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地源熱泵係統介紹添加時間:2018-10-30
  地源熱泵
  
  地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源(如電能)實現由低品位熱能向高品位熱能轉移。通常地源熱泵消耗1kWh的能量,用戶可以得到4.4kWh以上的熱量或冷量。
  
  "地源熱泵"的概念,最早在1912年由瑞士的專家提出,而這項技術的提出始於英、美兩國。北歐國家主要偏重於冬季采暖,而美國則注重冬夏聯供。由於美國的氣候條件與中國很相似,因此研究美國的地源熱泵應用情況,對我國地源熱泵的發展有著借鑒意義
  
  熱源
  
  地源熱泵已成功利用地下水、江河湖水、水庫水、海水、城市中水、工業尾水、坑道水等各類水資源以及土壤源作為地源熱泵的冷、熱源。
  
  組成部分
  
  地源熱泵供暖空調係統主要分三部分:室外地源換熱係統、地源熱泵主機係統和室內末端係統。
  
  主要特點
  
  (1)地源熱泵技術屬可再生能源利用技術。由於地源熱泵是利用了地球表麵淺層地熱資源(通常小於400米深)作為冷熱源,進行能量轉換的供暖空調係統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能,是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限製,真正是量大麵廣、無處不在。這種儲存於地表淺層近乎無限的可再生能源,使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。
  
  (2)地源熱泵屬經濟有效的節能技術。其地源熱泵的COP值達到了4以上,也就是說消耗1KWh的能量,用戶可得到4KWh以上的熱量或冷量。
  
  (3)地源熱泵環境效益顯著。其裝置的運行沒有任何汙染,可以建造在居民區內,沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地,且不用遠距離輸送熱量。
  
  (4)地源熱泵一機多用,應用範圍廣。地源熱泵係統可供暖、空調,還可供生活熱水,一機多用,一套係統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或係統;可應用於賓館、商場、辦公樓、學校等建築,更適合於別墅住宅的采暖。
  
  (5)地源熱泵空調係統維護費用低。地源熱泵的機械運動部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內,從而避免了室外的惡劣氣候,機組緊湊、節省空間;自動控製程度高,可無人值守。
  
  由以上的特點可以看出,地源熱泵技術以後可得到廣泛的應用。
  
  然而,地源熱泵要實現製冷製熱,則需要給它提供動力來輸送製冷製熱管道中的循環水,傳統機房可提供動力,但施工起來比較複雜,難度高,周期長,采購的材料種類多,需庫存,漏水隱患大等等問題,針對這些問題,市場上開發了一款新型的動力輸配係統設備——-節能空調機房。此機房係統是將傳統機房中的所有部件進行集成模塊化,實行一體化安裝的模式。不僅在施工難度上大大降低了,而且無需庫存,漏水隱患大大降低了,還能與主機進行無限聯動等等,由此可以看出,節能空調機房實為一款為暖通行業提供一整套的解決方案。
  
  總而言之,節能空調機房、水力平衡分配器、多功能水箱與地源熱泵的結合為整個暖通係統增加亮點,同時在安裝上便捷了很多。施工時間、采購周期都大大縮短了,人工成本也將低了等等。由此可見節能空調機房與地源熱泵的配合是未來暖通行業必然的發展趨勢。
  
  形式
  
  水源/地源熱泵有開式和閉式兩種。
  
  開式係統:是直接利用水源進行熱量傳遞的熱泵係統。該係統需配備防砂堵,防結垢、水質淨化等裝置。
  
  閉式係統:
  
  是在深埋於地下的封閉塑料管內,注入防凍液,通過換熱器與水或土壤交換能量的封閉係統。閉式係統不受地下水位、水質等因素影響。
  
  1、垂直埋管——深層土壤
  
  垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50-150米深處,一組或多組管與熱泵機組相連,封閉的塑料管內的防凍液將熱能傳送給熱泵,然後由熱泵轉化為建築物所需的暖氣和熱水。垂直埋管是地源熱泵係統的主要方式,得到各個國家的政府部門大力支持。
  
  2、水平埋管——大地表層在地下2米深處水平放置塑料管,塑料管內注滿防凍的液體,並與熱泵相連。水平埋管占地麵積大,土方開挖量大,而且地下換熱器受地表氣候變化的影響。
  
  3、地表水
  
  江、河、湖、海的水以及深井水統稱地表水。地源熱泵可以從地表水中提取熱量或冷量,達到製熱或製冷的目的。利用地表水的熱泵係統造價低,運行效率高,但受地理位置(如江河湖海)和國家政策(如取深井水)的限製。
  
  可再生性
  
  地源熱泵是一種利用土壤所儲藏的太陽能資源作為冷熱源,進行能量轉換的供暖製冷空調係統,地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。地表土壤和水體是一個巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽輻射能量,比人類每年利用的500倍還多(地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量);它又是一個巨大的動態能量平衡係統,地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散相對的平衡,地源熱泵技術的成功使得利用儲存於其中的近乎無限的太陽能或地能成為現實。
  
  高效節能
  
  地源熱泵機組利用土壤或水體溫度冬季為12-22℃,溫度比環境空氣溫度高,熱泵循環的蒸發溫度提高,能效比也提高;土壤或水體溫度夏季為18-32℃,溫度比環境空氣溫度低,製冷係統冷凝溫度降低,使得冷卻效果好於風冷式和冷卻塔式,機組效率大大提高,可以節約30——40%的供熱製冷空調的運行費用,1KW的電能可以得到4KW以上的熱量或5KW以上冷量。
  
  與鍋爐(電、燃料)供熱係統相比,鍋爐供熱隻能將90%以上的電能或70~90%的燃料內能為熱量,供用戶使用,因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能,比燃料鍋爐節省約二分之一的能量;由於地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定,一般為10~25℃,其製冷、製熱係數可達3.5~4.4,與傳統的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,其運行費用為普通中央空調的50~60%。因此,近十幾年來,地源熱泵空調係統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展,中國的地源熱泵市場也日趨活躍,可以預計,該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。
  
  優點
  
  環境和經濟效益顯著
  
  地源熱泵機組運行時,不消耗水也不汙染水,不需要鍋爐,不需要冷卻塔,也不需要堆放燃料廢物的場地,環保效益顯著。地源熱泵機組的電力消耗,與空氣源熱泵相比也可以減少40%以上;與電供暖相比可以減少70%以上,它的製熱係統比燃氣鍋爐的效率平均提高近50%,比燃氣鍋爐的效率高出了75%。
  
  一機多用,應用廣泛
  
  地源熱泵係統可供暖、空調製冷,還可提供生活熱水,一機多用,一套係統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或係統,特別是對於同時有供熱和供冷要求的建築物。地源熱泵有著明顯的優點。不僅節省了大量的能量,而且用一套設備可以同時滿足供熱、供冷、供生活用水的要求,減少了設備的初投資,地源熱泵可應用於賓館、居住小區、公寓、廠房、商場、辦公樓、學校等建築,小型的地源熱泵更適合於別墅住宅的采暖、空調。
  
  維護費用低並可無人值守
  
  地源熱泵係統運動部件要比常規係統少,因而減少維護,其係統不是埋在地下就是安裝在室內,不暴露在風雨中,機組緊湊、節省空間,也可免遭損壞,更加可靠,延長壽命。自動控製程度高,可無人值守、遠程管理,無需雇傭人員看管。
  
  汙染小
  
  地源熱泵的汙染物排放,與空氣源熱泵相比,相當於減少38%以上,與電供暖相比,相當於減少70%以上,真正的實現了節能減排節能減排是減少能源浪費和降低廢氣排放更多。
  
  維護簡單
  
  地源熱泵係統運動部件要比常規係統少,因而減少維護,係統安裝在室內,不暴露在風雨中,也可免遭損壞,更加可靠,延長壽命。
  
  壽命長
  
  地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管,壽命可達50年,要比普通空調高35年使用壽命。
  
  維持生態環境平衡
  
  地源熱泵夏天把室內的熱量排到地下,冬天把地下的熱量取出來供室內使用,相對來說,向環境排放更少的能量,維持生態環境的平衡。
  
  節省空間
  
  沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設備,省去了鍋爐房,冷卻塔占用的寶貴麵積,產生附加經濟效益,並改善了環境外部形象。
  
  地源熱泵係統的能量來源於自然能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的"綠色空調"。被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷係統。該係統無論嚴寒地區或熱帶地區均可應用。可廣闊應用在辦公樓、賓館、學校、宿舍、醫院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。
  
  工作原理
  
  在自然界中,水總是由高處流向低處,熱量也總是從高溫傳向低溫。人們可以用水泵把水從低處抽到高處,實現水由低處向高處流動,熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置,工作時它本身消耗很少一部分電能,卻能從環境介質(水、空氣、土壤等)中提取4-7倍於電能的裝置,提升溫度進行利用,這也是熱泵節能的原因。
  
  地源熱泵是熱泵的一種,是以大地或水為冷熱源對建築物進行冬暖夏涼的空調技術,地源熱泵隻是在大地和室內之間"轉移"能量。利用極小的電力來維持室內所需要的溫度。
  
  在冬天,1千瓦的電力,將土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室內。在夏天,過程相反,室內的熱量被熱泵轉移到土壤或水中,使室內得到涼爽的空氣。而地下獲得的能量將在冬季得到利用。如此周而複始,將建築空間和大自然聯成一體。以最小的低價獲取了舒適的生活環境。
  
  熱泵原理
  
  熱泵機組裝置主要有:壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥四部分組成,通過讓液態工質(製冷劑或冷媒)不斷完成:蒸發(吸取環境中的熱量)→壓縮→冷凝(放出熱量)→節流→再蒸發的熱力循環過程,從而將環境裏的熱量轉移到水中。壓縮機(Compressor):起著壓縮和輸送循環工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用,是熱泵(製冷)係統的心髒;蒸發器(Evaporator):是輸出冷量的設備,它的作用是使經節流閥流入的製冷劑液體蒸發,以吸收被冷卻物體的熱量,達到製冷的目的;冷凝器(Condenser):是輸出熱量的設備,從蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走,達到製熱的目的;膨脹閥(ExpansionValve)或節流閥(Throttle):對循環工質起到節流降壓作用,並調節進入蒸發器的循環工質流量。根據熱力學第二定律,壓縮機所消耗的功(電能)起到補償作用,使循環工質不斷地從低溫環境中吸熱,並向高溫環境放熱,周而往複地進行循環。
  
  熱泵分類
  
  熱泵是需要冷凝器的熱量,蒸發器則從環境中吸熱,此時從環境取熱的對象稱為熱源;相反製冷是需要蒸發器的冷量,冷凝器則向環境排熱,此時向環境排熱的對象稱為冷源。
  
  蒸發器冷凝器根據循環工質與環境換熱介質的不同,主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。熱泵根據與環境換熱介質的不同,可分為:水—水式,水—空氣式,空氣—水式,和空氣—空氣式共四類。利用空氣作冷熱源的熱泵,稱之為空氣源熱泵。空氣源熱泵有著悠久的曆史,而且其安裝和使用都很方便,應用較廣泛。但由於地區空氣溫度的差別,在我國典型應用範圍是長江以南地區。在華北地區,冬季平均氣溫低於零攝氏度,普通空氣源熱泵不僅運行條件惡劣,穩定性差,而且因為存在結霜問題,效率低下、新出了一款超低溫空氣源熱泵專門針對華北地區的,超低溫空氣源熱泵穩定性好,效率高,具有高效除霜功能。利用水或地熱作冷熱源的熱泵,稱之為地源熱泵。水和地熱是一種優良的熱源,其熱容量大,傳熱性能好,一般地源熱泵的製冷供熱效率或能力高於空氣源熱泵,但地源熱泵的應用常受到水源或地熱的限製。
  
  地源熱泵係統按其循環形式可分為:閉式循環係統、開式循環係統和混合循環係統。對於閉式循環係統,大部分地下換熱器是封閉循環,所用管道為高密度聚乙烯管。管道可以通過垂直井埋入地下150-200英尺深,或水平埋入地下4-6英尺處,也可以置池塘的底部。在冬天,管中的流體從地下抽取熱量,帶入建築物中,而在夏天則是將建築物內的熱能通過管道送入地下儲存;¨對於開式循環係統,其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源,在以與閉式循環相同的方式與建築物交換熱量之後,水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點;對於混合循環係統,地下換熱器一般按熱負荷來計算,夏天所需的額外的冷負荷由常規的冷卻塔來提供。
  
  工作原理
  
  地源熱泵則是利用水與地能(地下水、土壤或地表水)進行冷熱交換來作為地源熱泵的冷熱源,冬季把地能中的熱量"取"出來,供給室內采暖,此時地能為"熱源";夏季把室內熱量取出來,釋放到地下水、土壤或地表水中,此時地能為"冷源"。
  
  左圖為開式地源熱泵係統。右圖為冬季地源熱泵供暖原理圖。
  
  空氣源水源土壤源
  
  係統類型
  
  1。水平式地源熱泵
  
  通過水平埋置於地表麵2~4M以下的閉合換熱係統,它與土壤進行冷熱交換。此種係統適合於製冷供暖麵積較小的建築物,如別墅和小型單體樓。該係統初投資和施工難度相對較小,但占地麵積較大。
  
  2。垂直式地源熱泵
  
  通過垂直鑽孔將閉合換熱係統埋置在50M~400M深的岩土體與土壤進行冷熱交換。此種係統適合於製冷供暖麵積較大的建築物,周圍有一定的空地,如別墅和寫字樓等。該係統初投資較高,施工難度相對較大,但占地麵積較小。
  
  3。地表水式地源熱泵
  
  地源熱泵機組通過布置在水底的閉合換熱係統與江河、湖泊、海水等進行冷熱交換。此種係統適合於中小製冷供暖麵積,臨近水邊的建築物。它利用池水或湖水下穩定的溫度和顯著的散熱性,不需鑽井挖溝,初投資最小。但需要建築物周圍有較深、較大的河流或水域。
  
  4。地下水式地源熱泵
  
  地源熱泵機組通過機組內閉式循環係統經過換熱器與由水泵抽取的深層地下水進行冷熱交換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。此係統適合建築麵積大,周圍空地麵積有限的大型單體建築和小型建築群落。
  
  應用方式
  
  地源熱泵的應用方式從應用的建築物對象可分為家用和商用兩大類,從輸送冷熱量方式可分為集中係統、分散係統和混合係統。
  
  家用係統
  
  用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送係統進行冷熱供應,多用於小型住宅,別墅等戶式空調。
  
  集中係統
  
  熱泵布置在機房內,冷熱量集中通過風道或水路分配係統送到各房間。
  
  分散係統
  
  用中央水泵,采用水環路方式將水送到各用戶作為冷熱源,用戶單獨使用自己的熱泵機組調節空氣。一般用於辦公樓、學校、商用建築等,此係統可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上,便於計量,適用於獨立熱計量要求。
  
  混合係統
  
  將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的係統,混合係統與分散係統非常類似,隻是冷熱源係統增加了冷卻塔或鍋爐。
  
  製冷原理
  
  在製冷狀態下,地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功,使其進行汽-液轉化的循環。通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的蒸發將室內空氣循環所攜帶的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環的同時再通過冷媒/水熱交換器內冷媒的冷凝,由水路循環將冷媒所攜帶的熱量吸收,最終由水路循環轉移至地下水或土壤裏。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中,通過冷媒-空氣熱交換器,以13℃以下的冷風的形式為房供冷。
  
  製熱原理
  
  在製熱狀態下,地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功,並通過四通閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環吸收地下水或土壤裏的熱量,通過冷媒/水熱交換器內冷媒的蒸發,將水路循環中的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的冷凝,由空氣循環將冷媒所攜帶的熱量吸收。地源熱泵將地下的熱量不斷轉移至室內的過程中,以35℃以上熱風的形式向室內供暖。
  
  發展前景
  
  美國:是世界上地源熱泵生產、使用和發展的頭號大國,
  
  1985年:美國安裝的地源熱泵為14,000台;
  
  1997年:45,000台;
  
  2000年:400,000台;
  
  2004年:670,000台;
  
  2005年:1,000,000台。
  
  加拿大:2005年地源熱泵係統新增比例增加了50%。
  
  瑞士、挪威:是世界上地源熱泵應用人均比例高的國家,應用比例高達96%。
  
  奧地利:應用比例為45%。
  
  丹麥:應用比例為35%。
  
  日本:是亞洲地源熱泵技術最先進,使用比例最高的國家。
  
  中國(China)1997年,美國能源部(DOE)和中國科技部簽署了《中美能效與可再生能源合作議定書》,其中主要內容之一是"地源熱泵"項目的合作。
  
  1998年,國內重慶建築大學、青島建工學院、湖南大學、同濟大學等數家大學開始建立了地源熱泵實驗台,對地源熱泵技術進行研究。
  
  2006年,1月,國家建設部頒布《地源熱泵係統工程技術規範國家標準》。
  
  2006年,9月,沈陽被國家建設部確定為地源熱泵技術推廣試點城市,到2010年底,實現全市地源熱泵技術應用麵積約占供暖總麵積的1/3。
  
  2006年,12月,建設部發布文件《"十一五"重點推廣技術領域》。作為新型高效,可再生能源新技術的水源熱泵技術被列入目錄。
  
  地源熱泵是一種利用地球表麵淺層水源(地下水、海水、河水和湖水等)或地下土壤熱源的低品位熱源,通過熱泵、製冷循環,製取冷量供夏天空調使用、製取熱量供冬天取暖使用。
  
  地源熱泵製熱要比常規的電製熱或燃油、燃氣製熱經濟,通常製取相同的熱量,地源熱泵的耗電量隻有電熱耗電量的1/4到1/5。因此,地源熱泵市場廣闊。
  
  "十二五"期間,中國預計將完成地源熱泵供暖(製冷)麵積3.5億平方米左右,屆時整個地熱能開發利用的市場規模總計將超過700億元。
  
  能源局等4部委發布促進地熱能開發利用指導意見〔2013〕48號
  
  到2015年,基本查清全國地熱能資源情況和分布特點,建立國家地熱能資源數據和信息服務體係。全國地熱供暖麵積達到5億平方米,地熱發電裝機容量達到10萬千瓦,地熱能年利用量達到2000萬噸標準煤,形成地熱能資源評價、開發利用技術、關鍵設備製造、產業服務等比較完整的產業體係。
  
  到2020年,地熱能開發利用量達到5000萬噸標準煤,形成完善的地熱能開發利用技術和產業體係。
  
  存在問題
  
  目前地源熱泵的技術存在的最大不足是"土壤熱不平衡"的問題。南方地區以供冷為主,常年向地下注入熱量;而北方地區冬季供暖需求大,從土壤中大量吸熱,長年運行後將導致土壤溫度失衡,影響周圍生態。
  
  夏熱冬冷地區的夏季供冷量往往大於冬季供熱量,多出的熱量可通過冷卻塔散去,也可通過餘熱回收係統,用於供應生活熱水,從一定程度上緩解土壤熱不平衡的問題。
  
  其次,地源熱泵應用會受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響;一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同;采用地下水的利用方式,會受到當地地下水資源的製約;打井埋管受場地限製比較大,必須有足夠的麵積用於打井和埋管;設計及運行中對全年冷熱平衡有較大要求,要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。
  
  執行標準
  
  產品標準
  
  《水源熱泵機組》GB/T19409-2003
  
  《蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組》GB/T18430.1-2001
  
  《製冷和供熱用機械製冷係統安全要求》GB9237-2001
  
  《冷水機組能效限定值及能源效率等級》GB19577-2004
  
  設計標準
  
  《公共建築節能設計標準》GB50189-2005
  
  《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》GB50736-2012
  
  《室外給水設計規範》GB50013
  
  工程標準
  
  《地源熱泵係統工程技術規範》GB50366-2009
  
  《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》CJJ101
  
  《給水排水管道工程施工及驗收規範》GB50268
  
  《通風與空調工程施工質量驗收規範》GB50243