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西安某综合大楼地源热泵供暖系统设计调研报告

摘要 随着人类文明的发展，人们对能源要求越来越高，并且能源危机和环境问题日益严重，所以对高效用能以及对可再生能源利用提出新要求。利用少量电能的条件下，热泵将低位能转化为高位能，是利用低位可再生能源的有效技术之一。本文先介绍热泵的原理、国内外的发展历史以及和其他空调系统相比所具有的优势。然后介绍了地源热泵的工作原理、系统组成和及分类，不同的地源热泵系统有不同的要求和特点，再介绍了国内外发展历史和未来发展方向，并且对我国的政策优势和地域优势进行分析，充分说明地源热泵技术在中国有巨大的发展潜力。最后就设计要求，写出在西安地区为一栋大楼设计地源热泵系统的过程。

关键词：热泵  地源热泵  发展历史  设计过程

 

目录

摘要 0

引言 1

1、热泵 1

1.1热泵原理 1

1.2热泵发展历史 1

1.3热泵优势 2

2、地源热泵 2

2.1 地源热泵 2

2.1.1地源热泵原理 2

2.2.2热泵分类 3

2.2.3地源热泵系统组成 3

2.2地源热泵发展历史 4

2.2.1在美国的发展历史 4

2.2.2在中国的发展历史 5

2.3我国发展地源热泵的优势及特点 5

2.3.1地源热泵发展优势 5

2.3.2地源热泵特点 6

3、设计步骤 7

小结 8

参考文献 8

 

引言

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，世界正处于能源消耗巨大的时期，若现在不及时采取积极有效的措施，将导致能源枯竭。基于现在能源和环境问题，开发和研究热泵技术可做到科学用能，缓解能源危机。地源热泵是热泵中的一种，利用地能，实现低位能向高位能转化，地能主要是来源于吸收的太阳辐射能，可以说是清洁的可再生能源。我国在长江流域、北方地区、沿海地区都有建设地源热泵技术的条件，故发展和利用地源热泵技术可有效改善我国能源利用现状，实现节能减排。

1、热泵

1.1热泵原理

热泵的理论研究源于在法国科学家卡诺于1824年提出的卡诺循环论文，运用卡诺逆循环进行工作。英国科学家汤姆逊首先提出热泵的设想，以空气为介质，通过外界对系统做功，使热量从低温热源传给高温热源，这样就可以把不能直接利用的低位热能转换为可以利用的高位热能。从热力学上或者其工作原理上来说，其本质就是制冷机，只是系统运行时，热泵利用冷凝器放出的热量来制热，实现为采暖、空调和供应热水。

1.2热泵发展历史

随着人类文明的进步和社会的发展，人类消耗的地能源越来越多，导致能源枯竭，环境污染等严重后果。我国是一个人口众多、人类能源占有量低于世界平均水平的发展中大国，能源供给不足已成为制约经济发展的重要因素，解决这一问题的唯一出路就是依靠科学技术，热泵技术应运而生。目前热泵不仅在工业发达的美国、德国、法国、日本、瑞典等国得到很好的发展，在发展中国家更是迅速地发展，热泵的用途也在不断开拓，如木材、粮食、毛、纸质品等的干燥中得到广泛应用、特别是人的居住环境方面，热泵已经成功地用于同时需要供冷和供热的场合。20世纪到30年代热泵研究不断扩宽，40到60年代热泵技术飞速发展，70年代以后进入成熟期。1978年到1988年我国热泵应用工作全面启动，在这期间，大量引进国外先进技术，暖通空调制冷界大力研究和开发适合我国国情的热泵系统。1984年，由上海、开封、无锡等地的科研人员联合试制了双效型吸收热泵机组。上世纪末我国热泵行业突飞猛进，理论研究与实验研究、工程应用等方面都取得可喜成绩，热泵专利数多达161项。20世纪90年代我国逐步形成了完整的热泵工业体系，21世纪，我国快速进入城镇化，中国空调市场空前发展，热泵运用越来越多，发展十分迅速，硕果累累。

1.3热泵优势

热泵可将低位热能转化为高位热能，从而节约部分高位热能，在科学用能方面具有明显优势：（1）热泵技术是应用低位再生能的重要技术之一，在能源利用中利用一切可以利用的能源来有效降低不可再生资源的消耗速度尤为重要。由于这种观点，现在人们越来越关注热泵技术，将储存在土壤、地下水以及地表和空气中的太阳能等自然能源、生活废热等运用于建筑物采暖和热水供应。（2）热泵也是合理利用高位能量的典范，热泵以高位能来带动动力机（电机、汽轮机、燃气机、燃油机），再由动力机驱动工作机（制冷机），以实现低位能向高位能的转换，从而实现能源的科学配置。

2、地源热泵

2.1 地源热泵

我们所要研究的地源热泵系统是随着能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一项热泵技术，它通过输入少量电能，从浅层地能（土壤热能、地下水中低位热能、地表水的低位热能）向高位热能转移的热泵空调系统。

2.1.1地源热泵原理

热泵机组装置主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分，液态工质(制冷剂或冷媒)不断循环工作：蒸发→压缩→冷凝→节流→再蒸发，将环境里的热量转移到水中。压缩机；起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器：是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的； 冷凝器：是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀或节流阀：对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。地源热泵则是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源，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”。

2.2.2热泵分类

根据利用地能的形式的不同，地源热泵可分为：地表水源热泵、地下水源热泵、土壤耦合热泵，其具体分类见图1。地表水源热泵与空气源热泵类似，冬季热负荷要求最大，对应蒸发温度最低，夏季供冷负荷最大，对应冷凝温度最高。地表水易采集，但要防止系统的腐蚀、藻类生长等问题。地下水源热泵在我国北方地区使用较多，地下水温度较稳定，它节能经济效果明显。面临地下水资源短缺的问题，所以地下水回灌是关键技术。土壤耦合系统在上世纪80年代在我国发展起步，后迅速发展，现已成为热门研究课题之一。

图1 地源热泵系统分类
 
2.2.3地源热泵系统组成
地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地源换热系统、地源热泵主机系统和室内末端系统。室外交换系统即指埋管地源热泵系统中的地下埋管换热器，地下水源热泵系统中的水井系统和地表水源系统中的地表水换热器。水源热泵机组有水-空气热泵机组、水-水热泵机组两种形式，与此相应的空调系统有水-空气空调系统和水-水空调系统。地源热泵系统三部分之间靠水（防冻液）或空气换热介质进行热量传递，水源热泵机组与地能交换系统之间的换热介质通常为水或防冻液，与建筑物内空调末端换热的介质可以是水或空气。图2为水-空气源热泵机组的地埋管地源热泵系统工作原理图，在夏季，水源热泵机组做制冷循环，水源热泵机组中制冷剂在蒸发器（7）中，吸收房间内的热量，在压缩机（4）的作用下，制冷剂在冷凝器（3）中，将在蒸发器中吸收的热量同压缩机的功所转化的热量，全部排给地埋管换热器中的水或防冻液。再循环水泵（2）的作用下，水或防冻液再通过地埋管换热器，将在冷凝器所吸收的热量传给土壤。这样循环的效果是水源热泵机组不断从室内取出多余的热量，并通过地埋管换热器，将热量释放给大地，以使房间温度降低。冬季换向阀（5）换向，水或防冻液通过地埋管换热器（1）从土壤中吸收热量，传给机组蒸发器（3）中的制冷剂，再再压缩机（4）的作用下，再冷凝器（7）中，将所吸收的热量同压缩机消耗的功转化成热量，全部供给室内空气，以达到供暖目的。

图2 地埋管地源热泵系统工作原理图
1-地埋管换热器  2-循环水泵  3-冷热源侧换热器  4-压缩机  5-换向阀  6-节流装置  7-负荷侧换热器  8-水-空气水源热泵机组

2.2地源热泵发展历史

地源热泵最早在外国研究使用，美国便是其中最具代表的国家之一，中国虽然起步较晚，但是发展起点高，从开始研究并使用地源热泵以来，我国在这个项目上取得诸多成绩，所以就以美国和中国的发展历史以及研究现状为例说明。

2.2.1在美国的发展历史

近年来由于环境问题加剧，人们对节能的追求更高，对可再生能量的利用更迫切，故地源热泵的研究和应用发展得更为迅速，全球范围内地源热泵的装机容量持续增长，年增长率达到10%到30%。地源热泵受到大多数人的喜爱，应用范围日益扩大，在房屋建筑采暖空调、热水供应，以及在工业、农业、军事等方面均有应用。

在美国地源热泵的运用开始于1934年，美国通用公司在塞勒姆市的的大西洋域电力公司，随后几年再其他多个城市陆续安装地下水源热泵系统，制热系数最高的可达到5.20世纪70/80年代地源热泵开始流行，90年代美国政府开始关注地源热泵，随后几十年内美国地源热泵飞速发展，预计在2030年运用地源热泵技术可节约能源800万KW/h。目前美国对地源热泵的研究集中在：（1）通过对地下换热器的研究改造，减小土方投资、提高换热效率。（2）保证换热器周围土壤有较高的换热系数。（3）开发地源热泵设计软件，进行地下换热器传热和设计计算、能量分析与系统运行模拟。（4）开发浅层排热技术，避免由于冬夏两季吸放热量不等使地下换热器盘管周围土壤升温。（5）运用地源热泵将热量从土壤带到桥面下的盘管中，避免桥面积雪。中国的地源热泵发展与应用同发达国家相比有明显的一段滞后期，但由于我们发展的起点高，部分研究水平已经达到世界领先水平。

2.2.2在中国的发展历史

我国地源热泵的研究始于20世纪50年代，天津大学热能研究所首先开始热泵的研究，吕灿仁教授的“热泵及其在我国应用的前途”一文是我国热泵研究最早的文献。60年代，我国开始将热泵技术应用在暖通空调中，且取得多个研究成果，70年代末到80年代末进入全面复苏阶段，80年代末到90年代末迎来新的发展里程，进入21世纪后，我国热泵技术不断开发研究，热泵理论研究相比于以前有了广度与深度的发展，对空气源、水源、地源热泵和水循环空调系统等进行了系统的研究。我国的同井回灌热泵系统、土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统、供寒冷地区应用的双极耦合热泵系统的创新性成果均处于世界领先地位。

2.3我国发展地源热泵的优势及特点

2.3.1地源热泵发展优势

地源热泵的利用需要大面积土地资源，虽然地源热泵具有一系列优点，但也有限制条件。它的发展和能源政策密切相关，这项技术的发展离不开国家的支持；地源热泵的能源来自于地热，对土地资源有要求；我国现在支持并且提倡节能减排，在政策上有发展优势，我国地形丰富，幅员辽阔，在地域上具备发展地源热泵条件。

（1）政策优势

我国现在经济飞速发展，能源需求不断增加，且能源矛盾日益突出，若不采取措施，到2020年，我国石油进口量将达到50%，并且我国能源利用率低，因此节能减排势在必行。现在温室效应明显，夏季对空调的需求持续增加，空调对电力需求的矛盾已经十分尖锐，故热泵在我国有广阔的发展前景。为切实推进节能减排，中央和地方均在采取积极的措施。2006年国家颁布《可再生能源法》，明确指出要促进可再生能源分发展与利用。国家发改委决定在2005年到2007年间，设立可再生能源高新区技术产业化专项资金，其中也包括地源热泵供热和制冷领域。2006年9月，沈阳发布《沈阳市政府关于全面推广地源热泵系统建设和应用工作实施意见》，在宣布三年期间内，在全市推广地源热泵供热技术。重庆市于2006年开始实施可再生能源建筑应用（但水源热泵技术）试点工程，在5年内建设30万平方米示范工程，且通过技术推广，建设节能产业园。

（2）地域优势

我国在发展地源热泵上也有一定优势，在长江流域以及周围省市，我国经济高度发达，国民生产总值达全国的48%，是一个人口密集、经济文化较发达地区，气化属于夏热冬冷，该地区供冷供热大致相当，适合在这个地区发展热泵技术。北方地区气候寒冷，空气源热泵热泵易结霜，且效率低，故适合用地源热泵。沿海地区海水资源丰富，具备发展海水源热泵。但即使在我国地源热泵发展具有政策和地域的优势，发展也存在一定的问题，比如空气源热泵、燃煤燃气供热技术相对成熟，要使人们接受地源热泵需要一定的过程和时间，地源热泵需要暖通空调技术和钻井技术配合，两者缺一不可；目前地下水回灌技术并不成熟，对环境有一定影响；地源热泵的前期投资和安装费用大。

2.3.2地源热泵特点

地源热泵与地表环境换热，具有多个有特点：（1）利用地表浅层资源来作为冷热源，进行能量交换的供暖空调系统属于利用可再生能源。地表浅层的地热资源即地能（Earth Energy），是指地表面土壤、地下水或河流、湖泊中吸收的太阳能、地热能而蕴含的低位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，吸收47%的太阳辐射到地球的能量，是人类每年利用的太阳能的500多倍。且不受地域、资源的限制，可以说量大面广，无处不在。所以这种浅层表面的能量可以说是无限利用的可再生能源。（2）地表浅层取的温度一年四季相对稳定，冬季温度高于环境温度，夏季温度低于环境温度，是理想的冷热源，由于地能的这个特性，地源热泵的运行效率要比起源空调系统高40%，节省运营费用40%，并且可以使机组运行更可靠，更稳定，即同时保证机组运行的经济型和可靠性。（3）具有明显的环境效益，地源热泵的污染物排放比同气源热泵机组相比减少40%，与完全依靠电能供暖的机组相比减少70%，若采取良好的节能措施，节能减排效果更佳。地源热泵机组虽也采用制冷剂，但同一般空调机组相比要少25%，并且在工厂车间密封，泄露几率小，装置运行无污染，可建造于居民区内。（4）地源热泵机组可一机多用，应用范围广，该机组可供暖、空调、供生活热水。一套地源热泵机组可以代替锅炉和空调两套系统。）（5）地源热泵没有运动组件，系统牢固，故系统维修次数少，可减少维修费用。但是地源热泵也有不足之处，它受到地区、用户的限制，以及受到国家能源政策、燃料价格的影响，并且前期投资大。

3、设计步骤

地源热泵的设计要结合建筑所在地的地理环境，一个完整的设计需要考察地形，根据建筑用途，估计冷热负荷，再进行设备的设计选型，最后考虑安装问题。具体设计步骤如下：

1、在决定是否采用地源热泵以及选择地源热泵的形式前，要对该建筑的所在环境进行探测，进行现场调查和场地规划：确定所需土地面积以及形状，该建筑周围的其他建筑（高架、公路、地下公共设施、房屋建筑），现存井道以及废弃系统等可能安装系统的位置。

2、在进行系统选择设计前，需对建筑的冷热负荷进行精确估算：根据所给建筑图纸以及设计要求，计算出建筑所需要的热负荷，用来确定系统主设备的容量和所需要的附属设备。

3、根据建筑的用途，在充分满足项目要求的基础上，合理选择系统。根据现场调查结果，以及各种热泵形式的特点，从中选择最合适的一种。再根据分区热冷负荷、安装的位置确定分区热泵机组和机组配置。确定供热设计时循环水的最大释热量：在建筑热负荷最大时循环水有最大释热量。

4、进行热交换器的系统设计。设计土壤热交换器系统，包括选型、设计和布置设计。再根据传热要求以及热交换器不同形式的特点要求，确定热交换器的具体结构和尺寸。热交换器的架构和盘管总长确定后，需要确定热交换器的最终位置和环路集管的数量和长度。换热器的埋管深度取决于地表的用途，地面是草坪是埋管最浅，停车场的埋管道深度要大一点，运动场的埋管深度介于前面两者之间。最后确定突然交换器的压力损失，当最不利环路确定，则可以计算不同管道上的压力损失，再将其相加就可求得总的压力损失。

5、室内水系统设计以及水力计算。室内水系统设计包括系统形式的设计，根据建筑的房间分布，设计合理的水系统，我们将管道布置到走廊，系统用异程式布置。管道布置好后，对管道内的工质进行水力计算，计算管道的沿程阻力以及局部阻力，以及设备所造成压力降低。

6、选择合适的水泵以及辅助设备。水力计算完成后，根据水力计算结果选择相应地水泵。以及要选择系统膨胀水箱和阀门等部件。

 

小结

社会进步，必然对能源要求越来越高，加之现在能源危机和环境污染严重，节能减排势在必行，地源热泵系统基本上可以满足现在能源利用要求，做到科学用能。文中介绍了地源热泵的原理，它可以利用少量高位能量将大量低位热能利用起来。本文介绍热泵再细化到地源热泵，分析他们的原理发展历史和所具有的优势，以及结合我国国情，从政策和地域优势分析，说明地源热泵在我国有良好的发展前景。最后就设计要求，写出在西安地区为一栋大楼设计地源热泵系统的过程。

参考文献

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