地源热泵系统介绍

地源热泵系统介绍2.1地源热泵的概念当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应运而生，而开发浅层地热能的热泵空调系统正是满足这些要求的新兴中央空调系统。浅层地热能是赋存在地球表层岩土体或地表水中的低温地热资源，是一种新型的优质清洁能源，具有可再生、分布广、储量大、清洁环保、经济实惠、安全性强和可用性强等特点。它是地球浅表层数百米内（<200米）的土壤岩石和地下水中或地表水中所蕴藏的一种低温热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。与深层地热相比，浅层地热能分布广泛、储量巨大、再生迅速、采集方便、开发利用价值更大。主要采用热泵系统（包括地源热泵、水源2.2国家能源政策支持我国政府高度重视并鼓励浅层地热能的开发利用，先后出台了一系列国家政策。1）2005年2月28日2）2005年11月29日，国家发展和改革委员会制订并颁布了《中华人民共和国可再生能源产业发展指导目录》，“地热发电、地热供暖、地源热泵供暖或空调、地下热能储存系统”被列入重点发3）2006年8月，国家财政部发布《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》中明确提出“加强对可再生能源发展专项资金的管理，重点扶持燃料乙醇、生物柴油、太阳能、风能、地热能等的开发利用。”其中第二章有关“扶持重点”第七条中提出“在建筑供热、采暖和制冷的可再生能源开发利用，重点支持太阳能、地热能等在建筑物中的推广应用。”4）2007年1月，建设部发布《建设事业“十一五”重点推广技术领域》，确定了“十一五”期间九大重点推广技术领域，其中“建筑节能与新能源开发利用技术领域”中重点推广太阳能、浅层地热能、生物质能及其他能源利用技术；其中重点推广建筑节能改造技术：供热采暖制冷系统节能改造技术。5）2007年6月，国务院发布《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发[2007]15号），明确提出要“大力发展可再生能源，抓紧制订出台可再生能源中长期规划，推进风能、太阳能、地热能、水电、沼气、生物质能利用以及可再生能源与建筑一体化的科研、开发和建设，加强资源调查评价。6）2009年8月，为贯彻国务院关于节能减排战略部署，深入做好建筑节能工作，国家财政部、建设部联合发出《可再生能源建筑应用城市示范》的通知，以调整建筑用能结构为目的，以可再生能源城市级规模化应用为基本途径，以项目示范为重点，坚持不懈推进节能减排，提高可再生能源建筑应用比例，实现社会经济的可持续发展的目标。2.3地源热泵的优势1、属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于120米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低位热能。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，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。2、属经济有效的节能技术地能或地表浅层地热资源的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传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右,即投入1kw电能可以平均获得4.0kw以上的冷量或热量。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30％～40％的的运行费用。3、环境效益显著传统的中央空调以煤、石油、天然气等燃料为主要能源，众所周知这些能源在不断的减少，总有一天，会接近枯竭；而地源热泵中央空调以地下储存的热量为主要能源，这种能源取之不尽、用之不竭。煤、石油、天然气等燃料的价格逐年上升，而地热资源由于来源于太阳的无私奉献，完全免费。传统的中央空调以煤、石油、天燃气等燃料为主要能源，在消耗和转换的过程中，造成严重的环境污染。经权威部门测试，燃烧一吨原煤向空中排放15公斤粉尘，20公斤二氧化硫、7公斤氮化钾，而地源空调在使用中不释放任何对环境有害的污染物。4、一机多用，应用范围广地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。5、维护费用低在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，因此地源热泵是免维护空调，节省了维护费用，使用户的投资在3～5年左右即可收回。此外，机组使用寿命长，均在20年以上；机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。2.4地埋管式热泵系统简介地源热泵系统原理图地埋管式地源热泵分类地耦管土壤源热泵系统是一个密闭的闭路循环系统，它保持了地下水水源热泵利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。地耦管土壤源热泵系统从根本上解决了地下水水源热泵的种种弊端，是一种真正可持续发展的建筑节能的新技术，而且还具有适用范围广、运行费用低、节能和环保效益显著等优点。土壤源热泵系统中的土壤换热器埋管方式可分为：水平式土壤换热器，垂直U型式土壤换热器，垂直套管式土壤换热器，热井式土壤换热器，直接膨胀式土壤换热器。1）水平式土壤换热器

水平地埋管普遍使用在单相运行状态的空调系统中，一般的设计埋管深度在2～4米

水平式土壤换热器埋管方式垂直U型式土壤换热器埋管方式2）垂直U型式土壤换热器

垂直U型式土壤换热器是钻孔将U型管深埋在地下，因此与水平土壤换热器的比较具有使用地面面积小、运行稳定、效率高等优点。3）垂直套管式土壤换热器

换热器有内套管和外套管的闭路循环系统，水从外套管的上部流入管内，循环时，水沿外套管自上至下的流动，从外套管的底部经内套管上流到顶部出套管。

套管式土壤换热器适合在地下岩石深度较浅，钻深孔困难的地表层使用。通过竖埋单管试验，套管式换热器较U型管效率高20～25%。竖埋套管式孔距在3～5m，孔径在150～200mm，外套管直径Ф63～Ф90～Ф120mm，内套管直径Ф25～Ф32mm。

目前在欧洲的瑞典采用较多的套管式土壤换热器，如下图所示：

垂直套管式土壤换热器埋管方式热井式土壤换热器埋管地热换热器的传热性能在很大程度上依赖于土壤的热物理性质。由于岩土类型（包括粘土、砂石或岩土等）、岩土湿度在不同国家、不同地区、不同城市，甚至在同一城市的不同片区都互不相同。因此，设计和安装地热换热器有许多不确定的因素。这些不确定因素都不同程度地影响着地热换热器的传热性能，进而影响地源热泵空调系统的正常运行。设置在不同场合的竖直埋管地热换热器会涉及不同的地质结构，包括各地层的材质、含水量和地下水的运动等，这些必然会影响到地热换热器的传热性能和地源热泵空调系统的正常运行。在设计过程中应该尽可能地弄清楚这些因素对地热换热器性能的影响，包括进行必要的现场测试，土壤热物性最好在现场用专门的仪器进行测定。不同岩土热物性参数的单位井深换热量岩土类别热导率[W/(m·K)]比热容[J/(kg·K)]密度[kg/m3]单位井深换热量[W/m]页岩0.8358402046.933.79石灰岩0.984890.42281.939.31砂岩1.83810082616.863.78大理石3.4899243256.496.52由上表可以看出，钻孔地点的岩土物性参数对单位埋管换热量的影响非常大。因此，设计地源热泵前，掌握准确的岩土物性参数是非常必要的，研究表明，土壤的地源热泵的性能系数COP要比潮湿土壤的COP35%，当土壤储水量低于15%时随着含水量的降低，热泵的循环性能系统迅速下降。土壤含水量在25%以上，土壤源热泵的性能将会得到有效的提高，发含水量超过50%后，随着含水量的增加热泵循环性能系数提高的趋势减缓。土壤含水量从50%增加到100%,其COP仅增1.5%1、岩土体热物性参数有含水率、密度、饱和度、比热容、热导率根据测试，以上参数均以大者其换热效果好。而纯土壤、纯砂、土砂比分别为1：2及2：1的混合物四种不同的测试对象中，以土砂混合比为1：2的热导率最大，因此若在土壤中的换热器的回填土采用土砂混合比例1：2的土砂混合物，可以提高埋地换热器周围的局部换热量。地埋管的敷设现在常用的地埋管形式，由于受场地的限制，大多工程采用垂直埋管方式。序号项目内容序号项目内容1地埋管类型垂直地埋管8循环液平均流速De32,>0.6m/s水平地埋管De25,>0.4m/s2换热器材料PE1009PE管连接热熔3换热器形式De32单U形管电熔De25双U形管10地下换热影响因素土壤热物性4垂直埋管间距4～6m土壤温度特性5埋管井深50～180m地下水渗流6回填材料种类原浆回填钻孔内热阻混合料钻孔回填材料7循环液水乙二醇水溶液盐溶液不同地区地源热泵设计注意事项地源热泵的使用具有很强的地域性，南方、北方、中原地区各不相同，南方地下温度较高，北方地下温度较低，而南方以制冷为主，向地下排放热量大于吸热量。北方以采暖为主，从地下吸收的热量大于排热量，形成地下热量不平衡的矛盾。要解决地下热平衡问题需做到如下几点：首先是对拟建项目进行全年动态负荷计算，这是设计地下埋管换热器大小的依据，对于北方地区，可以按照夏季冷负荷设计土壤换热器的尺寸，对于南方地区，可以按照冬季向土壤的吸热量来计算换热器的尺寸大小。系统设计前掌握和了解地下埋管换热器周围土壤温度场的分布，借助于数学和工程软件，对埋管周围的土壤温度场分布进行数值模拟，有利于合理设计地下换热器的埋深、数量及间距，对提高热泵系统的性能系数和经济性，降低系统初投资具有重要意义。对存在冬夏两季从土壤中吸排热不平衡的地区，应对地源热泵系统辅以其它冷热形式来平衡埋管换热器需要多向土壤吸取的热量。而南方地区，平衡夏季向土壤排热量可以采用辅助冷却塔散热、利用建筑周围的景观喷泉或者地表水来消除峰值负荷。另外就是选取带热回收功能的机组，通过利用制冷机的冷凝废热来制取生活热水而减少了系统对土壤的热排放，也能起到缓解土壤热平衡的目的。及时对各个地区已建土壤源热泵工程的设计和系统运行情况进行数据和经验总结，分析土壤源热泵技术在各个地区应用的气候、土壤地质条件，从而为后期的工程应用提供技术参考。地热换热器方案设计概算指标项目与数值每米孔深换热量/(W/m)建筑面积与地埋管面积之比土层岩土结合岩石层土层岩土结合岩石层竖直埋管单U形管30～4040～5050～603：14：15：1双U形管36～4848～6060～724：15：16：1XX地源热泵工程技术流程在工程确定采用地源热泵或甲方有意图采用地源热泵工程时，我方将派专业技术人员进行现场勘查，确定是否有足够范围供埋管使用。在工程确定采用地源热泵或甲方有意图采用地源热泵工程时，我方将派专业技术人员进行现场勘查，确定是否有足够范围供埋管使用。现场勘查现场勘查热物性实验热物性实验不同工程所在地的地质状况不同，为保证系统长期稳定运行，须打测试孔测定单孔换热量。根据工程面积的大小，我方确定试验孔的个数。不同工程所在地的地质状况不同，为保证系统长期稳定运行，须打测试孔测定单孔换热量。根据工程面积的大小，我方确定试验孔的个数。软件计算模拟拟软件计算模拟拟方案初步确定将测试孔的数据输入“地热之星”模拟计算软件。模拟计算出单井换热量及土壤在方案初步确定将测试孔的数据输入“地热之星”模拟计算软件。模拟计算出单井换热量及土壤在15年后的热物性平衡状态。通过以上三步方案确定，最终确定工程的地源热泵系统方案。方案论证通过以上三步方案确定，最终确定工程的地源热泵系统方案。方案论证方案修改方案修改在工程实施阶段我公司将派出专业安装队伍，严格按照标准、规范执行，确保工程质量。工程实施在工程实施阶段