地(水)源熱泵系統(tǒng)

1、地(水源熱泵系統(tǒng)一.地源熱泵技術(shù)綜述所謂地源熱泵 (Ground Source Heat Pump ,即 GSHP 技術(shù), 是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源(也稱地能,包括地下水、土 壤或地表水等的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。 地源熱泵利用地能一年四季溫度穩(wěn)定的特性,冬季把地能作 為熱泵供暖的熱源,夏季把地能作為空調(diào)的冷源;即在冬季 把高于環(huán)境溫度的地能中的熱能取出來(lái)供給室內(nèi)采暖,夏季 把室內(nèi)的熱能取出來(lái)釋放到低于環(huán)境溫度的地能中,通過(guò)少 量的高位電能輸入,實(shí)現(xiàn)低位能向高位能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。 關(guān)于地源熱泵的名稱問(wèn)題一直以來(lái)都是各個(gè)地方叫法不 一樣的,到目前為止, “地源熱泵”的命名尚不統(tǒng)一。

2、最近 幾年國(guó)內(nèi)空調(diào)設(shè)備生產(chǎn)廠家紛紛推出了各式各樣的地源熱 泵產(chǎn)品,冠之以諸如“地能中央空調(diào)系統(tǒng)” 、 “水源中央空調(diào) 系統(tǒng)” 、 “地溫中央空調(diào)系” 、 “中央液態(tài)冷熱源” 等等的名稱, 在一定程度上起到了混淆視聽(tīng)的作用,使地源熱泵這一非常 成熟的技術(shù)蒙上了一層神秘的面紗。一般來(lái)講有兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述:地?zé)岜?Geothermal Heat Pump 和地源熱泵(Ground-source Heat pump 。前者一般 用于人們?cè)谑袌?chǎng)中以及官方用語(yǔ);后者用于工程技術(shù)中。國(guó) 內(nèi)來(lái)講,一般叫做地 (源 熱泵,或者土壤源熱泵。目前, 國(guó)內(nèi)工程市場(chǎng)上習(xí)慣把采用地埋管技術(shù)的熱泵系統(tǒng) 稱為“地源熱泵” ,利

3、用抽灌井技術(shù)的熱泵系統(tǒng)稱為“水源 熱泵” 。其組成如圖所示。 (地藕換熱井 地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理圖地源熱泵技術(shù)采用熱泵技術(shù),將地層作為冷熱源。它的 做功總是從低溫?zé)嵩刺崛崃? 向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃? 因此, 一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的地下熱源是決定地源熱泵技術(shù)工作效率的 關(guān)鍵因素。在供暖過(guò)程中,地層是低溫?zé)嵩?不斷從地層吸 收熱量向熱泵提供相對(duì)恒溫的介質(zhì);在制冷場(chǎng)合,地上循環(huán) 系統(tǒng)是熱泵的低溫?zé)嵩?不斷從室內(nèi)吸收熱量向熱泵提供相 對(duì)恒溫的循環(huán)介質(zhì)。所以,對(duì)地源熱泵來(lái)說(shuō),它始終是從低溫?zé)嵩次鼰? 向高溫?zé)嵩捶艧帷?對(duì)地下循環(huán)來(lái)說(shuō), 在供熱時(shí), 它是低溫?zé)嵩?而在制冷時(shí),它又是高溫?zé)嵩?。?duì)于地上循 環(huán)來(lái)說(shuō),情

4、況剛剛相反。二.地源熱泵技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r最早的地源熱泵誕生于美國(guó)。 1954年, 美國(guó)人發(fā)明了世 界上第一臺(tái)地源熱泵,其工作原理與今天的地源熱泵相同, 只是當(dāng)時(shí)其體積較大,機(jī)械功能和熱效率要比現(xiàn)今的地源熱 泵系統(tǒng)低得多。而地源熱泵真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有近十幾年的歷 史。如美國(guó),截止 1985年全國(guó)共有 14,000臺(tái)地源熱泵,而 1997年就安裝了 45,000臺(tái),到目前為止已安裝了 440,000臺(tái),而且每年以 10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。 1998年美國(guó)商業(yè)建 筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的 19%, 其中有新建筑 中占 30%。美國(guó)全國(guó)有各類地源熱泵系統(tǒng)大于 60萬(wàn)套;其中:20萬(wàn)套以上為閉

5、式循環(huán)系統(tǒng), 開(kāi)放循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng) 大約有 35萬(wàn)至 40萬(wàn)套,每年遞增 20%, 2000年安裝 5 6萬(wàn)套,其中 4萬(wàn)套以上為封閉循環(huán)系統(tǒng)。美國(guó)每年新建獨(dú)立 住宅一百萬(wàn)座,其中四分之一采用地板采熱方式,這可以直 接與地源熱泵系統(tǒng)配套。美國(guó)政府十分關(guān)注地源熱泵技術(shù)的 發(fā)展和市場(chǎng)推廣,曾經(jīng)就地源熱泵能否列為國(guó)家公用計(jì)劃而 進(jìn)行了多年的調(diào)研。還資助過(guò)十幾項(xiàng)重大的地源熱泵實(shí)驗(yàn)示 范項(xiàng)目,并在 20多個(gè)州鼓勵(lì)市政部門和公立學(xué)校、醫(yī)院等 率先安裝地源熱泵供暖和制冷系統(tǒng)。美國(guó)地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國(guó)能源部、環(huán)保署、 愛(ài)迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國(guó)地源熱 泵協(xié)會(huì),該協(xié)會(huì)在近年中將投入一

6、億美元從事開(kāi)發(fā)、研究和 推廣工作。美國(guó)計(jì)劃到 2001年達(dá)到每年安裝 40萬(wàn)臺(tái)地源熱 泵的目標(biāo),屆時(shí)將降低溫室氣體排放 1百萬(wàn)噸,相當(dāng)于減少 50萬(wàn)輛汽車的污染物排放或種植樹(shù) 1,000,000英畝, 年節(jié)約 能源費(fèi)用達(dá) 4.2億美元, 此后, 每年節(jié)約能源費(fèi)用再增加 1.7億美元。與美國(guó)的地源熱泵發(fā)展有所不同,中、北歐如瑞典、瑞 士、奧地利、德國(guó)等國(guó)家主要利用淺層地?zé)豳Y源,地下土壤 埋盤管(埋深 <400米深的地源熱泵,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(jì),為家用的供熱裝置中,地源熱泵所占比例,瑞士為 96%,奧地利為 38%,丹 麥為 27%。加拿大:地源熱泵技

7、術(shù)發(fā)展較晚,其中封閉循環(huán)地源熱 泵系統(tǒng)剛剛開(kāi)始,至 1994年,僅有 7,000 8,000套封閉循 環(huán)地源熱泵系統(tǒng)投入使用,加上開(kāi)放系統(tǒng)地源熱泵總數(shù)不超 過(guò)萬(wàn)臺(tái)。瑞典:在地源熱泵應(yīng)用的初期,瑞典政府采取了一定的 補(bǔ)貼政策。 90年代以來(lái),政府補(bǔ)貼取消,但地源熱泵安裝仍 以 1,000套 /年的速度遞增。 全國(guó)已安裝了 23萬(wàn)套地源熱泵, 其中 5萬(wàn)套為封閉循環(huán)系統(tǒng)。瑞士:瑞士是世界上地源熱泵應(yīng)用人均比例最高的國(guó) 家,其中封閉循環(huán)系統(tǒng)所占比例越來(lái)越高,至 1998年,封 閉循環(huán)系統(tǒng)以占 70%以上,總數(shù)達(dá) 20萬(wàn)臺(tái)以上。日本:日本地源熱泵制造技術(shù)非常領(lǐng)先,水源水源熱 泵的數(shù)量名列世界前茅,年產(chǎn)

8、量達(dá) 400萬(wàn)臺(tái),一些市政建設(shè) 項(xiàng)目和公益性建筑都曾利用地源熱泵進(jìn)行供暖 /制冷 /熱水 供應(yīng)等綜合性服務(wù),效果頗佳。美國(guó)及西歐已推廣應(yīng)用了近 20年,年增長(zhǎng)率在 20% 30%左右,目前美國(guó)所建住宅中采用熱泵技術(shù)的比例已達(dá)到 40%。每年安裝 5萬(wàn)套。美國(guó)總統(tǒng)布什在德克薩斯的鄉(xiāng)間別 墅就采用了地源熱泵技術(shù)。英國(guó)女王的白金漢宮也采用了地 源熱泵技術(shù)。三、我國(guó)地源熱泵技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 我國(guó)的地源熱泵事業(yè)近幾年已開(kāi)始起步，而且發(fā)展勢(shì)頭 看好。天津大學(xué)、清華大學(xué)、北京工大等分別與有關(guān)企業(yè)結(jié) 成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體開(kāi)發(fā)出中國(guó)品牌的地源熱泵系統(tǒng)，已建成數(shù) 個(gè)示范工程，越來(lái)越多的中國(guó)用戶開(kāi)始熟悉地源熱泵，并對(duì)

9、 其應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。之所以對(duì)中國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)發(fā) 展前景持樂(lè)觀態(tài)度，一方面是要節(jié)約常規(guī)能源、充分利用可 再生能源的國(guó)內(nèi)外大趨勢(shì)；另一方面，我國(guó)具有較好的熱泵 科研與應(yīng)用的基礎(chǔ)。 1999 年初，在國(guó)家環(huán)保總局舉辦的環(huán)保產(chǎn)品展覽會(huì)上， 當(dāng)時(shí)國(guó)務(wù)院副總理鄒家華曾親自詢問(wèn)有沒(méi)有地源熱泵產(chǎn)品。 1999 年 3 月， 國(guó)家環(huán)?？偩衷谶|寧省遼陽(yáng)市召開(kāi)了地源熱泵 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)會(huì)，大力推廣這種環(huán)保新產(chǎn)品。1999 年 7 月，山東 省建委在山東海陽(yáng)市召開(kāi)地源熱泵產(chǎn)品推廣會(huì)，國(guó)家環(huán)?？?局和建設(shè)部領(lǐng)導(dǎo)也應(yīng)邀參加。 北京市地質(zhì)勘查技術(shù)局與清華同方聯(lián)系研制的地源熱 泵供暖系統(tǒng)已在地勘院所在立水橋基地地?zé)崾痉豆こ?/p>

10、中試 用成功，取得了明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 長(zhǎng)春市地礦局、吉林大學(xué)與日本地?zé)峁こ讨晔綍?huì)社合作 建立了長(zhǎng)春市地源熱泵采暖/制冷實(shí)驗(yàn)示范工程。該工程是 由日本政府資助，由日本地?zé)峁こ讨晔綍?huì)社具體實(shí)施并提供 技術(shù)支持的對(duì)華項(xiàng)目。整個(gè)工程在 2000 年 12 月結(jié)束，并在 -6- 當(dāng)年即刻開(kāi)始運(yùn)行，取得了良好的效果。有關(guān)進(jìn)一步的研究 工作正在進(jìn)行之中。 在山東建筑工程學(xué)院也建立了示范工程，取得成功。 總之，地源熱泵技術(shù)雖然在國(guó)外已廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)直到 1999 年才開(kāi)始推廣使用，但發(fā)展迅猛。從近兩年開(kāi)始，由于 能源持續(xù)緊張，北京更是大力推廣這種節(jié)能供暖新技術(shù)，許 多高科技園區(qū)以及高檔賓館、政府辦公大樓等

11、也優(yōu)先選用該 技術(shù)。 截至 2003，北京全市使用熱泵單位 187 個(gè)，供暖面積 294.5 萬(wàn)平方米，大型的水源熱泵生產(chǎn)廠家也已超過(guò) 20 家。 四熱泵機(jī)組工作原理簡(jiǎn)介 作為自然界的現(xiàn)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(jī)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(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵 的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對(duì) 象（溫度較高的物體） ，其工作原理與制冷機(jī)相同，都是按 照逆卡諾循環(huán)工作的，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。 熱泵系統(tǒng)根據(jù)低溫能量來(lái)源不同，可是分為地源熱泵、空氣

12、 源熱泵、水源熱泵。 -7- 熱泵的工作原理是利用工作流體（工作介質(zhì)）在不同壓 力、溫度下的蒸發(fā)和冷凝進(jìn)行吸-放熱的過(guò)程，通過(guò)壓縮機(jī) 驅(qū)動(dòng)（電功），將熱量從低溫環(huán)境送到高溫環(huán)境，達(dá)到制冷 或制熱的目的。如圖 1，工作介質(zhì)按尖頭所示在回路中循環(huán)。 A 和 B 分別為蒸發(fā)器和冷凝器，C 為壓縮機(jī)（驅(qū)動(dòng)源），V 為 減壓膨脹閥， GA 和 GB 分別是低溫介質(zhì)（低溫地?zé)崴虻叵?水）和高溫介質(zhì)（生活或采暖熱水）流量。工作介質(zhì)在 A 中 壓力為 pA、在 B 中壓力為 pB，并有 pA< pB，其對(duì)應(yīng)的溫度 tA< tB。工作過(guò)程如下： 1. 工作介質(zhì)節(jié)流后的汽液混合物進(jìn)入換熱器 A，在

13、pA 的 壓力下，吸收低溫流體 GA 的熱量 QA，并蒸發(fā)成氣態(tài)； 2. 工質(zhì)蒸汽在驅(qū)動(dòng)源 C（壓縮機(jī)）作用下（驅(qū)動(dòng)能量 W） 流向冷凝器 B； 3. 在 B 中，工質(zhì)受介質(zhì) GB 的冷卻作用，在 pB 壓力下發(fā)生 冷凝，放出冷凝熱 QB； 4. 工質(zhì)冷凝液體流出換熱器 B 后，經(jīng)過(guò)節(jié)流減壓裝置 V， 使其壓力從 pB 降為 pA，再進(jìn)入冷凝器 A。 如此周而復(fù)始，熱量源源不斷地從 A 傳輸?shù)?B。對(duì)流體 GA 來(lái)說(shuō)，在 A 中放出熱量，溫度降低，產(chǎn)生制冷作用；而對(duì) 流體 GB ，在 B 中吸收工質(zhì)放出的熱量，溫度升高，產(chǎn)生制 熱作用。對(duì)于熱泵，根據(jù)熱量守恒定律可得到如下關(guān)系式： QB=QA+W （1） -8- 圖 4.1 熱泵機(jī)組工作原理示意圖（1） 熱泵的效率 （性能系數(shù)） 定義為： COP QB/W （2） COP