231地源热泵技术及其在安徽省的应用实例

1、地源热泵技术及其在安徽省的应用实例合肥工业大学张爱凤赵卫平刘向华安徽凯毅空调器有限公司孙毅摘要：针对当前我国建筑能耗较大的状况，在安徽省巢湖地区一别墅建筑空调设计中采用地源热泵技术。本文在介绍地源热泵空调系统的组成、分类、各种应用形式及其特点的基础上，选择适合该建筑特点的地源热泵系统，并详细介绍了该系统的选型情况，根据用户反应和实地测量证明系统运行状况良好。在分析该热泵系统的基础上，指出了目前推广应用地源热泵技术中存在的一些关键技术问题。关键词：建筑能耗地源热泵空调系统节能1 引言能源是战略资源，是全面建设小康社会的重要物质基础。随着人口增加、工业化和城镇化进程的加快，能源需求量将大幅度上升，

2、经济发展面临的能源约束矛盾和能源使用带来的环境污染问题更加突出。解决能源约束问题，一方面要开源；另一方面要节能。节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施。建筑能耗主要以供热采暖和空调能耗为主，目前我国单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的23倍，因此建筑节能的重点应放在采暖和空调能耗上。地源热泵系统是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一门热泵技术，它是一种通过输入少量的高位能(如电)，实现从浅层地能(土壤热能、地下水中的低位热能或地表水中的低位热能)向高位热能转移的热泵空调系统。联合国发展计划署(UNDP)和国际能源组织(IEA)等国际机构都把推广

3、应用地源热泵作为节约能源、减少二氧化碳排放、改善地球环境的重要手段。联合国发展计划下属的全球环境基金(GEF)与中国政府合作的二氧化碳减排计划就把推广地源热泵技术列入其中123。2 地源热泵空调系统21地源热泵空调系统的组成地源热泵空调系统主要由三部分组成：即热泵系统、末端空调系统和地源热交换系统，如图1所示。热泵系统由压缩机、四通阀、冷凝器、蒸发器和节流阀组成，通过制冷剂的循环可实现夏季供冷和冬季供热。末端空调系统可采用风机盘管系统和低温地板采暖系统。地源热交换系统由热交换器和管路组成，是地源热泵技术的关键部分。图1地源热泵空调系统组成图A-热泵系统；B-末端空调系统；C-地源热交换系统1-

4、压缩机；2-四通阀；3-蒸发器；4-冷凝器；5-节流阀；6-末端设备；7-室外热交换器2.2 地源热泵系统的分类根据热交换器的形式来分，地源热泵系统有三种形式：土壤热交换器地源热泵、地下水地源热泵和地表水地源热泵4。2.2.1 土壤热交换器地源热泵土壤热交换器地源热泵包括一个土壤耦合地热交换器。根据埋管方式的不同，土壤热交换器可分为水平埋管、垂直埋管和螺旋型埋管三类5，布置形式如图2所示。水平埋管埋深通常在1.23m，常采用单层或多层串、并联水平平铺埋管，特点是施工方便、造价低，但换热效果差，受地面温度波动影响大，热泵运行不稳定，占地面积较大。垂直埋管埋深10100m,般采用U型垂直埋管或套管

5、，特点是占地面积小，土壤温度全年比较稳定，热泵运行稳定，但初投资（钻孔、打井等土建费用）大。螺旋型埋管结合了水平埋管和垂直埋管的优点，占地面积小，安装费用低，但其管道系统结构复杂，管道加工困难，系统运行阻力较大。2土壤热交换器埋管布置形式2.2.2 地下水地源热泵地下水地源热泵系统分为两种，一种是开式系统，另一种是闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地下水抽出直接供应给热泵的室外侧冷凝器，吸热后再回灌地下，开式系统换热效果好，但热泵设备和管路易受到地下水的水质腐蚀和堵塞，最终影响系统运行，并降低效率，因此应用时要特别注意。闭式地下水地源热泵系统采用板式换热器将地下水和热泵设备隔开，解决了开式系

6、统的腐蚀和堵塞问题但因板式换热器的二次换热，换热效果有所降低。2.2.3 地表水地源热泵地表水地源热泵系统由潜在水面以下的串并联塑料管组成的地下水热交换器取代了地下水热交换器。地表水地源热泵与地下水地源热泵相似，也有开式系统和闭式系统之分；不同的是地下水水温恒定，机组运行稳定可靠，而地表水水温受到环境温度和水深等因素影响而变化，热泵机组运行不稳定，此外，地表水地源热泵的湖水换热器如布置在公共水域，还易遭到破坏5。2.3 地源热泵系统的选择地源热泵系统的应用形式较多，在决定采用地下水、地表水或土壤前，应首先对现场水文地质情况进行准确翔实的调查，其次应对建筑物冷热负荷、现场土地面积、建筑高度和规模

7、、机房面积、当地规划要求等因素进行综合分析评价确定，最后应考虑选择系统的造价。3 安徽省地源热泵空调系统工程实例3.1 工程概况该工程位于安徽省巢湖市，独立别墅，建筑面积为200m2,共2层，框架结构，底层平面有120m2,有卧室、书房、客厅、厨房和卫生间，二层平面有80m2，设有卧室、客厅、书房和卫生间。外墙采用240普通砖墙外贴墙砖，内涂乳胶漆，外窗采用单层玻璃塑钢窗。该别墅左侧有一块面积大约为150m2的空地可资利用，根据该建筑特点以及业主的要求，采用地源热泵空调系统6。3.2 系统方案3.2.1 室内侧末端空调系统室内末端空调系统选用卧式风机盘管系统，每个房间设单独控制的温控开关，送风

8、方式结合装饰局部吊顶采用侧送。风机盘管清单：FP-8WAX6台，FP-5WAX2台。3.2.2 地源热泵机组地源热泵机组的选型主要根据建筑的冷热负荷来确定，选用清华同方生产的水源水管道式户式中央空调系统，型号为HSSWR-23(S)，技术参数主要有：名义制冷量20.14kW,制冷输入功率3.28kW，名义制热量24.78kW,制热输入功率5.30kW,涡旋全封闭压缩机，外观尺寸800mmX440mmX716mm(LXBXH)O该机组结构紧凑，安装尺寸小，节省空间，其接管原理如图3所示。图3地源热泵机组接管原理图2.2.3 地源热交换系统地下埋管按夏季工况确定埋管长度。埋管采用10根100m长的

9、De25X2.5的铝塑复合管，分2层螺旋水平布置在10mX10m的地坑中，管路连接好后，填上素土，地下埋管平面布置和系统图分别如图4、图5所示。图4地下埋管平面布置图r-soooocogoE图5地下埋管系统图2.3 现场测试与分析该工程于2005年10月竣工，经用户实际使用后反映：空调效果好，没有冬季供暖不足的现象，耗电也较省。2006年3月12日进行现场测试，测试结果如图6所示，测试结果定性说明了在系统启动运行不到20分钟，地源热泵系统就已经进入稳定的工况，热泵室外侧热交换器的冷热流体进出口温度几乎恒定。水源侧进水温度水源侧出水温度用户侧进水温度用户侧出水温度图6地源热泵室外侧热交换器进出口温度曲线4结论通过对地源热泵技术和安徽省巢湖市的地源热泵空调系统工程实例进行分析，我们发现7：8（1）与传统的家用空调制冷系统相比，地源热泵是最节能并且对环境最没有污染的一种选择，如果推广地源热泵系统，将能够显著地节约能源和减少污染；（2）我国地源热泵技术尚不成熟，缺少系统设计所需