地源热泵空调系统技术介绍

地源热泵空调系统技术介绍第一部分地源热泵工作原理一、地源热泵原理地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为热泵的冷热源。冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式：水—水式或水—空气式。水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源有较好的蓄能作用。二、地源应用分类地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。地表浅层地热资源的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，是热泵很好的供热热源和供冷冷源。根据ASHRAEHandbook:HVACApplications.（1995）的分类，地源热泵属于地热能资源（GeothermalEnergySourse）利用的一个大类，地源热泵按照室外换热方式不同又可分为四类：1.埋管式土壤源热泵系统；2.地下水热泵系统；3.单井换热热井；4.地表水热泵系统。根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调，这些国家更为关注地下季节性蓄能应用，地源热泵又可以归类于地下季节性蓄能（UndergroundThermalEnergyStorage，UTES）应用领域，其中最重要的、占有绝大部分的一个应用分支是地下埋管式蓄能（DTESorBTES）与热泵机组（HeatPump，HP）相结合的地下耦合热泵系统（Ground-coupleheatpumpsGCHPs，埋管式土壤源热泵系统），如下图所示的分类：第二部分地源热泵系统的分类与应用方式一、地源热泵系统的分类1、埋管式土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-coupleheatpumpsGCHPs）或土壤热交换器地源热泵（Groundheatexchangerheatpumps），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器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。1）水平埋管地源热泵系统（Horizontalground-coupledheatpump）比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下。当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器的布置问题,常有的布置方式有以下两种：（a）串联式水平埋管（b）并联式水平埋管2）垂直埋管地源热泵系统（Verticalboreholeground-coupledheatpump）（a）比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,换热器井数比较少可以直接接入机房。（b）当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器井群的布置问题,一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房。（c）垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：桩基换热器（或叫做能量桩，EnergyPiles），即在桩基里布设在换热管道。（d）地热智能桥,类似桩基换热器，由桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥。雪落到桥面后，这些盘管利用地热将雪融化。地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制。3）螺旋埋管地源热泵系统（slinkyground-coupledheatpump）（a）长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统（b）长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统）（c）螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫：沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。2、地下水热泵系统（Groundwaterheatpumps,GWHPs）也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。无论是深井水，还是地下热水都是热泵的良好的低位热源。地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。深井水的水温一般约比当地气温高1~2℃。通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行。单井换热热井（Standingcolumnwellheatpumps,SCW）也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为热井。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。3、地表水热泵系统（Surface-waterheatpumps,SWHPs）：由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。4、此外，还有一种“直接膨胀式”（Direct-Expansion），它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的蒸发器（RefrigerantinTubes）直接埋入地下进行换热，即制冷剂直接进入地下回路进行换热，由于取消了板式或者套管式换热器，换热效率有所提高，但是由于制冷剂使用量比较大，整体经济性和安全性不高。二、地源热泵应用方式地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类。从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。1）集中系统热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。2）分散系统用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。3）混合系统将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。4）水环路热泵空调系统水环路热泵(Water-LoopHeatPump，简称WLHP)空调系统，它由许多台水源热泵空调机(WSHP)组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源。水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。春季/秋季运行：对有内区与周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显。冬季运行：全部或大多数机组为供热，供热源（地源或加热源）把热量补充到水环路。第三部分地源热泵的方案设计一、地源热泵（GSHP）的系统选型设计1.确定建筑物的冷热设计负荷设计负荷是用来确定系统设备的大小和型号的，根据设计负荷设计空气分布系统（送风口，回风口和风管系统），设计负荷的计算必须以当地设计日的标准设计工况为依据。在确定建筑物的最大负荷时，必须逐时计算出每个房间、每个区域所必需的负荷信息，并求出其中的最大值。2.热泵机组的选择对住宅和商业系统来说，设备通常是一个机组模块，一旦选定一个机组，则许多参数都是固定的，调节的余地不大。例如，土壤热泵的设计水流量的调节范围也是有限的。因此，系统的其他部分如风机盘管系统或土壤换热器以及防冻循环泵等都必须与热泵的制热（冷）量要求相匹配。2.1热泵容量的选择：热力循环原理表明同一热泵不可能同时满足冷热两种负荷。选择热泵容量的依据究竟是热负荷还是冷负荷呢？这个问题的解决首先要考虑人的舒适感。由于在南方地区冷负荷相对较高，而冬季的热冷负荷相对较低，在这种情况下，设备容量的选择可以适当偏大，但一般不要超过热负荷的25%。2.2热泵性能的确定：假定其他变量如空气体积流量，室内空气温度等保持不变，则土壤热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关，如一年的运行时间，土壤类型，土壤换热器的类型、大小等。当季节变化时，如果系统不频繁运行，进水温度大约和地下土壤的温度相同。3、地源热泵循环水的换热量计算冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：4、选择室内末端系统土壤热泵系统的室内末端系统选择相当灵活，可以采用多种方式。例如：风机盘管系统，地板采暖方式，全空气系统等。土壤热泵系统通常采用两种类型的送风系统：地板四周下送风系统和吊顶上送风系统。地板下送风系统通常采用吊顶回风或上回风方式回风。上回风系统中，顶棚周围的热空气由于虹吸作用被吸入回风管内，当系统开始运行时冷空气从地板下向上流动，并充满整个房间。由于在制冷运行期间，将最热的空气返回系统，故系统的效率较高.5、其他注意事项1）与常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（一般为1m）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。2）在某些商用或公用建筑物的土壤热泵系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下热交换器十分庞大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制，地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计，同时增加辅助换热装置（如冷却塔＋板式换热器，板式换热器主要是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。该方法可以降低安装费用，保证土壤热泵系统具有更大的市场前景，尤其适用于改造工程。二、土壤热泵系统（GCHP）的土壤换热器设计地下埋管换热器是土壤源热泵系统设计的核心内容，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时成本最低。1、土壤换热器埋管的布置型式水平埋管和垂直埋管选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。实际工程中往往在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，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，故一般采用垂直埋管布置方式。1.1水平埋管水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式.由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。近年来