暖通工程師考試專業(yè)復(fù)習(xí)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?zé)岜?是利用地下常溫土壤和地下水相對(duì)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(shí)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(gè)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(jī)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(shí)現(xiàn)的熱交換過程。需要特別指出的是：地?zé)岜弥械睦錈嵩床皇侵傅叵碌臒崞驘崴侵敢话愕某赝寥?、地表水、地下水?/p>

1.2地耦管熱泵系統(tǒng)

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

與傳統(tǒng)的中央空調(diào)比較

燃煤鍋爐對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重，而燃油及電鍋爐采暖造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用皆較高，讓人難以承受，也不符合國(guó)家長(zhǎng)期發(fā)展的能源政策，而地源熱泵空調(diào)技術(shù)是國(guó)家科技部重點(diǎn)推廣的項(xiàng)目，也是國(guó)家節(jié)能設(shè)計(jì)手冊(cè)優(yōu)先選用的冷(熱)源方式。因此，近十幾年來(lái)，尤其是近五年來(lái)，中國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)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(dá)3.5—4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)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(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。

國(guó)內(nèi)外地源熱泵的發(fā)展歷史及前景

在中國(guó)傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中，在過去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期，南方以水冷機(jī)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(jì)80年代以后，出現(xiàn)了溴化鋰機(jī)組、風(fēng)冷機(jī)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(jià)及運(yùn)行費(fèi)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(guó)外，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，但發(fā)展相當(dāng)迅速。如美國(guó)，截止1985年全國(guó)共有14000臺(tái)地源熱泵，而1997年就安裝了45000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%，其中新建筑中占30%。

與美國(guó)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(jì)，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(shí)省去了鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，無(wú)燃燒設(shè)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(jī)組運(yùn)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?xì)夂腿加湾仩t系統(tǒng)相比，省去了儲(chǔ)油設(shè)備和燃?xì)夤艿赖姆笤O(shè)，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(chǎng)和渣場(chǎng)，而夏季制冷時(shí)則可以省去冷卻塔所占面積，大大減少了機(jī)房的占地面積，節(jié)約了土地資源，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)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(wú)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(jī)的低能耗，使運(yùn)行費(fèi)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(diǎn)就是換熱器位置的設(shè)置，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中，不管是水冷或風(fēng)冷，其換熱器對(duì)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(fēng)冷機(jī)組也一樣，都要暴露于建筑物之上的大氣之中，這難免要對(duì)建筑立面造型造成不好的影響。風(fēng)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(dāng)室外溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，由于換熱效率的降低，主機(jī)的制冷量將下降20 %～40 %;在冬季，當(dāng)室外溫度下降到- 10 ℃時(shí)，供熱量將下降到15 %～30 % ，而且要反復(fù)地沖霜來(lái)保證機(jī)組的正常運(yùn)行。而對(duì)于地源熱泵機(jī)組來(lái)講，換熱過程是和大地來(lái)完成的，換熱對(duì)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。