（环境科学专业论文）铁路沿线建筑利用地源热泵技术采暖制冷的适宜性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t ：n o w a d a y s ，e n e t g ys a v i n go f b u i l d i n g si sap r o b l e mn o t i c e db yp e o p l ea l l a r o u n dt h ew o r l d t om e e tt h ee v e r o i n e r e a s i n gd e m a n df o re l l l e l g ya n da p p e a lf o r e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , r e n e w a b l ee n e r g ys o l l r c 燃肿p l a y i n g 蛆i m p o r t a n tr o l ei n c h i n a a sar e v o l u t i o m t yt e c h n o l o g y , g e o t h e r m a lh e a tp u m p ( g h p ) i su s e dw i d e l yi n t h eh v a cf i e l da th o m ea n da b r o a d e n e r g yc o n s u m p t i o no ft h er a i l w a yi nc h i n a i s b e c o m i n gas e r i o u sp r o b l e m f o ro n et h i n g , t h er a n g eo f h e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o na l o n g t h er a i l w a yi sw i d e rt h a nb e f o r e , b u tt h et r a d i t i o n a lw a yo f h e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o nh a s al o to fd i s a d v a n t a g e s ；f o rt h eo t h e rt h i n g , t h ep a r t i c u l a r i t yo ft h eb u i l d i n g sa l o n gt h e r a i l w a y sp r o p o $ 1 。m u c hm o r ed e m a n d st ot h eh e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o ns y s m m t h r o u g h t h er e s e a r e l aa n da n a l y s i so fs e v e r a la s p e c t s ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h eg e o t h e r m a lh e a t l x l m p 湖p e r f e c t l ys a t i s 匆t h ed e m a n do f h e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o no f t l a eb u i l d i n ga l o f a g t h er a i l w a y s t h i sp a p e rm a i n l yn l y s e st h ef e a s i b i l i t ya n dt e c l m i e a t ic o n d i t i o mo f a p p l y i n gt h et e c h n o l o g yi nt h eb u i l d i n g sa l o n gc h i n e r a i l w a yl i n e s b a s i cr e s e a r c hi s d o n et os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt y p e so fg i t p ，a sw e l la st h ev a r i e t i e so f 舻o t l a e r m a le n e r g ya l o n gt h er a i l w a y t h ed e s i g na n d t h eo 咖筐巾n x 翩i n l 吐h o di ss t u d i e d t os h o wt h et o e l m i e a la d v a n t a g e s t h eb e n e f i to fe m , i r o n m e n m lp r o t e c t i o na n de n e r g y s a v i n gi s a l s og i v e na t t e ra n a l y s i so ft h er u n n i n gc o n d i t i o n so ft h et h r e ep r o j e c t si n d i f f e r e n ta r e a s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep o l i c i e sa n dc r i t e r i o n so ft h et e c h n o l o g yi n c l a i m , s e v e r a ls u g g e s t i o m 骶p r o p o s e da b o u tf a c i l i t a t i n gt h eu t i l i z a t i o no fg i - i pi n c h i l l e s l er a i l w a y k e y w o r i o s ：g e o t h e r m a lh e a tp u m p ；b u i l d i n g sa l o n gt h er a i l w a y ；e n e r g ys a v i n g ； f e a s i b i l i t y c l a s s n 0 ：t u 9 6 + 2 ：6 2 1 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名： 罗呼导师签名：枷习一 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：1 年) 月幻日 致谢 本论文的工作是在我的导师杨成永教授的悉心指导下完成的，杨成永教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 杨成永老师对我的关心和指导。 杨成永教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向杨成永老师表示衷心的谢意。 杨成永教授、白明洲教授、王连俊教授对于我的科研工作和论文都提出了许 多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文序 序 2 0 0 5 年9 月，受中铁创业节能技术有限公司委托，由我校完成“铁路沿线建 筑利用地源热泵技术的适宜性研究”这部分工作。在杨成永教授的指导下，基于 之前所掌握的暖遁空调基础知识，本人开始了对地源热泵空调技术的研究。 前期研究工作包括查阅相关中英文文献和政策法规，对地源热泵技术基本原 理、设计方案和施工方法的研究，对铁路沿线建筑采暖制冷现状的研究，由此， 提出对铁路沿线建筑应用地源热泵技术的必要性，分析地源热泵技术在铁路沿线 应用的适用条件，并提出推广该技术的建议。课胚完成之后，对项目的工程数据 进行了分析，并且继续研究了地源热泵技术的发展情况。 本论文总结了以上课题内容，对于发展地源热泵技术的思考和建议也归纳其 中。论文完成过程中，得到了学院、教研室老师和同学们的支持，给本人提供了 很大帮助。在此谨致谢意。由于水平有限，对于地源热泵技术还有些问题有待进 一步研究，本论文难免出现不完善和不妥之处，垦请各位老师和同学以及专业技 术人员批评指正 北京交通大学 罗垮 2 0 0 7 年1 2 月于北京 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 随着经济的飞速发展，全球的能源消耗量正在不断增长。能源问题已成为困 扰各国发展的重要因素。在全球能量总消耗中，建筑物的能量消耗占4 5 。其中， 供暖与空调所消耗的能量是建筑物能量消耗的主要部分。在我国，夏季制冷、冬 季采暖所消耗的能量己占建筑物总能耗的3 0 - - 5 0 ，单位建筑面积采暖能耗相当于 气候条件相近的发达国家的2 3 倍。城镇化建设的加快，人们居住、办公环境的改 善，使得建筑空调技术的普及应用给人们带来舒适的同时，也带来了巨大的能源 消耗压力。 我国是世界上最大的能源消费国之一，也是最大的煤炭生产和消费国之一。 煤炭在能源消费结构中占有很大比例，这使我国能源消费结构不合理。随着我国 工业化和城镇化进程的加快，尤其是工业和交通运输的快速发展，我国对石油的 需求量也正不断加大。如何改善能源消费结构，保障能源供应安全，成为我国需 要迫切解决的重大战略问题。2 0 0 4 年，我国燃煤消费量已达到1 8 7 亿吨，占一次 能源消费总量的6 6 7 。由此带来的环境污染问题日益突出：2 0 0 3 年，我国因燃 煤所造成的二氧化硫排放总量已高达2 1 2 0 吨，居世界第一位，全国仅有l 3 的城 市空气质量达到国家二级标准，7 3 的被检测城市年均降水p h 值小于5 6 ，9 2 的被检测城市降水出现酸雨。而二氧化碳捧放量的增加随，也相应促成了温室效 应的形成，给全球气候变暖产生了严重影响 面对建筑采暖、制冷所带来的一系列能源消耗和环境保护压力，人们一直在 探索一条利用可再生能源的新途径。地源热泵技术的问世，引起了世界范围内的 广泛关注，并得到了迅速应用和推广。 地源热泵( g e o t h e r m a lh e a tp u m p - g h p ) 是一种利用地下浅层所吸收的太阳能和 地热资源( 或简称地能) 的既可供热又可制冷的高效节能环保空调设备。通过输入 少量的高品位能源( 如电能) ，即可实现热量从低温热源向高温热源的传递。地能 在冬季和夏季分别作为高温热源和低温热源。在冬季，将地能中的热量“取”出 来，提高温度后供给室内采暖：在夏季，把室内的热量“提”出去，释放到土壤 或地下水中去。此外，它还能供应生活热水，可实现一机多用。地源热泵空调系 统以最清洁的能源，较少的一次投入，最经济的运行成本，发挥一机多用的优异 特性，解决了人们生活中的三大基本需求：冬季供暖、夏季制冷和提供生活热水。 地源热泵技术目前被世界各国公认为是一项以节能和环保为特征的，实施2 l 实际 可持续发展战略的重要技术措施。 我国铁路行业是能源消耗的重点行业。铁路系统的采暖、制冷范围很广，现 北京交通大学硕士学位论文 绪论 仍基本沿用传统的供热制冷方式，在能源利用效率上还存在较大差距，给环境保 护带来了巨大压力。一方面，冬季供热系统中矿物燃料的燃烧产生大量的污染物。 包括s 0 2 、n o x 等有害气体以及c 0 2 等温室效应气体。尤其是铁路企业、运输系 统中燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染，对人们的 健康形成了威胁；另一方面，由于我国铁路线长、点多，沿线众多车站，工务、 电务领工区、工区大部分使用传统锅炉采暖，耗煤量大、供热效率低；夏季空调 制冷耗能高，造成供电紧张。此外，由于煤碳价格、运输、供应等问题，增加了 成本支出，也给铁路职工的生活带来了不便。因此，亟需寻找一种可持续发展的 建筑节能新技术应用于铁路系统，地源热泵技术因其节能、环保的优越性成为当 之无愧的首选。 本论文主要研究了地源热泵空调系统的工作原理和特点；简述了地源热泵在 国内外的发展现状；研究了地源热泵空调系统设计与施工工艺方法；根据工程项 目现场采集数据，分析了地源热泵系统的环保、节能效益；研究了不同类型地源 热泵的特性和铁路沿线不同冷热源的分布状况，然后对铁路沿线利用地源热泵技 术进行采暖制冷的适宜性进行了初步研究。同时，根据我国的技术政策和规范， 对地源热泵技术在我国铁路沿线的应用推广提出了存在的问题和相关建议。 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术介绍 2 地源热泵技术介绍 2 1地源热泵技术简介 地源热泵( g e o t h e r m a l h e a tp u m p - g h p ) 是一种利用地下浅层地热资源( 包括地 下水、土壤或地表水等) 的既可供热又可制冷的高效节能环保型空调系统。通过输 入少量的高品位能源( 如电能) ，即可实现热量从低温热源向高温热源的传递。地 能在冬季和夏季分别作为离温热源和低温热源。在冬季，将地能中的热量“取” 出来，以3 0 - 4 0 ( 2 左右的热风形式供给室内的热用户；在夏季，把室内的热量“提” 出来，释放到地层中去，以1 0 - - 1 7 ( 3 左右的冷风形式给建筑物制冷。此外，它还能 供应生活热水，可实现一机多用。 目前国际上有两种地源热泵技术路线：土气型地源热泵技术和水一水型地源热 泵技术。土气型地源热泵技术以美国的技术为代表，水一水地源热泵技术以北欧的 技术为代表。前者从浅层土壤或地下水中取热或向其捧热，通过分散布置于各个 房闯的地源热泵机组直接转换成热风或冷风为房间供暖或制冷；后者是从地下水 中取热或向其排热，经过热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过布置在各个房 间的风机盘管转换成热风或冷风给房间供暖或制冷。 地源热泵技术的最大优点是节能、无污染、运行费用低、空气质量高。通常， 地源热泵消耗l k w 能量，用户可得到4 k w 以上的热量或冷量。供暖时，7 0 以上的 能源来源于土壤中的能量，3 0 , 以下的能源来源于电能，用它替代冬季采暖锅炉， 至少可减排温室气体7 0 以上；制冷时，要比普通空调节能4 0 - - 6 0 ，运行费用 降低4 0 以上。它对地下热源没有特殊的要求，从气候区上看，从寒冷的黑龙江到 炎热的海南岛都可使用。在利用地下水时，只向水中排热或吸热，并不用水，所 抽取的地下水全部回灌地下；热泵从浅层常温土壤中取热或向其排热，浅层土壤 之热能来源于太阳能，它永无枯竭，是一种可再生能源。地源热泵系统的运行不 向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种理想的“绿色技术”。 夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，地源熟泵系统换热效率都很高。在 产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，冬季运行时不需要任何 辅助热源和除霜，大大地减少了电能消耗和除霜的损失，从而达到节能的目的， 其耗能仅为普通中央空调加锅炉系统的5 0 0 一6 0 。一套地源热泵系统可代替原来 的锅炉加制冷机的两套装置或系统，其结构紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省 了建筑空间，也有利于建筑的美观。另外，由于地源温度较恒定的特性，使得热 泵机组运行更可靠，稳定，整个系统的维护费用也较锅炉一制冷机系统大大减少， 3 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术介绍 保证了系统的高效性和经济性。 热泵机组由温控器对其进行恒温控制，根据室内人员的增减及室外阳光直射 等负荷的变化来控制机组的启停，将室内温度始终恒定在设定的温度范围内，既 达到制冷或供热的舒适效果又可避免能源的浪费，使能源的利用和室内环境的舒 适程度的协调得到最优化。地源热泵系统还可以根据客户需要，分区、分房间控 制，达到节能效果。因此，系统不仅节省运行费用，而且便于分层、分区以及分 户进行控制、计量，从而实现最大的节能。 2 2地源热泵技术国内外发展状况 2 2 1 地源热泵技术在欧美的发展状况 。地热源热泵”概念最先于1 9 1 2 年由瑞士人z o e l l y 提出。1 9 4 6 年，美国开始 对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成了第一个地源热泵系统它的成功运 行，引起了世界各国的极大关注，开始广泛应用于办公楼、宾馆、公寓的供暖、 制冷和提供生活热水。由于近年来能源问题日趋严重，促使地源热泵的应用持续 升温。在美国、加拿大和北欧等国家和地区，地源热泵已经是一种非常成熟的完 全商业化技术，形成了从制造商、工程商到培训机构、技术开发机构、专业管理 机构等一整套完整的产业体系，并建立了国际地热泵协会( 1 g s 加知吣、美国地源热 泵工业联合会( g h p c ) 等。 据1 9 9 9 年统计，为家用的供热设备中，地源热泵所占比例在瑞士为9 6 ，奥 地利为3 8 、丹麦为2 7 。美国是目前应用地源热泵最多的国家。在美国，1 9 8 5 年全国共有1 4 万台地源热泵，仅1 9 9 7 年就安装了4 5 万台，1 9 9 8 年其商业建筑 中地源热泵系统己占空调总保有量的1 9 ，其中在新建建筑中占3 0 ，到2 0 0 1 年 4 月为止共安装了4 0 多万台。美国使用地源热泵系统的场所当中，学校是最普遍 和最有效的最终用户。研究人员调查发现，使用了地源热泵系统的学校，比使用 传统空调方式的学校节约能源达2 6 。美国e p a 的总结报告显示，2 0 0 0 年一年当 中，全美的学校使用g s h p 系统节省的能源总量，相当于2 5 0 0 万元美元，减少了 大约5 亿磅的废气捧放。假设全美的学校都用上地源热泵系统，估计其每年将减 少进口石油6 1 0 0 万桶，创造的环保效能相当于新种植8 0 0 万英亩树林，或者减少 4 0 0 万辆汽车所排放的废气。至2 0 0 5 年，美国的地源热泵的安装已经超过1 0 0 万 套。在过去的几年，每年的成长速度均超过2 5 。其中2 0 0 5 年成长约为5 0 。而 2 0 0 5 年加拿大的地源热泵市场几乎翻了一番，这其中的动因当然是目前的能源价 格上升。美国政府极其重视这项节能环保技术的推广。为表示对该技术的支持， 北京交通大学硕士学位论文地源热泵技术介绍 美国总统布什在其得克萨斯州的别墅安装了地源热泵系统前副总统戈尔也选用 地源热泵为他的庄园提供暖气和热水。到目前为止，推进的动力当中仍有相当一 部分是政策的扶持和政府的导向。在美国和加拿大，已经可以看到更多的地源热 泵在提供建筑空调，供暖和热水以外的服务。如桥梁的桥面防冻，农业和水产养 殖，冷库等。 美国能源部和美国环境保护署在1 9 9 7 年投入l 亿美金，用于支持地源热泵的 发展。这个五年计划通过技术研发、培训、示范工程、宣传与市场推进、公共认 知等方面的努力，极大地帮助了美国的地源热泵企业，尤其是中小企业。目前资 金投入已经结束，但由该资金而诞生的机构，美国地源热泵工业联合会( g h p c ) 仍 然在起作用，并且转入更深层次的服务。除了对公众的帮助以外，联合会还直接 参入执行美国最大能源消费州，纽约州、加利福利亚州和依利诺依州的新能源计 划。2 0 0 5 年，联合会和加拿大政府达成协议，由加拿大政府投入1 0 5 0 万美元资 金，成立了加拿大地源热泵联合组织( c a n a d ag e o e x c h a a g ec o a l i t i o n ) 。 除了g h p c 以外，在美国推动地源热泵的另一个功不可没的机构是美国联邦 能源管理项目( f e m p ) 。这是一个对联邦设施提供顾问咨询的机构，主要依托的是 美国橡树岭国家实验室专家。这个机构直接参与的地源热泵项目达4 0 0 0 余个，并 且规模和技术都超过一般水平。 美国地源热泵技术的发展以土壤源为主，在中、北欧，以水源及土壤源热泵 的研究与应用比较多，如瑞典、瑞士、奥地利、丹麦等国家在瑞典。地源热泵 的应用初期，瑞典政府采取了一定的补贴政策。1 9 9 0 年以后，政府取消补贴政策， 但地源热泵的安装速度仍然逐年递增，目前瑞典已经安装地源热泵系统2 3 万套， 其中约5 万套为土壤源热泵系统。瑞士是世界上地源热泵应用人均比例最高的国 家。其中土壤源热泵系统所占比例越来越高，至1 9 9 8 年，土壤源热泵系统已经占 有地源热泵安装市场的7 0 0 , 6 以上，总数达2 0 万台以上，号称世界上土壤源热泵系 统密度最大的国家。瑞士地源热泵总装机容量的增加一直延续至今，呈直线上升 状态。奥地利是一个独立发展地源热泵技术的国家，地源热泵的生产技术和安装 技术自成体系。据1 9 9 5 年资料统计，土壤源热泵系统占地源热泵安装的6 5 以上。 另外，奥地利政府对地源热泵安装及其环境评价采取了最严格的发证制度。德国、 荷兰、挪威等国家的地源热泵在市场上也有一定的占有率。到1 9 9 8 年度底为止， 整个欧洲使用地源热泵近1 2 万台，总装机容量近1 3 0 0 m w ，每年可提供1 9 5 0 g w h 的热量，相当于2 3 2 9 x 1 0 6n m 3 的天然气供热量。近几年，这些国家正致力于地源 热泵系统的安装指导方针、性能控制等方面研究。 日本、韩国等亚洲国家也正在进行大规模的研究和推广工作。日本的热泵制 造技术是相当不错的，水水式供暖热泵的数量也名列世界前茅，年产量达到4 0 0 北京交通大学硕士学位论文地源热泵技术介绍 万台。但是由于日本有丰富的热水资源，而日本的土地使用费用相当昂贵，所以 作为住宅供暖制冷的地源热泵系统还比较少见，而主要供应给冰蓄热采暖制冷系 统和水箱式采暖供冷系统。一些市政建设项目和公益性建筑( 如医院、养老院、道 路等) 曾利用地源热泵做供暖制冷、热水供应、道路融冰等综合性服务，效果颇佳。 从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，美国则更注重冬 夏联供。由于美国气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况对 地源热泵在我国的发展有着重要的借鉴意义。2 0 0 5 年美国商务部和密苏里大学在 北京成立的环境和能源技术联合办公室( e t o ) ，将国际地源热泵协会在中国的工作 纳入其计划之中，以使得北美在过去长期的摸索中所积累的在地源热泵上的技术 和经验能够通过0 6 年1 0 月的注册安装师培训、技术交流以及研讨等活动，能够 对在中国这个前景非常广阔的市场上工作的中国工程师们有所帮助。表2 1 给出 了2 0 0 0 年一些国家应用地源热泵系统的具体数据。 衰2 - 12 m e 年各国应用地潭热泵系统情况 1 曲2 1t h ed e t a i l so f g h pu t i l i z a t i o ni nd i f f e r e n ts t a t e s 总装机容量年利用能量供燕量，年当量台蠡 国家 实际台敦 m w t t j y rg w h y r ( 1 2 k w 为一台) 澳大利亚 2 45 7 61 6 o2 0 0 02 0 0 0 奥地利z 撼 1 0 9 4 3 9 1 9 ol 姗 保加利亚1 3 3 1 6 24 5 01 6 l 1 0 8 加拿大 3 6 08 9 12 4 7 53 ) 0 03 0 0 0 0 芬兰8 0 54 8 41 3 4 51 0 0 06 7 驱 法国4 82 5 57 0 8 1 2 0 4 0 0 0 德国3 4 4 1 1 4 9 3 1 9 21 8 0 0 02 8 6 6 7 立陶宛 2 15 9 8 8 1 6 6 3 1 3 1 7 5 0 荷兰1 0 85 7 41 5 99 0 09 波兰 2 6 21 0 8 33 0 14 0 0 02 1 8 3 瑞典3 7 74 1 2 81 1 4 6 85 5 0 0 03 1 4 1 7 瑞士5 0 01 9 8 05 5 02 l o o o4 1 6 6 7 美国4 8 0 01 2 0 0 03 3 3 3 63 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 合计6 8 7 5 42 3 2 8 6 96 4 5 3 15 1 2 6 7 85 7 2 9 4 9 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术介绍 2 2 2 地源热泵技术在我国的发展状况 我国对地源热泵技术的研究始于上世纪8 0 年代天津大学和天津商学院。由于 我国能源价格的特殊性以及其他一些因素的影响，地源热泵的应用推广较为缓慢。 9 0 9 代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优 势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。 1 9 9 5 年，中国国家科技部与美国能源部( d o e ) 共同签署了中华人民共和国国家 科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域 合作协议书。并于1 9 9 7 年1 1 月，又签署了合作协议书的附件六 关于地热能利 用合作协议书，正式将地源热泵冷暖空调技术引入中国。 1 9 9 8 年是我国在地源热泵发展领域的一个里程碑。1 1 月，中、美两国专家共 同制定并通过了美国土气型地源热泵技术在中国合作推广计划书。根据计划 内容，在我国北方寒冷气候区、中部长江流域温带气候区、南方亚热带气候区， 各建设一座美国土气型地源热泵示范工程。2 0 0 0 年上半年，三座示范工程陆续在 北京、宁波、广东建成并投入运行。工程运行效果良好，并列入十五国家重点 技术推广计划和十五国家科技攻关计划) 。与此同时，科技部委托的中国企业 公司正在将美国的地源热泵技术及设备引进中国市场，这将促进我国地源热泵技 术的市场化、产业化发展，并使我国地源热泵的研究开发尽快跟上国际潮流。 从1 9 9 8 年开始，国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。其中，重庆建 工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置；青岛建工 学院建设了聚乙烯直地源热泵装置；湖南大学建设了水平埋管地源热泵实验装置。 1 9 9 9 年，同济大学建设了垂直地源热泵装置等：2 0 0 0 年，山东建筑工程学院成立 地源热泵研究所，成为我国首个以地源热泵技术为研究目标的科研机构：2 0 0 4 年 北京工业大学地热供暖示范工程通过验收。同时，我国也形成了一批提供热泵技 术、产品和服务的厂家，如北京恒有源科技发展有限公司、山东富尔达公司、清 华同方、富莱克斯、上海开利、中科能、东宇制冷、山东荷泽热泵厂等。还有一 批从事地源热泵技术设计的单位。在北京地区，掌握地源热泵技术的系统集成商 大约有2 0 多家。这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取 得了很大的进展，加快了我国发展地源热泵技术的步伐。 目前，我国的地源热泵事业已开始起步，并且发展势头良好。作为新型能源 的代表，地源热泵受到我国各级政府的高度重视，许多地方政府也把发展地源热 泵技术作为发展本地经济的一个契机。最近5 年，该项技术成为国内建筑节能及 暖通空调界热门的研究课题，并开始大量应用于工程实践。自1 9 9 6 年至今，北京、 山东、河南、辽宁、河北、江苏、浙江、湖北、上海、西藏等地均建成了地源热 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术介绍 泵工程，全国地源热泵系统的应用估计超过2 0 0 0 万平方米，地源热泵技术正被越 来越多的人所了解。至2 0 0 4 年底，北京已有5 0 0 多万平方米的建筑利用地源热泵 系统供暖与制冷，大的建筑物如金四季购物中心( 11 8 0 0 0 m 2 ) ，小的建筑物如海淀外 国语学校体育馆( 4 0 0 0 m 2 ) 。在应用形式上，地源热泵技术正在向多样化的方向发展。 部分工程采用了结合蓄冰技术、太阳能利用、城市其它能源联供等方式，通过寻 求不同能源的互相补充，达到节约能源、节约成本、安全供应能源的目的。 我国以地下水为地热来源的热泵应用最多，最大单项工程使用建筑面积已达 1 6 万平方米：土壤源地源热泵发展最快，最大单项工程使用建筑面积已达1 3 万平 方米。在一些沿海地区，开始了海水源热泵新技术的推广。最近，国家发改委联 合建设部确立了大连作为我国第一个海水源热泵技术规模化应用示范城市。按照 国家建筑节能实施方案要求，示范城市在“十一五”期间，系统的供热、供 冷面积要达到5 0 0 万平方米以上。示范内容包括水源热泵供热、供冷和相关的技 术研发集成及产业化。 我国政府正大力倡导热泵空调节能技术的推广建设部已将地源热泵技术列 为2 0 0 5 建筑业十项新技术之一。北京市发改委等七部门在今年6 月下发了关于 发展热泵系统的指导性意见的通知，对在本市内建设的各类项目，选用地源热 泵供暖、制冷系统的给予一次性补助。地源热泵还成为北京2 0 0 8 年奥运会的指定 空调方式，投入到“绿色奥运”的建设中。铁道部非常重视地源热泵在铁路系统 的开发和应用，在转发国务院办公厅关于开展资源节约活动的通知) ( 铁办 【2 0 0 4 1 6 3 号) 文件中，明确提出了“要采用地源热泵空调技术替代燃煤、燃油、燃 气等传统采暖、制冷设备”的要求。在铁路“十一五”节能规划中，地源热 泵技术被认为是节能技术改造十大措施之一。相信在充分学习借鉴国外先进技术 和运行经验的基础上，在各级铁路管理部门的有力支持下，我们完全有能力在不 长的时间内开创具有中国特色的铁路行业应用地源热泵技术的新局面。 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术研究 3 地源热泵技术研究 3 1地源热泵空调系统阐述 统。 地源热泵空调系统主要由三大部分组成( 见图3 1 ) ： 1 室外能量采集系统；2 机房能量转换提升系统；3 室内末端散( 集) 热系 室外能量采集系统 室内末端散( 集) 热系统 图3 _ l 地源热泵空调系统组成示意图 f i g 3 - 1b k 呻由m a po f - g h ps y s 扯m 室外能量采集系统主要提取地下的能量，为热泵机组提供冷、热源；机房能 量转换提升系统主要将所采集的地下能量，通过热泵机组工作后进一步提升( 降低) 温度，送至室内末端散( 集) 热系统；室内末端散( 集) 热系统主要将通过热泵机组 提升( 降低) 的温度散发到室内，达到供暖或制冷目的 3 2地源热泵空调系统工作原理 地源热泵系统由水循环系统、热交换器、热泵机组和控制系统等部分构成。 循环期间，一般有如下3 个必需环路和1 个可供选择的生活热水环路： 制冷剂环路，将热量从一处传递到另一处去的封闭加压环路。在该环路的 蒸发环节，压缩机推动制冷剂在回路里循环； 地下环路，水或防冻剂溶液在地表之下循环的封闭加压环路。冬季从周围 土壤吸收热量，夏季向它们放出热量。这些液体通过一台低功率的循环泵进行循 环； 空气环路，把已调节好的空气分配到建筑物中去的环路。送风机将空气送 到空气分布系统，根据各区域的热损失或得热，分配到特定的区域； 生活热水环路，将水从生活热水箱送到过热蒸汽冷却器去进行循环。这个 环路里的水也是通过一台低功率循环泵进行循环。 北京交通大学硕士学位论文地源热泵技术研究 ( 1 ) 冬季供暖模式 冬季采暖时，8 - - 1 5 的地下水( 井水或地耦管内的水) 经循环管路输送至热泵 机组中的蒸发器后，温度降至3 一1 0 返回地下( 回水井或地耦管) 。蒸发器将地下 水中温差为5 左右的热能提取出来后，通过制冷剂传入压缩机中。由电能驱动的 压缩机将低温制冷剂中携带的低温能量压缩成为高温制冷剂中携带的高温能量， 产生高温气体。这种高温气体通过制冷剂传递到冷凝器中，释放出冷凝潜热并加 热冷凝器另一端循环管路中的水，产生4 5 - - , 5 5 的热水，再通过室内末端的风机盘 管等向室内送热风。 在供热循环中，热量输人主要包括土壤热能、热泵压缩机能量；热量输出包 括空间供热和生活热水，如图3 - 2 所示。 田3 - 2 地源热泵空调系统冬季供暖示意图 f i g 3 - 2f i r e t c hm a po f ah e a t i n gg h ps y l 她, i ni nw i n t e r ( 2 ) 夏季制冷模式 夏季制冷时，1 0 - - 1 5 的地下水( 井水或地耦管内的水) 经循环管路输送至热泵 机组中的冷凝器后，温度升至2 5 3 5 返回地下( 回水井或地耦管) 。冷凝器将室内 的热量及压缩机的高温排气热量传递到地下水中，变成高温液体，由节流装置将 高温液体制冷剂膨胀成为低温气体制冷剂并吸收汽化潜热。通过蒸发器换热使另 一端的水循环管路，产生弘1 2 的冷水，再通过室内末端风机盘管向室内送冷风。 如图3 - 3 所示。 在制冷循环中，热量输人主要包括建筑物得热、压缩机能量；热量输出包括 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术研究 生活热水和排向土壤的废热。若需加热生活热水，出压缩机的热气体可被用来预 热生活热水，并被送到水换热器中，其余的热量则被排向土壤。供热循环和制冷 循环可通过可逆式换向阀，即改变制冷剂流向来进行调节。 图3 - 3 地源热泵空调系统夏季翻冷示意图 f i g 3 - 3s k e t c hm a po f ar e f r i g e 咖i n gg i - i ps y s t e mi n8 u m m a 3 3地源热泵空调系统分类与特性 根据a s h r a e 的规定，按照地源热泵所利用冷热源的形式，可将地源热泵分 为土壤耦合式热泵、地下水源热泵和地表水热泵。 3 3 1 土壤耦合式热泵系统 土壤耦合热泵系统( g r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p ，g c h p ) 是以地表浅层的土壤 作为热源的地源热泵系统。又称地下耦合式热泵系统，也可直接称为“地源热泵”。 它通过导流液体( 水或防冻液) 在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的 传热。地下埋管由性能良好的金属管或塑料管( 如p e 聚乙烯管) 组成管路系统，称 之为地耦管能量系统。其主要敷设方式为垂直敷设和水平敷设。导流液体经地耦 管由上至下，在流动的过程中吸收导管四周的土壤热量，传给热泵装置的蒸发器， 再通过热泵由冷凝器供给热量分配系统。地耦热泵空调系统的室外管路与室内管 路形成自闭回路，整个系统在全封闭状态下工作。一次性注入定量的水或冷冻液 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术研究 后，基本上无需补充。 土壤耦合热泵系统的优点是系统不受地下水量的影响，对地下水无破坏或污 染作用，系统运行具有高度的可靠性和稳定性。地耦管的平均使用寿命可达5 0 年， 地面上可种花草树木，铺设各种路面及健身运动场地，地下供热系统将保持永久 性正常运行。该系统的主要缺点有： 管壁传热温差的存在，将使运行效率有所影响； 埋地换热器受土壤性质影响较大。连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温 度易受土壤温度变化的影响而发生波动； 土壤导热系数小而使埋地换热器的持续吸热速率小，导致埋地换热器的面 积较大，如平面布置的埋地换热器的面积约为房间面积的2 倍左右； 热泵的热交换效果受土壤类型、含湿量、成分、密度和是否均匀紧贴换热 面等因素影响； 地耦管的材料和当地沙土及地下水的腐蚀作用也会影响传热效果及其使用 寿命。 土壤耦合热泵地耦管的敷设形式有垂直、水平、盘形等，其中双管式垂直敷 设方法使用较为广泛，即将地耦管弯成u 型垂直插入土壤中，插入深度在3 0 m 8 0 m 左右( 随地质、水文条件而变化) 。 ( 1 ) 水平地耦管换热器形式( 如图3 4 所示) ： 水平地耦管埋管方式主要有单回路、多回路、螺旋式三种 图3 - 4 水平敷设地耦管示意图 f i g 3 - 4ah o r i z o n t a lg c h p8 y s t c m 北京交通大学硕士学位论文地源热泵技术研究 ( 2 ) 垂直地耦管换热器形式： 根据埋管方式不同，垂直埋管又可分为3 种形式：单u 型管、双u 型管、套管 型( 如图3 5 ) 。图3 6 所示即为一组典型的u 型垂直敷设地耦管。 单u 形管双u 形管 i n g l eu - t y p et i l b e d o u b l eu - t y p et u b e 圈3 _ 5 垂直敷设地耦管两种埋管形式 f i g 3 - 5t w o 睁芦o f v c 而c a lc , c h pl o 叩 图3 _ 6 典型垂直敷设地耦管回路 f i g 3 - 6am o d e lo f av e r t i c a lg c 肿l o o p 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术研究 3 3 2 地下水源热泵系统 地下水源式热泵( g r o u n d w a t e r h e a t p u m p ，g w h p ) 是以地下深井水作为低位热 源来进行供热或制冷的开放式系统。地源热泵通过换热器与由水泵抽取的深层地 下水进行热交换，再排入或加压泵入地下水层中。由于地下深井水位于较深的地 层中，因隔热和蓄热的作用，水温随季节气温变化较小。该系统具有系统简便易 行，综合造价低，水井占地面积小，可以满足大面积建筑物的供暖空调的要求等 优点。既适用于中小型建筑，又适用于大型建筑。 常规的地下水热泵系统使用的多为浅井，井深 5 0 m ，从使用地下水的方式看， 通常可分为井沟渠型和井井两种类型。前者只有一口( 组) 抽水井，从井中抽出的 地下水流经蒸发器( 或冷凝器) 放出( 或吸收) 热量后直接排入沟渠或另作它用，不 再灌回地下：后者则包括一口( 组) 抽水井和一口( 组) 回灌井。通常将抽水井置于 回灌井下游，并保持一定距离。从抽水井抽出的地下水，使用后经回灌井灌回地 下。 然而，地下水热泵系统需要有丰富、稳定、优质的地下水。目前，国内地下 水回灌技术尚未成熟，很难将其全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。 此外，回灌后要保证地下水层不受污染也是一个重要的问题由于对环保和使用 地下水的规定和立法越来越严格，地下水热泵系统的应用正逐渐受到控制。 1 ) 深井回灌式 通过建造抽水井将地下水抽出。经过热泵机组换热器提取或释放热量后，再 通过回灌井返回地下，靠井水流动换热，如图3 7 。 图3 - 7 深井回漕式地下水源热泵系统示意图 f i g 3 - 7s k e t c hm a po f ad o u b l e - w e l lt t f i c i a lr e c h a r g eg w h i s y s t e m 北京交通大学硕士学位论文 地源热泵技术研究 ( 2 ) 单井回灌式 单井回灌即利用同一口井抽水并回灌( 图3 8 ) 。采用单井回灌应具备以下条件： 一是地下水量需足够大，二是地下水流动性要好，三是要有足够的井深目前， 该方法应用较少。 图3 - 8 单井回漕式地下水源热泵系统示意图 f i g 3 - 7s k e t c h m a p o f a s i n g l e - w e u t i f i c i a lr e c h a r g e g w h ps y , m e m 3 3 3 地表水热泵系统 地表水热泵系统( s u r f a c e - w a t e rh e a tp u m p 。s w h p ) 的热源是池塘、湖泊或河川 等地表水。热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式。开式循环是 用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液换热后再排入水体。其缺点是水质 较差时在换热器中产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。更常用的地 表水热泵系统采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过 盘管与水体换热，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。 地表水热泵系统亦具有系统简便易行，初期投资较低等优点。但它在一定程 度上会受到自然条件的限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，当环境 温度越低时热泵的供热量越小，使得热泵的性能系数有所降低。一定的地表水体 能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需根据具体情况进 行计算。地表水热泵系统的利用，在取水结构和处理方面要进行较多的研究，需 花费一定的投资。 北京交通大学硕士学位论文地源热泵技术研究 图3 - 9 地表水地源热泵系统示意图 f i g 3 - 9as w h ps y s t e m 目前，国外还有一种高效换热地源热泵系统，也称单管型垂直埋管地源热泵 ( s t a n d i n gc o l u m nw e l lh e a t p u m p s s c w ) ，或称“热井”。该系统只需要通过一1 ：3 井的水循环即可满足建筑物的冷热负荷( 较大的项目需要多口单井满足负荷要 求) ，比较适合于岩层离地面比较近的地区。高效换热地源热泵系统通过钻入岩石 的深孔，将水引入孔的最深处，水在岩石孔中循环，直接与周围1 5 2 0 的浅层地 热能进行高效率的热交换。系统比土壤耦合热泵系统的换热量要高出3 巧倍之多 此外，根据应用的建筑物对象不同，地源热泵可分为家用和商用两大类，家 用系统即用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用 于小型住宅、别墅等户式空调；商用系统中，用户使用集中的热泵、地源和水路 或风管输送系统进行冷热供应，多用于写字楼、商场、宾馆等商用型建筑的空调。 根据输送冷热量方式不同，又可分为集中系统、分散系统和混合系统。集中 系统中，热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间； 分散系统使用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独 使用自己的热泵机组调节空气。此系统可将用户使用的冷热量完全反映在用电上， 便于计量，适用于目前的独立热计量要求，一股用于办公楼、学校、商用建筑等； 混合系统将地源热泵和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，与分散系 统类似，只是冷热源系统增加冷却塔或锅炉。 北京交通大学硕士学位论文地源热泵空调系统特点研究