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1、地源熱泵中央空調(diào)是一種將熱量排入地表層或從地表層吸收熱量的中央空調(diào)，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的 系統(tǒng)。它的原理是在高位能的拖動(dòng)下，將熱量從低位熱源流向高位 熱源的技術(shù)。它可以把不能直接利用的低品位熱能 （ 如空氣、土壤、 水、太陽能、工業(yè)廢熱等 ） 轉(zhuǎn)化為可利用的高位能，從而達(dá)到節(jié)約部 分高位能 （ 煤、石油、天然氣、電能等 ） 的目的。能源與環(huán)保 是人類生存和發(fā)展的兩大主題，是全球關(guān)注的問題。節(jié) 約能源、保護(hù)環(huán)境是基本國策，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成 部分，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)已經(jīng)是全社會(huì)的共識(shí)。隨著我國建筑行業(yè)的 持續(xù)發(fā)展，減少建筑物采暖造成的大氣污染，降低中央空調(diào)系統(tǒng)
2、的 能耗，大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源，是 21 世紀(jì)我們追 求的目標(biāo)。眾所周知：中央空調(diào)系統(tǒng)的熱泵效率與建筑物室內(nèi)和室外環(huán)境的溫 差有關(guān)，溫差越小，熱泵的效率越高。有研究表明，從熱泵機(jī)組冬 季運(yùn)行中除霜的角度來看，空氣源熱泵的使用不但與室外溫度有關(guān)， 而且與室外大氣的相對(duì)濕度有密切關(guān)系，這大大限制了它的使用范 圍。采用地源熱泵系統(tǒng)，由于土壤的溫度比室外空氣溫度更接近室 內(nèi)的溫度，因此地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以比空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有 更高的效率和更好的可靠性。 此外，因?yàn)橄嗤w積流量水的熱容是 空氣的 3500 倍，水與制冷劑的換熱效果遠(yuǎn)好于空氣與制冷劑的對(duì)流換熱，因此地源熱泵的換熱盤管要
3、比空氣源熱泵小得多且地源熱泵 系統(tǒng)的構(gòu)件較少使其運(yùn)行費(fèi)用可以降低?？偟膩碚f，地源熱泵中央空調(diào)比傳統(tǒng)中央空調(diào)相比較有以下幾點(diǎn)優(yōu) 勢(shì)：1 ）高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低。 與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相 比，鍋爐供熱只能將 90% 以上的電能或 70 90% 的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化 為熱量供用戶使用，而地源熱泵提供給用戶的熱量中， 70% 的能量 來源于土壤， 30% 的能量來自電能，因此，它要比電鍋爐加熱節(jié)省 二分之一以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省三分之二以上的能量；由于 地源熱泵的熱（冷）源溫度較為穩(wěn)定，一般為 10 25 C （如北京地 區(qū)約為15 G上海地區(qū)約為18 C）,故無論是制熱還是制冷，與傳 統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)
4、（家用分體式和中央式）相比，其能源效率要高出 4050% 左右，而且，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，使能源利 用和室內(nèi)環(huán)境舒適度的協(xié)調(diào)達(dá)到最優(yōu)，從而在以人為本的前提下更 有效地節(jié)省能源。2）利用可再生能源，環(huán)保效益好。 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)所利用的地?zé)?資源是地表淺層中蘊(yùn)藏的低溫位熱能，地表淺層通常小于 400 米深， 隨著季節(jié)的變化而收集了 47% 的太陽能，這種地能超過人類日常利 用能量的 500 倍，是一種不受地域限制的取之不盡的可再生能源。 地源熱泵系統(tǒng)在供暖和制冷時(shí)，無燃燒、無排煙、無廢棄物，不用 遠(yuǎn)距離輸送熱量，也無任何氣體排放到大氣中，環(huán)境效益顯著，如 能得到廣泛應(yīng)用，則可大大降
5、低溫室效應(yīng)，減緩地球變暖進(jìn)程。3 ）運(yùn)行安全穩(wěn)定，可靠性高。 可由溫控器或遙控器對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行 控制，使室內(nèi)溫度按需要調(diào)節(jié)在設(shè)定的溫度范圍；空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)均 勻，噪音小、舒適性好；熱泵機(jī)組體積不大，可根據(jù)建筑物本身結(jié) 構(gòu)及用戶要求安裝在室內(nèi)或室外，省去了鍋爐房、冷卻塔、室外機(jī) 等室外設(shè)備，無儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等安全及衛(wèi)生隱患。 系統(tǒng)運(yùn)行可靠， 維修量極少，保證嚴(yán)寒和酷暑條件下正常運(yùn)行，熱泵機(jī)組使用壽命 在 20 年以上，地耦管壽命可達(dá) 70 年。4 ） 一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣 一套系統(tǒng)可供暖、制冷并供生活用熱水， 功能優(yōu)于原來的鍋爐加空調(diào)加熱水等幾套裝置；可針對(duì)賓館、飯店、 寫字樓、商場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校及住
6、宅小區(qū)等建筑物的不同面積和用戶 的不同需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可廣泛應(yīng)用于新建工程或擴(kuò)建、改建 工程項(xiàng)目。 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)包括水循環(huán)系統(tǒng)、土壤換熱裝置 （打井或埋設(shè)地耦管） 、室內(nèi)換熱裝置（風(fēng)機(jī)盤管或原暖氣片利用） 及整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的控制裝置，可根據(jù)用戶需要，因地制宜，量身定 做，選擇優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)施工；地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)由于比一 般普通中央空調(diào)多地埋管工程施工，所以一次性投資僅略高于普通 中央空調(diào)，系統(tǒng)投資價(jià)格一般為 600-700元/ ，但地源熱泵空調(diào) 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的一半左右， 2 年即可收回前期多投 資成本。由于地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的室外換熱系統(tǒng)全部埋的地表 以下，因
7、此，機(jī)組幾乎沒有任何維修成本，系統(tǒng)維護(hù)成本低。 地源 熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)一般由土壤熱泵空調(diào)機(jī)組、室內(nèi)末端設(shè)備和地下 埋管換熱器系統(tǒng)三部分組成。 地源熱泵空調(diào)機(jī)組是一種水冷式的供 冷/ 供熱機(jī)組。機(jī)組由封閉式壓縮機(jī)、同軸套管式水 /制冷劑熱交換 器、熱力膨脹閥（或毛細(xì)膨脹管） 、四通換向閥、空氣側(cè)盤管、風(fēng) 機(jī)、空氣過濾器、安全控制等所組成。機(jī)組本身帶有一套可逆的制 冷/ 制熱裝置，是一種可直接用于供冷 /供熱的熱泵空調(diào)機(jī)組。 在冬 季，地源熱泵系統(tǒng)通過埋在地下的封閉管道（稱為環(huán)路）從大地收 集自然界的熱量，而后由環(huán)路中的循環(huán)水把熱量帶到室內(nèi)。再由裝 在室內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)和熱交換器把大地
8、的能量集中， 并以較高的溫度釋放到室內(nèi)。在夏季，此運(yùn)行程序則相反，地源熱 泵系統(tǒng)將從室內(nèi)抽出的多余熱量排入環(huán)路而為大地所吸收，使房屋 得到供冷。尤如電冰箱那樣，從冰箱內(nèi)部抽出熱量并將它排出箱外 使箱內(nèi)保持低溫。 地源熱泵機(jī)組采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件 ,需要時(shí)各部件的修配 和更換很方便。因?yàn)樵O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并不需要高技術(shù)的操作工程人員的 服務(wù)。唯一需要經(jīng)常保養(yǎng)的是空氣過濾網(wǎng)和凝結(jié)水盤的清潔。 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，靈活、安裝快速。機(jī)組己在工廠組裝好并自帶溫度控制 裝置，現(xiàn)場(chǎng)工作只是少量低壓風(fēng)管、電氣連接裝置和不需要保溫的 水管的連接。管道可采用鋼管、銅管或塑料管。維修方便快捷，機(jī) 組結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，壽命長(zhǎng)久。熱泵機(jī)組的功率系
9、數(shù) （COP） 可達(dá)到 4 以上， 即1 千瓦電輸入，有 4千瓦多冷量輸出的高效率。 地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì) 豎直埋管的構(gòu)造 豎直式地?zé)釗Q熱器的構(gòu)造有多 種，主要有豎直 U 型埋管與豎直套管。豎直 U 型管埋管的換熱器采用 在鉆孔中插入 U 型管的辦法，一個(gè)鉆孔可以設(shè)置一組或二組 U 型管。 然后用封井材料把鉆孔填實(shí)，以盡量減小鉆孔中的熱阻，并防止地面污水流入地下含水層，鉆孔深度一般為 60100米。鉆孔之間的 配置應(yīng)考慮可利用的土地面積，兩個(gè)鉆孔之間的距離可在46米之間，管間距過小會(huì)影響換熱器效能?？紤]到我國人多地少的實(shí)際情 況，大多數(shù)時(shí)候，豎直埋管方式是唯一選擇。 采用豎直埋管的換熱器前，每個(gè)鉆
10、孔中可設(shè)置一組或兩組 U 形管。 盡管單 U 形埋管的鉆孔內(nèi)熱阻比雙 U 形埋管大 30% 以上，但實(shí)測(cè)與 計(jì)算結(jié)果均表明：雙U形埋管比單U形埋管僅可提高15%20%的 換熱能力，這是因?yàn)殂@孔內(nèi)熱阻僅是埋管傳熱總熱阻的一部分。鉆 孔外的巖土層熱阻，對(duì)雙 U 形埋管和單 U 形埋管來說，幾乎是一致的。 雙U形埋管管材用量大，安裝較復(fù)雜，運(yùn)行中水泵的功耗也相應(yīng)增 加。因此一般地質(zhì)條件下，多采用單 U 埋管。但對(duì)于較堅(jiān)硬的巖石 層，選用雙 U 形埋管比較合適，此時(shí)每米鉆孔費(fèi)用比每米 U 形管（包 括管件）費(fèi)用高很多，鉆孔外巖石層的導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，埋設(shè)雙 U 形 管，有效的減少了鉆孔的內(nèi)熱阻，使單位長(zhǎng)度
11、 U 形管的換熱能力明 顯提高，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)上分析都是合理可行的。另外采用雙 U 形埋管， 也是解決地下埋管空間不足的方法之一。豎直埋管的連接方式 地?zé)釗Q熱器各鉆孔之間既可采用串聯(lián)方式，也 可采用并聯(lián)方式，在串聯(lián)系統(tǒng)中只有一個(gè)流體通道，而在并聯(lián)系統(tǒng) 中流體在管路中可有兩個(gè)或更多的流道。并聯(lián)管路豎直式熱交換器與串聯(lián)管路豎直式的相比， U 形管管徑可 以更小，從而可以降低管路費(fèi)用、防凍液費(fèi)用；由于較小的管徑更 容易制作安裝，因此，可以減少人工費(fèi)用。 U 形管管徑的減小使鉆 孔孔徑也相應(yīng)減小，從而降低鉆孔費(fèi)用。并聯(lián)管路熱交換器中，同一環(huán)路集管連接的所有鉆孔的換熱量基本 相同；而串聯(lián)管路熱交換器中，每個(gè)
12、鉆孔的換熱量是不同的，因?yàn)?串聯(lián)的各個(gè)鉆孔傳熱溫差是不一樣的。采用串聯(lián)還是并聯(lián)取決于系 統(tǒng)大小，埋管深淺及安裝成本高低等因素。串聯(lián)系統(tǒng)較并聯(lián)系統(tǒng)采 用的管道管徑大，而大直徑管道成本也高。串聯(lián)系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)是具有單一流體通道和同一型號(hào)的管道，由于 串聯(lián)系統(tǒng)管路管徑大，因此對(duì)于單位長(zhǎng)度埋管來說串聯(lián)系統(tǒng)的熱交 換能力比并聯(lián)系統(tǒng)高。串聯(lián)系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)，首先該系統(tǒng)采用大管 徑管道，管內(nèi)體積大，需要較多防凍液，管道成本及其安裝費(fèi)用高 于并聯(lián)系統(tǒng)；管道不能太長(zhǎng)，否則阻力損失太大以及可靠性降低。 豎直埋管的換熱計(jì)算 1 .工程設(shè)計(jì)用的半經(jīng)驗(yàn)公式方法 由于地埋管換 熱器中的傳熱過程是三維非穩(wěn)定的傳熱，影響因素非
13、常復(fù)雜，很難 用簡(jiǎn)單的公式加以描述和概括，因此在實(shí)際工程中還廣泛采用以半 經(jīng)驗(yàn)公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，主要用來根據(jù)最大冷、熱負(fù)荷估算 地埋管換熱器所需埋管長(zhǎng)度。此外，即使是這種最簡(jiǎn)單的以半經(jīng)驗(yàn) 公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，因?yàn)槠渲蟹磸?fù)用到指數(shù)積分函數(shù)，對(duì)于 工程實(shí)際遇到的多孔的地埋管換熱器，實(shí)際的計(jì)算工作量也太大， 以至于也必須借助于適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行。2.地?zé)釗Q熱器及其概算概算指標(biāo)：是指單位負(fù)荷(或空調(diào)面積)所 需的地埋管量，或者單位地埋管量的熱交換能力。地?zé)釗Q熱器方案設(shè)計(jì)概算指標(biāo)地下深層未受干擾時(shí)的溫度與地理位置和距地面的深度有關(guān)。一般 地下15米左右的溫度大致等于當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄鶜鉁?，深度每增?0m，地溫約提高C。對(duì)豎直單U形埋管，單位孔深的換熱量可按30 60w/m 估算。雙U形埋管在此基礎(chǔ)上增大15%左右。地埋管 總量一定時(shí)，埋管所需地表面積主要取決于埋管深度和埋管間距。鉆孔深度一般取60100m。兩個(gè)鉆孔之間的距離一般在 46m之 間。管間距離過小會(huì)影響換熱器的效能。據(jù)此，U形埋管所需地表面積約為建筑空調(diào)面積的1/31/5。項(xiàng)目與數(shù)值每米孔深換熱量/ (w/m )建筑面積與地埋管面積之比土層巖土層巖石層土層巖土層巖石層豎直埋 管單U形 管3040405050603 : 14 : 15 : 1雙U形 管3648486060724 : 15 : 16 : 1
地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)解決方案
