一、地源熱泵概述
　　地源熱泵是利用淺層地能進行供熱制冷的新型能源利用技術，是熱泵的一種,熱泵是利用卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉移冷量和熱量的設備.地源熱泵通常是指能轉移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方.通常熱泵都是用來做為空調制冷或者采暖用的.地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力,冬季地源把熱量從地下土壤中轉移到建筑物內,夏季再把地下的冷量轉移到建筑物內,一個年度形成一個冷熱循環(huán)。
　　二、地源熱泵由來
　　'地源熱泵'的概念，最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術的提出始于英、美兩國。北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應用情況，對我國地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。
　　三、熱泵工作原理
　　作為自然界的現象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創(chuàng)造機器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié)能特點
　　工作原理
　　1.制冷模式：在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內冷媒的蒸發(fā)將由風機盤管循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)同時再通過冷凝器內冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)轉移至地表水、地下水或土壤里。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中，通過風機盤管，以13℃以下的冷風的形式為房間供冷。
　　2.供暖模式:在供暖狀態(tài)下，壓縮機對冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地表水、地下水或土壤里的熱量，通過冷凝器內冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過蒸發(fā)器內冷媒的冷凝，由風機盤管循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉移至室內的過程中，以35℃以上熱風的形式向室內供暖。
　　四、地源熱泵組成
　　1.地源熱泵機組的組成
　　熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設備組成及功能是一樣的，對蒸氣壓縮式熱泵（制冷）系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成：
　　壓縮機：起著壓縮和輸送循環(huán)工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統(tǒng)的心臟；
　　蒸發(fā)器：是輸出冷量的設備，它的作用是使經節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的；
　　冷凝器：是輸出熱量的設備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的；膨脹閥或節(jié)流閥：對循環(huán)工質起到節(jié)流降壓作用，并調節(jié)進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質流量。根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環(huán)工質不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復地進行循環(huán)。
　　2.地源熱泵系統(tǒng)組成
　　地源熱泵系統(tǒng)主要分三部分（如下圖）：室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機組和室內采暖空調末端系統(tǒng)。其中地源熱泵機主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，地源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建筑物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。
　　五、地源熱泵優(yōu)點：
　　1.高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠
　　地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，土壤與空氣溫差一般為17度，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)運行效率要高40%～60%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40％－50％左右。通常地源熱泵消耗1KW的能量，用戶可以得到5KW以上的熱量或4KW以上冷量，所以我們將其稱為節(jié)能型空調系統(tǒng)
　　2.無環(huán)境污染
　　地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上，真正的實現了節(jié)能減排。
　　3.一機多用
　　地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統(tǒng)。
　　4.維護費用低
　　地源熱泵系統(tǒng)運動部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護，系統(tǒng)安裝在室內，不暴露在風雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。
　　5.使用壽命長
　　地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達50年。要比普通空調高35年使用壽命。
　　6.節(jié)省空間
　　沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設備，省去了鍋爐房，冷卻塔占用的寶貴面積，產生附加經濟效益，并改善了環(huán)境外部形象。
　　六、地源熱泵特點
　　1.屬可再生能源利用技術地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統(tǒng)。地表淺層地熱資源可以稱之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。
　　2、屬經濟有效的節(jié)能技術地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經濟性。據美國環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調的運行費用。
　　3、環(huán)境效益顯著地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上，如果結合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調裝置減少25％的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
　　4一機多用，應用范圍廣地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統(tǒng)；可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調。此外，機組使用壽命長，均在15年以上；機組緊湊、節(jié)省空間；維護費用低；自動控制程度高，可無人值守。當然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應用會受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會受到當地地下水資源的制約，實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質產生污染。
　　5.地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點：
　　全年溫度波動小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費用40%左右。
　　冬季運行不需要除霜，減少了結霜和除霜的損失。
　　地源有較好的蓄能作用。
　　七、地源熱泵的分類
　　地源按照室外換熱方式不同可分為三類：
　　1.地表水系統(tǒng)
　　地表水地源熱泵系統(tǒng)，由潛在水面以下的多重并聯的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換器地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中。一般情況下，只要地表水冬季不結冰，均可作為低溫熱源使用。我國有豐富的地表水資源，用其作為熱泵的低溫熱源，可獲得較好的經濟效益。地表 水相對于室外空氣是溫度較高的熱源，且不存在結霜問題，冬季溫度也比較穩(wěn)定。利用地表水作為熱泵的低溫熱源，要附設取水和水處理設施，如清除浮游生物和垃圾，防止泥沙等進入系統(tǒng)，影響換熱設備的傳熱效率或堵塞系統(tǒng)，而且應考慮設備和管路系統(tǒng)的腐蝕問題。
　　2.土壤熱交換器系統(tǒng)
　　土壤是熱泵良好的低溫熱源。通過水的流動和太陽輻射熱的作用，土壤的表層貯存了大量的熱能。土壤的溫度變化不大，并有一定的蓄熱作用。熱泵可以從土壤表層吸收熱量，土壤的持續(xù)吸熱率(能量密度)為20-40w／m2，一般在25w／m2左右。土壤的主要優(yōu)點是：(1)溫度穩(wěn)定，全年波動較小，冬季土壤溫度比空氣高，因此熱泵的制熱系數較高；(2)土壤的傳熱盤管埋于地下，熱泵運行中不需 要通過風機或水泵采熱，無噪聲，換熱器也不需要除霜；(3)土壤有蓄能作用。
　　3.地下水系統(tǒng)
　　八、地源熱泵地下換熱器形式與埋管
　　土壤熱交換器是地源泵機組設計的關鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式,如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環(huán)境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性:節(jié)約用地面積,換熱性能好,可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能,甚至可在建筑物樁基中設置埋管,見縫插針充分利用可利用的土地面積。
　　1.豎直埋管材料和深度
　　埋管材料最好采用塑料管,因與金屬管相比,塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優(yōu)點。可供選用的管材有高密度聚乙烯管(PE管),鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇,如DN20、DN25、DN32、DN50等。豎直埋管可須根據當地地質條件而定,可以從20m-200m。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規(guī)模。如果地表土壤層很厚,鉆孔費用相對便宜,宜采用較深的豎直埋管,反之,采用淺埋。埋管間距一般以5-6m及以上,要綜合考慮當地的地質及土壤的傳熱情況。
　　2.豎直埋管換熱器回填、靈敏度
　　豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度,將制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管并聯構成地下換熱器。根據地質結構不同,回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好,但造價高、施工難度大,但可結合建筑物樁基一起施工。
　　3.豎直埋管換熱器中傳熱的衰減
　　豎直埋管換熱器中流動的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時,由于蓄熱地溫提高,機組運行時水溫不斷上升,停機時水溫又有所下降,當建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反,由于取熱地溫下降,當建筑物失熱最多時,換熱器中水溫達到最低點。對于淺埋管尤其嚴重。設計時,首先應設定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度。同時,由于埋管換熱器的表面結垢等影響,設計時要考慮衰減,設定值應通過經濟比較選擇最佳狀態(tài)點。
　　4.串聯或并聯 地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種，串聯系統(tǒng)管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯系統(tǒng)管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯環(huán)路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實際工程一般都采用并聯同程式。結合上文，即常采用單U型管并聯同程的熱交換器形式。
　　5.選擇管材 一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數量較多，應該優(yōu)先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。
　　6.確定管徑 在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：（1）管道要達到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH２O/100m當量長度以下
　　7.確定豎井數目及間距
　　國外，豎井深度多數采用50～100m，設計者可以在此范圍內選擇一個豎井深度H ，計算結果進行調整，若計算結果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。 關于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m。若采用串聯連接方式，可采用三角形布置，來節(jié)約占地面積。
　　8.計算管道壓力損失 在同程系統(tǒng)中，選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算?？刹捎卯斄块L度法，將局部阻力件轉換成當量長度，和管道實際長度相加得到各不同管徑管段的總當量長度，再乘以不同流量、不同管徑管段每100m管道的壓降，將所有管段壓降相加，得出總阻力。
　　9.水泵選型 根據上述計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設備元件的壓力損失，確定水泵的揚程，需考慮一定的安全裕量。根據系統(tǒng)總流量和水泵揚程，選擇滿足要求的水泵型號及臺數。
　　其它 與常規(guī)空調系統(tǒng)類似，需在高于閉式循環(huán)系統(tǒng)最高點處（一般為1m）設計膨脹水箱或膨脹罐，放氣閥等附件。
　　九、地源熱泵應用方式
　　地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。
　　1.家用系統(tǒng)用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統(tǒng)進行冷熱供應，多用于小型住宅，別墅等戶式空調。
　　3.分散系統(tǒng)用戶單獨使用自己的熱泵機組調節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。
　　4.混合系統(tǒng)：
　　將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。
　　南方地區(qū)，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實質上是一種水環(huán)路熱泵空調系統(tǒng)形式
　　5.水環(huán)路熱泵空調系統(tǒng)水環(huán)路熱泵(Water-Loop Heat Pump，簡稱WLHP)空調系統(tǒng)，它由許多臺水源熱泵空調機(WSHP)組成。這些機組由一個閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯合方式。夏季運行：全部或大多數機組為供冷，熱量水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。
　　十、常見問題討論
　　1．為什么地源熱泵在美國、歐洲以及中國，尤其是近些年來為越來越多的用戶所認識，市場日趨活躍呢？一方面是由于全世界范圍內比以往更加關注能源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的問題，對于中國由于以燃煤為主的能源結構已經造成了極為嚴重的大氣污染，因此，要實現經濟的可持續(xù)發(fā)展，必須盡可能多地利用清潔的可再生能源，必須加大節(jié)能的力度，而既能在冬季供暖、又能在夏季制冷空調的地源熱泵系統(tǒng)是很好的一個選擇；
　　另一方面是地源熱泵系統(tǒng)經過多年的研究，在技術上已經比較成熟，而且經過多年的示范與實踐，確認了地源熱泵系統(tǒng)的很多優(yōu)點：節(jié)約能源、舒適、安全、性能穩(wěn)定、清潔、使用靈活等。
　　2．水環(huán)路熱泵（WLHP）系統(tǒng)與地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)有什么異同？適用于什么場合？
　　兩者都可通過水源熱泵如水－空氣熱泵或水－水熱泵系統(tǒng)為建筑物提供熱量或冷量，區(qū)別是WLHP系統(tǒng)通常是指利用冷卻水塔和鍋爐保持全年冬夏兩季節(jié)的供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)，
　　而GSHP系統(tǒng)則通常是指通過利用地下水、地下換熱系統(tǒng)、地表水或者地下換熱系統(tǒng)與冷卻塔、鍋爐相結合等形式維持供水溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)。
　　對于WLHP系統(tǒng)適用于什么場合，有研究認為，單純的供冷或單純的供熱選用水環(huán)路熱泵是不合理的；對同時具有制冷和制熱需要的空調建筑，當其內部余熱量較小或較大時，使用WLHP系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯，只有當機組排出的熱量與部分水源熱泵機組吸收的熱量相近時，才具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。對于某一特定建筑，設計者需根據建筑物的冷熱負荷曲線、使用特點、功能，所處環(huán)境等諸多因素綜合評價使用WLHP系統(tǒng)是否節(jié)能、合適。
　　一般地說，以下幾種情況可考慮使用WLHP：①有低品位穩(wěn)定可靠的廢熱可以利用；②建筑物內同時有制冷和供熱的需要；制冷量不大，且又要求獨立計量電費，使用時間不一，個別房間或區(qū)域經常需在夜間或節(jié)假日獨立使用的建筑
　　地源熱泵系統(tǒng)的適用場合，對于分散式系統(tǒng)，類似于上述水環(huán)路熱泵系統(tǒng)的情況；而對于集中式系統(tǒng)，即集中為建筑物各房間提供冷水或熱水的情況，則適用范圍較廣，尤其適用于辦公樓、學校及別墅等。
　　3．對幾種地源熱泵系統(tǒng)在工程應用中的評述 1）直接利用地下井水的地源熱泵系統(tǒng)：其最大優(yōu)點是非常經濟，占地面積小，但要注意必須符合下列條件：水質良好；水量豐富；符合標準。
　　2）地下埋管的地源熱泵系統(tǒng)：對于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：較小的土地占用，管路及水泵用電少，其缺點是鉆井費用較高；對于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應用廣泛，使用者易于掌握，其缺點有：占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。
　　3）地表水式熱泵：其優(yōu)點有：在10米或更深的湖中，可提供10℃的直接制冷，比地下埋管系統(tǒng)投資要小，水泵能耗較低，高可靠性，低維修要求、低運行費用，在溫暖地區(qū)，湖水可做熱源，其缺點有：在淺水湖中，盤管容易被破壞，由于水溫變化較大，會降低機組的效率
　　4）鍋爐/冷卻塔與地下埋管相結合的混合型地源熱泵系統(tǒng)：適用于空間小，不能單獨采用地下埋管換熱系統(tǒng)的建筑，冷卻塔和閉環(huán)式系統(tǒng)相結合制冷，節(jié)省成本；事實證明該系統(tǒng)是高效率、低費用的。
　　4．地源熱泵的運行費用怎樣？經濟性如何？ 影響地源熱泵使用經濟性的因素有很多，如電價、用戶或居民行為、氣候條件以及例如非正常的炎熱或寒冷季節(jié)等其它因素。但就目前國內應用實例分析來看地源熱泵比傳統(tǒng)的中央空調系統(tǒng)制熱節(jié)省運行費用約30~70%；制冷節(jié)省運行費用40~50%。
　　十一、地源熱泵系統(tǒng)的設計經驗總結：
　　來源國產建筑節(jié)能大師

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