地下水源热泵系统在建筑空调中的应用

如何在建筑中应用地源热泵式中央空调

摘 要：现代社会面对越来越严峻的能源危机，人们开始意识到仅仅靠现有的能源已经不能满足可持续发展的社会需求了，因此人们开始对新的能源进行研究以及开发利用，地热就是近年来开发的新的能源，而地源热泵式的中央空调就是利用了这种浅层地热进行冷热供应的可再生无污染技术的温度调控系统。文章就此种系统从其原理、技术以及优势和产生背景等方面做了充分的研究以及分析，阐述其所具有的节能低碳、环保安全的优势，以对此类环保型空调进行应用的推广。

关键词：中央空调；地热；能源；节能；环保

引言

地热的利用在当今社会已经成为了能源研究以及开发利用的新课题，地热能源的主要特点就是可再生且无污染，而地源热泵式的中央空调在进行温度调节时又体现了其所具有的灵活舒适以及节能环保的特性。所谓的地源热泵实则就是通过在地下进行管道的埋设，用以吸收土壤以及地下水中的能量。这种利用主要就是基于浅层土壤以及地下水的温度稳定，且温度较高，不会受到外界的环境影响，因此冬季制热以及夏季制冷，较之其他的热源热泵的能效上都要具有优势。这些的前提都需要管道的埋设即要有足够的地方进行冷热交换的装置安装，或者是政府允许对地下水进行抽取，若是允许就应当选择此种温度调控系统。

1 工作原理 地热泵实质上是通过对土壤蓄温作用进行的利用，然后进行热交换的一种工程技术，通过少量的电能，将热泵原理进行发挥，蓄热以及蓄冷能力的特征就决定了可以通过物理热力学对交换后的热能进行循环，这就完成了对于土壤热量或者是地下水的利用，供应建筑的温度调节就是通过地下水以及建筑四周的管道进行调节的。

此种空调系统在组成上主要是分为了三大部分，首先，是换热系统，负责进行热交换；其次是水源热泵的机组系统，负责进行对换热后的介质进行流转；最后则是室内的末端。而水源热泵的机组又主分为两种形式：首先是水水型，其次则是水空气型。而三大部分之间就是通过了热介质用以进行热量的交换传递，水源热泵顾名思义就是通过水作为介质进行和地能的热交换，而对于其他两个部分来说，介质可以是水也可以是空气。

地源热泵在暖通空调设计中的应用

摘要： 地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源的高效节能空调系统，地源热是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热源交换作为热泵的冷热源，通过热泵技术获取可供空调使用的冷热水的空调系统。系统架设由于对地质条件有严格的要求，因此对环境的监测格外重要。随着世界范围内绿色节能和可持续发展的日益推进，地源热泵技术在实际生产和生活中的应用越来越广泛。

关键词：地源热泵；经济节能；绿色环保；

一、概述

地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗一定的电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵仅需要消耗少量的能源，就能获得高于输入能量数倍的热能效果，是一种高效、环保、节能的温控系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。是一种有效地利用能源的方式。地源热泵系统不直接抽取地下水，而是通过地下土壤换热器与地下土壤进行热交换，不会污染地下水，通过冬季和夏季的热交换，达到一个稳态热平衡，保证了地下土壤的自然平衡状态。

地源热泵示意图

二、地源热泵的主要特点：

1、可再生能源

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能成为清洁的可再生能源的一种形式。

2、高效节能

地能或地表浅层的热资源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源

热泵比空气源热泵系统运行效率要高，比传统空调系统运行效率要高20～40%，因此可节省运行费用。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、更稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

污水与地表水源热泵供热空调系统技术介绍

一、 热泵原理

二、 污水热泵

三、 主要特点

四、 经济效益

五、 节能减排

六、 同类比较

七、 关键技术

八、 适用范围

九、 工程应用

污水与地表水源热泵供热空调系统技术介绍

供热空调的能源消耗占社会总能耗的比例大达30%，而环境污染的20%也是由供热空调燃煤引起的。因此，采用热泵技术，开发低位的、可再生的清洁能源用于建筑物的供热空调意义重大，是建筑节能减排的有效途径之一。这些能源包括：大气、土壤、地下水、地表水、工业余热及城市污水等等。其中污水在数量（水量）、质量（水温）及分布规律上（地理位置）具有明显优势。预计2010年我国污水排放量达720亿t/a，水温全年在10-25℃之间，按开发50%的水量计算，可供热空调的面积至少在5亿㎡以上。另外，原生污水均匀地分布在城市地下空间，为因地制宜地有效利用及建设分散式的热泵供热空调系统创造了有利条件。而地表水源在南方水源丰富的地区以及沿海城市更具有广阔的应用前景。

一、热泵原理

各类低位的清洁能源利用是通过热泵技术实现的。热泵空调技术是根据逆卡诺循环原理，将低温热源或低位能源（如城市污水、地下水等）中的低品位热能进行回收，转换为高品位热能的一种节能与环保性技术，利用这项技术的逆过程同时还可以达到制冷的目的，是以存在合适的低位能源为必要条件的。 水源水系统水6℃11℃50℃45℃60℃2℃3-膨胀阀4-蒸发器2-冷凝器1-压缩机

图1 热泵工作原理示意图

图1示意了一种水源热泵向建筑物供热的工作原理。所谓水源热泵，就是指以环境中的水（污水、地表水、地下水等）作为热源。热泵工质（例如氟利昂）在压缩机1的驱动下，在压缩机1、冷凝器2、膨胀装置3、蒸发器4几个主要部件中循环运动。工质的热力性质决定了蒸发器中的工质温度可以保持在例如2℃（称为蒸发温度）左右，而冷凝器中则为60℃（称为冷凝温度）左右。这里的水源虽然在冬季可能仅为11℃，但却可以作为热泵系统的热源，因为当将它引入温度为2℃的蒸发器时，它必然要把自身中的热能（称为内能）交给机组，变为例如6℃排放出去。获取了水源热能的工质被压缩机压缩到例如60℃，在冷凝器中加热来自建筑物的系统循环水，由该水将热量带到建筑物的散热设备中。

臣蓬　垦　星　旦　星　△　一一　地源热泵在暖通空调设计中的应用　文◎　焦文君（北京京铁清尚建筑设计院有限公司）　摘要：地源热泵系统是国家提倡使用的　节能环保产品；地源热泵的原理及分类；地　源热泵系统在别墅设计中的经济性比较，地　源热泵在别墅中的实例。　关键词：地源热泵；暖通空调；设计实　例　１、地源热泵为国家提倡使用的节能环保　产品：随着我国能源紧缺与环境问题口益　重，开发浅层地热能资源，采用热泵技术觯　决供暖、供热和制冷问题的热潮止在我国人　规模兴起，近十年来全世界每年以递增２Ｏ％　以上的速度在增长。它以节能比其他常规供　暖技术节能５Ｏ一６０％，是供暖制冷领域解决污　染节能问题的重要技术选择；运行费用低，　可降低３Ｏ一７Ｏ　的优点冲击着供热和制冷市　场。从各种循环利用的地源、水源、空气源　等能源中提取能量、以解决建筑物供冷供热　的热泵技术，将成为城市供冷供暖的理想选　择。２００６年中国《可再生能源法》《节约能　源法》的颁布实施是我国政府有关十能源领　域的重要战略决策。在热泵领域，２００８年７月　国务院颁布《公共机构节能条例》《民用建　筑节能条例》更进一步推动低能耗节能产品　在建筑领域的应用。其中《民用建筑节能条　例》第十一条规定国家推广　使用民用建筑节　能的新技术、新工艺、新材料和新设备。北　京市政府从２００６年起对采用地源热泵技术供　暖的工程每建筑平方米一次性补贴５ｏｊ￣２，问　时不同的城市对此也出台了一系列的优惠政　策。地源热泵系统以可再生能源利用、商效　节能节资、运行稳定可靠、环境效益显著、　一机多用、功能齐全而在全世界排广。将此　作为首选用在各种民用建筑和别墅设计【ｆ，，　为我国的节能减排工作做出贡献。　２、地源热泵分类：根据地热能交换系统　形式不同，地源热泵系统分为地埋管地源热　泵、地下水地源热泵和地表水地源热泵ｊ种　形式。目前设计最常用的是地埋管地源热泵　系统，下面主要介绍地埋管地源热泵系统的　原理及设计形式。　２．１地埋管地源热泵空润系统原理：　这种空调系统是把热交换器埋于地Ｆ，通过　水在由高强度塑料管组成的封闭玮路中循外　流动，从而实现与大地土壤进行冷热交换的　目的。夏季通过机组将房间内的热量转移到　地下，对房间进行降温。同时储存热最，以　备冬用。冬季通过热泵将土壤中的热量转移　到房间，对房间进行供暖，同时储存冷量，　以备夏用，大地土壤提供了一个很好的免费　能量存贮源泉，这样就实现了能量的季节转　换。　２．２地埋管地源热泵埋管形式：地　埋　管换热器主要有两种形式，即水平埋管和垂　直埋管。选择哪种形式取决于现场可用地表　面积、当地岩土类型以及钻孔费用。　管水　平埋管通常是浅层埋管，可采用人工开挖，　初投资比垂直埋管小些，但它的换热性能比　竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积　的限制，所以在实际工程应用ｒ｝ｌ，一般都采　垂直埋管地源热泵系统。　ｒ２．３　地埋管地源热泵具有如下特点：　属于可再生能源利用技术；高效节能和　低的运行费用；环境效益显著既＝．ｆ　破坏地Ｆ　水资源，又无任何污染，可以建造在居民区　ｌ３８　寰１各方泰耗气、电费用爰息费用估算　方案１　方案２　方鬟３　快装式燃气锯炉１分体空诵　集中燃气锻炉　集中空一　ｊ＾■热曩　地■空■　天然气、电单价　ｌ　ｇＯｆｆ．／ｍ’１　０．４５￣／ｋＷｈ　２．１０元／田】　０．６元／ｋＷｈ　０　元，ｋＷｈ　０．４５元，ｋ■ｈ　小时耗气、电量　２　２２　ｍ’／ｈ　Ｉ　１０．２９ｋＷｈ／ｈ　２　２２　ｍ３／ｈ『８．４７ｋＷｈ／ｈ　４．９５ｋＷｈ／ｈ　７．２０ｋＷ　小时耗气、电费（元）　３　９９　’　４．６３　４　６６　５．稍　２．２，　，．　每套剐墅年耗气、电费（元）　６７０３　２　：　３７０４　４　７８２８　８　４０６４　３７４６．４　２５９２　单位面积耗气、电费（元／ｍ　）　１８　６２　Ｉ　１０．２９　２ｌ　７５　Ｉ】，２９　１０　４１　７．２　单位面积总耗气、电费（冗／　）　２８　９ｌ　３３　０４　１７．６１　年耗气、电总费用（１万元）　５２　０４　５９　４６　３１．矗９　龋炉、空稠设备投资（万元）　０．７６　５Ｏ　；４　５‘５Ｏ　２８．ＤＯ　１３０．ｏｏ　４．５’ＳＯ　投资总计（万元）　２６３　１５８　２２５　附麓管道、粟及室内安装等费用（万元）　１　５’５Ｏ　２７０　∞　含打井费）　燃气、电韧装费（万元）　ｌＤＯ　１００　４５　总投资（万元）　４３８　５２８　，７ｏ　内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，　不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离　输送热：　‘机两用，地源热泵可供暖供冷，　全年冷热供应，节省投资和占地。　３、地源热泵系统在别墅设计中的经济性　比较：　地源热泵是一种高效的节能、环保技　术，但地源热泵是否具有经济竞争力将是地　源热泵能否实际应用的一个关键问题。由于　涉及的因素多，　同地区，不同能源结构及　价格等都将直接影响地源热泵的经济性，这　单借用专家的一例研究来说明地源热泵与传　统供暖空调系统的经济性进行比较。　以槊别墅区为例作计算，共有别墅５０　套，总建筑面积１．８万ｍ　，按热负荷指标５５ｗ／　ｍ　干ｕ冷负荷指标８０Ｗ／ｍ　来估算每套别墅及总的　热（冷）负荷。　对　述三种方案进行投资和运行费用的　比较，汁锋结果见表１：　３．１每套别墅单独安装自己的供暖空调　系统，如冬天采用　快装式燃气锅炉，　夏灭采用分体　调，分体　调的　制冷系数按２．８计　算。　３．２集中式供　暖空调方式，如冬　天采用燃气锅炉，　夏天采用集中空　凋，制冷系数按　３．４计算。　３．３地源热　泵采用水环路热泵　空调系统，水源热　泵的制热、制冷系　数按４计算。　由此ｕＪ　比较各　方案的单位面积耗　气、电费用，方案　ｌ的供暖窄凋成本　比方案３分别高出　７９％和４３％方案２的　供暖窄调成本比方　案３分别高出１　０９％　和５７％。　３．４地源热泵　方案３的年耗气、　电费用最小，比方　案２少２７　７７万无，　虽然方案３总投资比方案２高出４２万元，但在２　年之内即可将此差额收回　４、地源热泵在别墅中应用实例：　（见　图）　５、结论：　我国地域宽广，蕴藏着丰富的地表浅　层地能资源，因地制宜地采用不同形式的地　源热泵技术可以有效地提高低温地热资源，　同时克服传统热泵空调技术的局限与不足，　是非常有意义和具有实用价值的，在节约能　源、防治环境污染和城市现代化方面有着较　大的意义。　参考文献　【１］中国建筑科学研究院　地源热泵系统　工程技术规范ＧＢ　５０３６６－２００５　［２】地源热泵系统设计与应用．北京：机　械工业出版社２００７　［３］李新国．地源热泵一供暖空调节能环