上时，使地源热泵的研究进入了又一次高潮，最近20年在欧美等工业发达国家取得了迅速的发展，已成为一项成熟的应用技术。在美国地源热泵系统占整个空调系统的20%，是美国政府极力推广的节能、环保技术。为了表示支持这种新技术，美国总统布什在他的得克萨斯州的官邸中也安装了这种地源热泵空调系统（见2001年5月28日参考消息）。截止1985年全国共有14，000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，其中有超过3万台在家庭、学校和商场中应用。到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10%的速度稳步增长。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。计划每年安装40万台的目标，能降低温室气体排放一百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树一百万英亩，年节约能源费5用4、2亿美元。瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋管的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例：瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。在我国由于能源价格的特殊性以及其它一些因素的影响，地源热泵技术发展比较缓慢，人们对之尚不十分了解，推广较困难，然而随着人们生活水平的提高，人均能耗的增长，一次性矿物能源的日益衰竭以及环境的日趋恶化，地源热泵技术已越来越引起人们的重视。科技日报2000年2月12日3版刊登有关《中美签署地源热泵示范工程合作协议》的报道，标志着我国开始引进推广地源热泵技术。在目前节能和环保的潮流下，该技术以其特有的节能性和稳定性受到行业的瞩目，国内许多院校、科研所作了大量的应用研究。国家建设部在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中专门作了推荐。据统计，仅在北京2004年施工并投入运行的地源热泵系统空调工程占全年空调工程保有量的2/3以上。可以预见，随着经济的发展，人们节能、环保意识的日益提高，地源热泵作为一种节能、环保的绿色空调设备适应可持续发展要求，在中国必将有广阔的应用和发展前景。二土壤热交换器地源热泵系统工作原理〈1〉工作原理：地源热泵空调的心脏是一个“热泵”（制冷、供热）。供暖时，它吸取地热向用户排放，此过程只消耗少量6电能，如图1所示。制冷时，它吸取用户室内的热量向地下排放，同样也消耗少量热能，如图2所示〈2〉机组运行过程：冬天热泵中制冷剂正向流动，压缩机排出的高温高压R22气体进入冷凝器向集水器中的水放出热量，相变为高温高压的液体，再经热力膨胀阀节流降压变为低温低压的液体进入蒸发器，从地下循环液中吸取低温热后相变为低温低压的饱和蒸汽后进入压缩机吸气端，由压缩机压缩排出高温高压气体完成一个循环。如此循环往复将地下低温热能“搬运”到集水器，从而不断的向用户提供45℃-50℃的热水。如图3所示。夏天热泵中制冷剂逆向流动，与用户换热的冷凝器变为蒸发器从集水器中的低温水（7-12℃）提取热能，与地下循环液换热的蒸发器变为冷凝器向地下循环液排放热量，循环液中热量再向地下低温区排放，如此循环往复连续地向用户提供7-12℃的冷水。〈3〉土壤热交换器埋管形式：地下埋管换热器主要有两种形式，即水平7埋管和垂直埋管。选择哪种形式取决于现场可用地表面积、当地岩土类型以及钻孔费用。尽管水平埋管通常是浅层埋管，可采用人工开挖，初投资比垂直埋管小些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程应用中，一般都采用垂直埋管。（见图4）三地源热泵空调系统的特点〈1〉利用可再生能源，环保效益高：地源热泵从浅层常温土壤中吸热或向其排热，浅层土壤之热能来源于太阳能，它永无枯竭，是一种可再生能源，所以当使用地源热泵时，其土壤热源可自行补充，持续使用。机组在运行过程中，无废气污染物排放，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。〈2〉高效节能，运行费用低：在制热时，地源热泵可将土壤中的热能“搬运”到室内，其能量70%来自土壤，制热系数高达3.5——4.5。即输入1KW的电量可以得到3.5——4.5KW以上的制冷制热量。运行费用每年每平方米仅为15——18元，比常规中央空调系统低40%——850%，比空气热泵低30%——40%。〈3〉节水省地：1）以土壤为热载体，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染。2）省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规设备）3）埋管可埋在车库、停车场、花园、操场等下面，不占用使用面积〈4〉灵活多用：制冷、供热兼提供生活热水，真正做到一机三用。2）由于机组占地面积小，可灵活安置，系统末端也可作多种选择。〈5〉行安全稳定，可靠性高：地源热泵系统在运行中无燃烧设备，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险，使用安全。燃油、燃气锅炉供暖，其燃烧产物对居住环境污染极重，影响人们的生命健康。由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热不受外界气候影响，运行工况比较稳定，优于其它空调设备。不存在空气源热泵除霜和供热不足，甚至不能制热的问题。土壤源热泵地下换热管路采用高密度聚乙烯塑料管，使用寿命长达50年以上，可与建筑物寿命相当.空调机组结构简单，运转部件少，使用寿命可达到20年以上。四地源热泵空调系统的社会效益地源热泵机组制冷、供暖所需能量3/4左右来自地下，另外1/4左右来自电力输入，从而减少一次性的矿物能源消耗；不向室外排冷、热风，减少热岛效应。1999年10月7日科技日报报道，目前我国个人能源消费水平向高消费方向倾斜，温室气体排放量已居世界第二，随着空气热泵空调的普及，空调的实际使用效果正在逐年下降，这是因为空调装机容量的增加，空调局部热岛效应交叉干扰9的结果。普通空调虽然是一个单台容量不大的能源装置，但由于它量大面广，宏观的构成了分布于城市的能源体系，这个生活能源体系也是构成许多大城市大气环境污染的关键因素。安装普通空调，需安装室外机，对办公楼、宿舍楼整体外观影响较大，落水问题很难解决，安装地源热泵空调则不存在这些问题。因此，在大城市的重大建筑物中，地源热泵的应用已引起人们的广泛兴趣。能源和环保是人类生存和发展的两大主题，是全球关注的问题。建筑节能是贯彻可持续发展战略的重要组成部分，是执行国家节约能源、保护环境基本国策的重要措施。建筑节能以供热采暖和空调能耗为主，因此建筑节能应放在采暖和降温能耗上。地源热泵空调是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的工程系统。冬季向建筑物供热，夏季又可供冷。可广泛应用于各类建筑中，如商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、