2013年暖通工程師專業(yè)復習資料11

　　地源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成與原理

　　系統(tǒng)構(gòu)成：

　　地源熱泵(也稱地熱泵)是利用地下常溫土壤和地下水相對穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)或地下水，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移與建筑物完成熱交換的一種技術(shù)。

　　地球是一個巨大的蓄熱體，一年四季其地表5m以下的土壤溫度十分穩(wěn)定，是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源。地源熱泵機組工作原理就是在夏季從土壤或地下水中提取冷量，由熱泵原理通過空氣或水作為載熱劑降低溫度后送到建筑物中，而冬季，則從土壤或地下水中提取熱量，由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中，從而實現(xiàn)的熱交換過程。需要特別指出的是：地熱泵中的冷熱源不是指地下的熱汽或熱水，而是指一般的常溫土壤、地表水、地下水。

　　1.2地耦管熱泵系統(tǒng)

　　以導熱好、抗腐蝕、強度高且可繞曲的材料制成管路，內(nèi)有導熱流體(水或防凍劑)同土壤直接換熱后，進入水源熱泵機組的熱交換器與其換熱。當制冷供暖面積較小、周圍有較大空地時，采用水平敷設地鍋管路系統(tǒng)較合理，初投資較小;當制冷供暖面積較大、周圍有一定空地時，可采用垂直敷設地鍋管路系統(tǒng)，但其初投資相對較大。

　　與傳統(tǒng)的中央空調(diào)比較

　　燃煤鍋爐對環(huán)境的污染嚴重，而燃油及電鍋爐采暖造價及運行費用皆較高，讓人難以承受，也不符合國家長期發(fā)展的能源政策，而地源熱泵空調(diào)技術(shù)是國家科技部重點推廣的項目，也是國家節(jié)能設計手冊優(yōu)先選用的冷(熱)源方式。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，中國的地源熱泵市場日趨活躍。

　　通常消耗l kw的電能或獲取4kw的熱量或冷量，與鍋爐(電、燃料)和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%一98%的電能或70%一90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省l/3以上的能量;由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10℃一25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5―4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50%一60%。

　　地源熱泵系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵有著明顯的優(yōu)點，不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設備的初投資。

　　國內(nèi)外地源熱泵的發(fā)展歷史及前景

　　在中國傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中，在過去相當長的時期，南方以水冷機組解決夏季制冷問題，中、北方以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題。20世紀80年代以后，出現(xiàn)了溴化鋰機組、風冷機組，90年代以后，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，且采暖造價及運行費用皆較高，因此必須尋找可以再生的能源，從而提出了地源熱泵空調(diào)新技術(shù)。

　　在國外，地源熱泵真正意義的商業(yè)應用也只有近十幾年的歷史，但發(fā)展相當迅速。如美國，截止1985年全國共有14000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45000臺，而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19%，其中新建筑中占30%。

　　與美國有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源，地下土壤埋盤管(埋深小于400m深)的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計，在家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。

　　安全省地方面

　　熱泵系統(tǒng)在冬季供熱時省去了鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，無燃燒設備，避免了有害煙塵和有害物質(zhì)的排放，從而不存在爆炸、燃燒的隱患。熱泵機組運行安全、可靠、穩(wěn)定，幾乎不受天氣及環(huán)境溫度變化的影響，符合環(huán)保理念。

　　與燃氣和燃油鍋爐系統(tǒng)相比，省去了儲油設備和燃氣管道的敷設，若是燃煤鍋爐系統(tǒng)則可以省去鍋爐房及與之配套的煤場和渣場，而夏季制冷時則可以省去冷卻塔所占面積，大大減少了機房的占地面積，節(jié)約了土地資源，產(chǎn)生附加經(jīng)濟效益，并改善了建筑物的外部形象，提高了建筑物的使用率。

　　高效節(jié)能方面

　　地溫一年四季基本穩(wěn)定，使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率。冬季，投入1kw電能，可以得到4kw左右的熱能;夏季，投入1kw的電能，可以得到5kw以上的冷量。系統(tǒng)的高效率，壓縮機的低能耗，使運行費用大幅減少，只有傳統(tǒng)方式的2/3。

　　熱泵系統(tǒng)之所以節(jié)能，很重要的一點就是換熱器位置的設置，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中，不管是水冷或風冷，其換熱器對建筑立面造型均起一定的破壞作用。水冷換熱器須配置冷卻塔，且必須置于大氣中，風冷機組也一樣，都要暴露于建筑物之上的大氣之中，這難免要對建筑立面造型造成不好的影響。風冷換熱器和水冷換熱器的換熱環(huán)境均為大氣，和大氣換熱不可避免地受到環(huán)境條件變化的影響。在夏季，當室外溫度達到40 ℃時，由于換熱效率的降低，主機的制冷量將下降20 %～40 %;在冬季，當室外溫度下降到- 10 ℃時，供熱量將下降到15 %～30 % ，而且要反復地沖霜來保證機組的正常運行。而對于地源熱泵機組來講，換熱過程是和大地來完成的，換熱對象是1.5 m以下的地層，其初始溫度大約等于年平均氣溫，一般在14～16 ℃左右，基本不受外界環(huán)境的影響。

　　環(huán)境保護方面

　　眾所周知，普通空調(diào)對環(huán)境的影響是不言而喻的，它不僅對大氣臭氧層造成嚴重破壞。夏季，風冷機組將廢熱排入大氣，使室外溫度升高，還將水蒸氣帶入大氣中;冬季，風冷機組吸收大氣環(huán)境中的熱量，導致惡劣的大氣環(huán)境更加惡劣。因此，要保證空調(diào)運行對環(huán)境不產(chǎn)生任何影響，必須要改變換熱對象，即不與大氣換熱，而變成與大地換熱。在換熱過程中，地下?lián)Q熱器在夏季將多余的熱量排到大地中，在冬季又將熱量取回，以達到冬夏取散熱量平衡，達到制冷和供暖的目的。

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