地源热泵空调系统的研究开发与应用

热泵（锯冷虮）怒透过作功使热量从温度低的介质　流向温度高的介黉的装置。热泵与制冷机的工作原理和　过程是完全翱同的　从热力学的观点看都是热机工作过　程的反循环。热泵与翻冷机在名称上的差　１只是反映了　在应用目的上的　同；如果以得到高温的热量为主要目　的，则—般稚为熟惹，厦之劂称为制冷机。　１．１　２主要麓点　建筑的塑谒系统—散磨糖愚冬荦拱热和夏季制冷两　种相厦的要求　传统的　髑系统遵精需设置冷源（制冷　机）和热潦（褊炉）。｛ｊ争潦（翻冷机）在冬季以热泵的　模式运行，魁可雠誊去锅炉和锯炉庸，不但节省了很大　的：防投资，而且不污染环境。用电热设备（例如电暖气　电锅炉）也　以把电能转变为热能，为什么还要用热泵　昵？由于热泵潴耗电弱其是用于耙低温热源（例如室外　空气）的热量转移到高温热源（例如室内空气），因此　消耗ｌ　ｋ　ｗｈ的龟能在通常的供热工况下可以得到　３．５ｋＷｈ以上酶有用煞量ｌ这在热泵的术语中叫作。能　效比　大于３．５。而赢接用摩热装置来得到热量，其。能　效比　为１。此外，采用热泵空调系统还可以兼顾生活　热水供应，特别在制冷（空潺）工况下可嗣用制冷的废　热加热热水，不需额外消耗能量。因而节毙、环保　节　省初投资是热泵空调系统的主要优点。　１．２　以建筑物空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系　统，其一个热源就是建筑物内部的环境，就其另一个热　源的性质来分，可分为空气源热泵，水源热泵和地源热　泵等几大类。在冬季供热工况下，室外空气、水或大地　中的低品位热量通过热泵作功ｉ耐ｇ高温度以对建筑物　供热。　的家用冷暖空调器就是这样的空气源热泵。空气源热泵　的缺点是室外空气温度越低耐供热量越小，特男ｌＪ是当空　气温度低于一５℃时热泵就难以正常工作，需要用电或　其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低　此外，空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，　也损失相当大一部分能量。在靠近江河薅海等大体量自　然水体的地方可牲利用这些自然水体作为热泵的低温热　源，可以大大提赢换热的效率，是值得考虑的一种蝴　热泵的型裁。　ｌ＿２．２　骧热墓　水源热泵也称“地温热泵”，它抽取地下水在热泵　中放出热量后再回灌到地下水层　在热量的来源上它可　归属于开式的地源热泵Ｉ在热泵的技术特点上它应属于　水源热泵。推广这种技术有明显的节能和保护大气环境　的效益。怛是，速种水源热泵技术的应用需要有丰富的　地下水为先决条件，如果地下水位较低，水泵的耗电将　大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水　将回灌到地下水层，但在很多地质条件下回灌的速度大　大低于抽水的速度。如何避免地下水资源的流失和怎样　保证地下水层不受污染是水源热聚使用中需要解决的问　题。鼠此，对大面积推广这种技术应采取慎重的态度。　１．２．，地濠熟墓　另一种热泵嗣用大地（土壤、地层等）作为热源，　可以称之为“地源热泵　。由于较深的地层中在未受干　扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温　度，叉低于夏季的室外温度。因此地源热泵可克服空气　源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过　热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，回对使大　地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用　夏季　２００２　７　３０月刊Ｉ　

２３　维普资讯 http://www.cqvip.com 通过热泵把建筑物ｌ中的热最特输给大地，对建筑物降　温，同时在太媲中蓄存热重以供冬季使用。这样在地源　热泵系统中大地起到了蓄匏器的作用，遗一步提高了空　调系统全年的艏谭利攘效搴。地源热泵空调系统主要优　点是：环保节能．取嘲可褥生能源，可持续发展，一机　多用，节省建筑空瓤．无需冷却塔和室外风冷部分，对　建筑外观彰璃　、　遣褥费用低，投资圆报抉，全年遥行，　均衡用电负荷。但羼藏我置地源女　泵系统中钻孔费用还　较高．对地热攘热耩她下传热的研究还不成熟，这在一　定程度上限制了＿该系统的应用。　现在在国鲟得到较为　泛应用的地源热泵系统采用　介质流经堙在地下鹘彗予与犬地（土壤、地层、地下水）　进行换热的模式。滩壤热泵（Ｇｒｏｕｎｄ—Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ）的撅念最晕出现在ｔ９１２年瑞士的一份专利文献　中，在２０世纪１５ｏ年代就已在一些ｌ￡欧国家的供热中得　到实际应蘼。由于石　纛机构影响，地潦热泵在７０年　代得到较大的发展，显此时主要采用承平埋管的方式。　水平埋管占地面积太，面且，水平堙管的地热换热器受　地表气候变化静影嘲，效率较低。自８０年代　来，在　乾美也形成了刘蘼地麟热系对建粤进行冷热联供的研究　和工程实践的薪一辖商濑，技术逐新趋于成熟。这一阶　段的地源热泵主要采用垂直埋管的换热器，埋管型式有　垂直ｕ型管和套繁两种。埋管的深度通常达６０－２００ｍ，　因此占地面积大　磺小　应用范围也从单独民居的空调　向较大型的公共建薄扩展　匿外在开发垂直埋管换热器　时对保护地下承舞源幂受污染给予　高度重视。在打　井、下管以后，孬用求铌、膨满土等材料把井筒密封，　杜绝了地面污染物进＾地下承层或各地下水层之间互相　贯通的可能性。　２囊藏热夏空羽蕞筑组虞蔹主要疆式　２．１系统组成　地源热象空调系统一般由三个必需的环路组成，必　要时可增加第四个预热生活热水环路。　２．１．１地籀换籀暑韩　由高强度塑料管组戚的在地下循环的封闭环路，循　环　顺为水或防冻液。冬季从周萄土壤（地层）吸收热　量，夏季向土壤《地层）释放热量，其循环由一台低功　率的循环泵来实现　２　１．ｚ制冷捌球蓐　即在热泵机组内部的制冷循环，与空气源热泵相　２４　Ｊ月刊・２００２．７　３０　比，只是将空气一锻褥裁涣热器揍成寒一崩玲帮糗热　器，其它结构墓奉相翔。　２　．３童　鄹　室内拜路程建筑物肉和熬燕吼　间传避　ｊｔ，传　递热童的舟蔗有空气　承ｉ％制冷剂辞，瑚｛曦辍痘　９　骤　机组分曼ｌ应为水一空　热　机錾，枣—零帮漂帆组或水　一翻冷剂鬻ｌ祭概组。　ｉ　ｚ．１　４生活热水环纛　将水从生活热求箱邀到释凝器去爨行裙环的封闭加　热环路，是一个可供选择的环路。囊攀，藏循环利用冷　凝器排放豹热蠡，不瀵　铺　ｂ翁能薹而得掰熟臻供应，　在冬季缄过渡季，其耗能也大大低于电热水器。　供热循环和制砖循繇可通道熟泵祝缝韵四遥换向　阔，使制冷剂静流囱改变　实现冷热工况霜孽转换，即内　部转换。也可通道互换冷却承和冷骧水的热泵进出口而　实现，即外部转换。　２　２主要　式　根据地潦熟泵低溢热潦　度和热泵供热｛冷）介质　（承担室内负荷的介质》的组食方式不回，地源热泵主　机可分为：承一水系统、瘩一冷瓤系统　水一空气系统　热泵。与院相应的室调系统型式主要有以　下三种　２　１水一水毒统　水一水系统热泵主虮自孽　砖工浇与蔫通冷水镌组的　功能相同，即它悬空期系统的羚探　为各种空调系统的　末端装置提供冷冻水（＝蒎冷缫｝。宅的餐热工况一热　泵运行方式，茕够为空调繁统提供醇一５５＂Ｃ的热水。　２．２．２水一燎羽毒统　水一冷剂系统热泵圭机与冷　热两翔的家角分体式　空调的工作愿理墓奉相同。前者　用缝热换热嚣德环水　作为热泵翩冷工况的擒却水帮供热工提豹低温热源　后　者——家用分体空调中体积庞大、噪声柯染严重的室外　机被两根搪　水管所取代。盎该鳖热泵主执组疵的空调　系统与魏机盘管系统基本翔同。只是前者承担室内受荷　的是制冷剡，丽后者是冷冻（热）水。　２　２　３水一空气采统　水一空气系统热泵主轨与全空气系统中空调机组的　作用相同　不同的是前者自身巽备羚热源，其蒸发器　（或冷凝器）相当于空洞机组的襄冷器《或加热器）。因　此，该型热泵主机的热效率蒿于水一艰系统热泵主机　在不需要二次冷‘热）媒的情况下，宜优先考虑选用这　种主机。

　维普资讯 http://www.cqvip.com ３地潺热泵空调我术曲瘟用　３．１示范工程概况　山东建舡程学　学术报告厅为两层建筑。一层为　学生自习室，二层为学术报告厅。每层建筑面积为　５００ｍ２　报告厅共４８０座，其空调冷负穗约为ｌｌＯｋＷ，热　负荷为８０ｋＷ。考虑到报告厅不是频繁使用，为提高空　调设备的ｊ｝Ｉ｝用率，增加了自习室和筏书馆办公室等空调　用户。空调系统的冷热源由报告厅和这些用户交锗使　用，但系统的设计和使用以满足报告厅的需要为目的。　竖直Ｕ型埋管地热换热器埋设于报告厅翦的草坪　下，占地２５０ｍ２，水平千管（分、集水器）埋深２ｍ，钻　孔深度６２ｍ，共２５个孔。肌　钻孔量１５５０１／１，竖赢埋　管总长度３０００ｍ。与地热换热器配套的水一水型热泵机　组，名义制冷量为ｔ３０ｋＷ，制热量１００ｋＷ　制冷与供　热工况嚼的转换由外部酉　水管路变现。　报告厅采用集中式空调系统。办公室采用风机盘管　系统。自习室栗用低涵地板辐射供暖（冷）系统　地源热　泵　各辐射供暖盘管　因为地　基奉一致，这也是采用地板辐射供暖的主要原因之一。　３．２地热换热器设计　３．２．１盘考盎曲主善圈素　ａ．确定建筑物的供热、制冷和热水供应（若选用）　的负荷，并根据所选择的建筑空调系统的特点确定热泵　的型式和容量　ｂ．确定地热换热器的布置形式。主要包括水平埋　管、竖直埋管或利用天然水体换热的闭式循环。从管路　的连接上又分为串联和并联等形式。　ｃ．选择塑料管。目繁国舔上广泛采用的高密度聚乙　烯管材，壁厚（强度》推荐按ＳＤＲＩｌ选取，管径（内　径）通常采用２０—４０ｒａｍ。管径的选择应根据热泵本　身换热器的流量要求以爰选用的串联或并联的形式确　定。即一方面管中流体的流速应足够大，　在管中产生　湍流以利于传热，另一方面该流速又不应过大，使循环　泵的功耗保持在台理静范围内　ｄ　合理设计分、榘水器。分、集水器是从热泵到并　联环路的地热换热器的流体供应和国流的管路。　ｅ．根据所选择的蜷热换热器的类型及布置形式，设　计计算她热换热器的管长。与传统的空调系统设计相　比，这是地源热泵空调系统设计所特有的内容，而且它　也不同于一般的换热器的设计计算。清华大学、山东建　ＥＮＥＲＧＹＣ０ＮｓＥＲ强Ｔ１ＯＮＡＮＤＥＮＹ１Ｒ０　ＭＥ　ＰＲ０ＴＥＣＴＩＯＮ　筑工程学院等单位，根据幂同的传热摸璇出’ｊ＝＝＿不同的　设计诗算露法著有相应的计算软件　这蕉方鞋镌够　足　地源热泵王程实弱的爨要　３．２．２拖热蘸热霉幡辑苘善分析　设置在不同扬台的竖直埋管地燕挟热器特涉及不同　的地质结构，包括各她层的材质、含水量和地下冰的运　动等，这些都会影响她热换热器的传热幢魏。现在的设　计计算方法鄯跫基于蘅化的模型，即很後　跨及的蛾层　的性质是均匀的。其热物性最好在现场用傻器测定。　竖直埋管地热换热嚣计算的基础是单个锗乳（ｕ型　管）的传熟转折　在制冷王况下，彗内流体挹瓣量传始　地层。在供热工况下，管内流体从媲　嘻暖收热量。两者　热流方向相反，担传热模型是相同的。热流飙管内流体　传到透离钻孔　成：ａ．流律至管灌内壁的对瀛换热热阻　ｂ．塑料譬壁韵　导热热阻；ｃ．钻孔内都的导热熟阻，即由管道　隧鲜钻　孔壁静热阻　地层的热阻，即由钻孔壁判地Ｉ薹远处的　热阻。　夏季翩冷工撬为傅，蜷热换热嚣审诘乳壁藿与外　邦地层之闰的捷热是热量　钻孔壁被释放弱地基中。因　此，钻孔镯围地层的温度就会升高。这郝分的特热应按　非稳态考豫。可叹建立多种幂同艚数学横型来求篇其温　度场。工程中最常用的方法是用无聚犬介震中线热漂模　型束求解该雕题。另一静线热源模型是半无限太介藏中　有限长度线热源模型　近实舔模型，僵也仅是近似的模型。　３．３蜷熬蠛热器安襞　）．）．１档驰　将地热换热器瀑计　纸耋的轱孔簿捧捌、倪耋逐一　落实到旌工现场。　ｌ径的大小以懿骖蛟容爨豹擂入所设　计的Ｕ型管及灌浆管为准　拳工程段落邋蘑外径为　３２ｒａｍ的Ｕ型管　灌浆屠管　瀑用相ｆ霹糟糕和　耨　为确　保Ｕ型管顺剥安垒地插入乳底，孔往要遥当，必要时芋Ｌ　壁应固化　３）．２下譬　奉工程采用的是人工下管的方羲　下管前，将灌浆　管与Ｕ型管捆绑在＿起。钻完—十孔　成接着下管。因　为链好的孔斓置时翔过长，有可齄出瀑局部辨堵塞，这　将导致下管的困难。下彗是将三搬聚乙烯管＿起捶人孔　中，直至孔底。ｕ型管的长度应比挚Ｌ深路长，以使萁毙　够露出地西。　２００２＇３０月