土壤源热泵的应用培训讲义

土壤源热泵系统技术及其在我市的应用培训讲义1土壤源热泵系统的工作原理及特点地源热泵在国内也被称为地热泵。地源热泵技术起源于1927年瑞士的一个专利，已有近百年的历史，是非常成熟的技术。该项技术在美国、加拿大和一些欧洲得到迅速发展并被广泛应用。例如美国，截止1997年，已安装了400000台，而且每年以10%的速度稳步增长。在中北欧的法国、瑞士、瑞典、奥地利、丹麦等国家,在浅层地热资源利用方式（地埋管方式）处于国际领先地位。我国从上世纪80年代开始进行这一领域的研究，最近几年来，这一技术成了我国建筑节能研究的热门课题，并开始大量应用于工程实践，市场日趋活跃。它是最有前途的节能装置和系统之一，是国际空调和制冷行业的前沿课题之一，也是浅层地能利用的重要形式。根据利用地热源的种类和方式不同可分为以下三类：土壤源热泵或称土壤耦合热泵（GCHP）,地下水热泵（GWHP）,地表水热泵（SWHP）。土壤源热泵系统是利用在地层内埋换热管，通过土壤埋管与大地进行冷热交换的地源热泵系统。土壤源热泵系统冬季代替锅炉从土壤中取出热量（据有关资料介绍：5米以下的土壤平均温度随各地的情况有所不同，但基本不会随季节的变化而变化，且约等于该地区的年空气平均温度，一般来讲地层30m—lOOm之内为恒温层水温变化15—20"C。），以40－45℃左右的热水向建筑物供暖，夏季代替普通空调向土壤排热，以7-12℃左右的冷水给建筑物制冷。其主要由四部分组成：（1）浅层地能采集系统；（2）水源热泵机组；（3）室内采暖空调系统；（4）控制系统。土壤源热泵的工作原理：1、内侧换热器2、压缩机3、四通换向阀4、室外侧换热器（大地盘管）5、节流阀6、贮液器7、截止阀8、风机图1土壤源热泵系统图图1示出土壤源热泵系统，夏季即制冷工况时，热泵工质在室内侧换热器的蒸发将室内余热取出，在室外侧换热器（大地盘管）中进行热量交换，将余热放至室外，室内空气得到了冷却；冬季即在制热工况时，四通换向阀转换方向，热泵工质在室外侧换热器（大地盘管）内蒸发而从室外吸取热量，在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。土壤源热泵以大地为热源和热汇，利用埋在地表浅层的换热器作为中间换热设备，冬季从大地取热，夏季向其放热。（1）浅层地能采集系统：是指通过水或加入防冻剂的水溶液将岩土体中的热量采集出来并输送给水源热泵机组，提供空调制冷/供暖使用，常用闭路系统。地下管道采集能源是热泵技术发展的最新技术成果。这一技术的理论构想产生于40年代，但是，直到最近几年，热泵技术设计上的革新和地下管道材料技术的发展，才使得以地热为能源的热泵技术，达到了商业化应用的最佳要求。到目前为止，地源热泵技术在经济和技术方面，已经成为与传统的供暖、制冷技术同时存在并在现实中应用的成熟技术。根据地下热交换器的布置形式，主要分为水平埋管和垂直埋管两种形式，其中垂直埋管（见图2）是目前国内地源热泵行业主推图2的一种形式。竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1~0.15m、埋管换热器间距为5~6m的钻孔或利用管桩，在钻孔或管桩中设置1组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40~200m.现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素，地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。垂直埋管土壤耦合热泵系统较水平系统有许多优点：占地面积小；土壤的温度和热特性变化小；土壤的温度和热特性变化小；泵耗能低；能效比高。地埋管的材质：土壤源热泵地埋管换热器采用化学稳定性好、耐腐蚀、热导率大、流动阻力小的塑料管材及管件。土壤的热传导率小而使埋管换热器的持续吸热率仅为20～40W/M，一般吸热率为25W/M左右。因此，当换热量较大时，埋管换热器的占地面积较大；地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤中的1/3，在胶状土中仅为它的1/10。目前，被应用于土壤源热泵地埋管的管材主要有聚乙稀（PE80或PE100）管和聚丁烯（PB）管，且管材和管件应为相同材料。聚氯乙稀（PVC）管由于热膨胀和土壤移位压力的能力较弱，不宜在地埋管换热器中采用。一般情况下，地埋管换热器一经埋入土壤中，就无法维护，因此在工程选材上，应采用符合国家标准，质量可靠的产品。管材的公称压力应符合1.0Mpa以上的国标规定。地埋管换热器的连接：为可靠起见，所有地下埋管的连接接头都必须采用热熔或者电熔的连接方法，而不得使用机械连接方法。地埋管换热器传热介质：工程应用中一般以水为传热介质的首选，其它传热介质还有氯化钠溶液、氯化钙溶液、乙二醇溶液、丙醇溶液、甲醇溶液、乙醇溶液等。在寒冷地区宜考虑这些溶液代替水，以提高防冻性能。研究和实践证明管道不会对自然环境有任何损害。平面铺设管道所挖的地沟宽度只有20厘米，当然这会暂时在草坪上留下一条裸露的地面，很容易用草籽或草皮修补。垂直铺设管道用地面积更小，对草坪没有太大的影响。（2）水源热泵机组：热泵以压缩机结构分：适用于大容量的多机头活塞式压缩机热泵、离心式压缩机热泵、螺杆式压缩机热泵；适用于小容量的半封闭活塞式压缩机热泵、，全封闭蜗旋式压缩机热泵、直流变频压缩机热泵。即，一种是小型机组，单机制冷量不大于25KW时，可吊装于顶内，不占用任何室内空间；一种是机组，单机制冷量一般都在几百KW以上，需安装在专门的机房内；还有一种是介于两者之间的，机组一般分散安装于建筑内部，不占用专门的机房空间，但需要占用一定的室内空间。热泵机组的组成，压缩机、冷凝器、蒸发器、四通阀(节流阀)或换向阀(只限于小容量的热泵)。热泵以新型制冷剂分：R407C、R410A、R134a新型绿色制冷剂代替R22。这样可以防止破坏大气中的臭氧层。（3）室内采暖空调系统：主要有风机盘管系统、地板辐射采暖系统、顶棚辐射制冷系统、水环热泵空调系统等形式。（4）控制系统：“傻瓜操作模式”的运行管理。2土壤源热泵系统的主要经济技术指标地埋管热泵工程打孔数量多，但孔浅，打孔费低——每延长米约50～80元。土壤源地源热泵系统，初投资约为300-480元/㎡（土壤源热泵初投资不但包括传统空调系统的地面上的管路及设备的费用，还要包括地面下的换热器的费用，而且还包括初期的勘测、钻孔、及地下管路敷设等费用。北方地区还要考虑防冻，水管要进行保温，也增加了初投资。机组约占整个系统的2/3多。一说，土壤源热泵技术热源初投资造价：黄河流域地区的华北平原，冬季和夏季冷热空调负荷需求基本处于平衡状态条件，地下土壤源温度场相对稳定。由黄河上下游、淮河和海河流域冲积而成的泥沙地质条件，适用的地下埋管比较经济，每瓦热源来源造价在

0.6—0.7元/w；岩层地质条件，

适用的地下埋管初投资比较昂贵，每瓦热源来源造价在1.5—2.0元/w。）。地源热泵系统静态投资增量回收期约4-10年不等。伴随着地源热泵技术逐渐推广应用，政府补贴的逐步完善，产业化规模的不断加大，生产厂家和集成商的逐渐增多，市场竞争逐渐加剧，地源热泵系统的初投资还会进一步降低，地源热泵系统成本应具有50-100元/平米左右的降价空间。采用埋管式地源热泵系统可大量降低运行费用，比传统冷水机组和空气源热泵少30%。地下埋管换热器无需除霜，没有结霜和融霜的能耗损失，节省了空气源热泵结霜、融霜所消耗的3％～30％的能耗；能效比（cop）一般为4—5，即投入1KW的电能可得到4以上的制冷或供热的能量。制热能耗量较其他采暖方式减少50-70%；制冷能耗量较其他制冷方式减少40-60%。地源热泵系统会为您节省大量的运行费用和维护费用，节省运行费用25～50%。如图3为土壤源热泵供热量转移示意图。对供热工况来分析，热泵提供热能E，其中与土壤换热量为E1，驱动能源耗量为E2，则E＝E1＋E2，即向室内供热量为E时，实际提供的高品位的用于驱动的能量（如电能）只有E2。作为地源热泵系统热量的来源（冬季）和热量的排放源（夏季）的土壤，深度在数米之下，全年温度基本恒定。也就是说，地源热泵系统工作时，热量传递的温差全年基本恒定，并且远远大于空气源热泵的传热温差。用另外一种说法就是，地源热泵的热量转移自然动力远大于空气源热泵，仅需要较少的外界能源即可实现热量的顺利转移。都图新3换土壤源热贝泵供热热孕量转移示醒意图洒(汽3)矩朴土壤源热俊泵的污染幅物排放，铜与空气源西热泵相比冠，相当于棚减阅少形4丹0茶％以上，周如果结合桨其它节能抚措施节能喉减排会更瑞明显。虽债然也采用敬制冷剂，骑但比常规吵空调装置剑减箭少哥2干5拍％的充灌倦量；属自桑含式系统堆，即该装凉置能在工衫厂车间内镇事先整装螺密封好，岔因此，制忙冷剂泄漏乡机率大为如减少堆。段

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