地源热泵的论文.doc

地源热泵 班级：建环093班 姓名：陶欢 学号：200901638摘要 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（亦称地能，包括地下水、土壤或地表水等）既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低位热能向高位的转移。地源热泵系统应用情况调查研究分析报告显示，地源热泵已经受到广泛关注，不同所有制形式企业都参与到其开发、应用之中，尤以中小项目居多，中国地源热泵产品生产厂家已经超过80家。地源热泵在我国长江黄河流域等广大对冷热都有需求的地区，具有较高适用性，在我国有很好的应用前景。关键字：地源热泵 原理 应用及分析 国内发展及分析一、地源热泵简介1.地源热泵概述地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，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空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低位热能向高位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。 2.地源热泵的发展地源热泵的概念，最早于1912 年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。 北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的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，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。目前，地源热泵已成功利用地下水、江河湖水、水库水、海水、城市中水、工业尾水、坑道水等各类水资源以及土壤源作为地源热泵的冷、热源。美国（America）：世界上地源热泵生产、使用和发展的头号大国。1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。 1973年，美国阿克拉荷马大厦安装了地源热泵空调系统，并且进行全面的系统研究。 1978年，美国能源部（DOE）开始对地源热泵投入了大量的科技研发基金。 1979年，美国阿克拉荷马州能源部成立了地源热泵系统科技研发基金会。 1987年，国际地源热泵协会（IGSHPA）在阿克拉荷马州大学成立。 1988年，美国俄克拉荷马商务部开始对地源热泵进行商务推广。 1993年，美国环保署（EPA）大力宣传地源热泵系统，加深美国民众对地源热泵的认识。 1994年，美国政府第一套地源热泵空调系统在俄勒冈州国会大学安装，地源热泵从此在美国政府，军队，电力公司等得到了大量应用。 1998年，美国环保署（EPA）颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国总统布什在他的得克薪斯州宅邸中也安装了地源热泵空调系统。 目前，全球75%的地源热泵系统安装在北美地区。 1985年：美国安装的地源热泵为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年地源热泵系统新增比例增加了50%。 瑞士、挪威：是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，应用比例高达96%。 奥地利：应用比例为45%。 丹麦：应用比例为35%。 日本：是亚洲地源热泵技术最先进，使用比例最高的国家。 中国（China）1997年，美国能源部（DOE）和中国科技部签署了中美能效与可再生能源合作议定书，其中主要内容之一是“地源热泵”项目的合作。 1998年，国内重庆建筑大学、青岛建工学院、湖南大学、同济大学等数家大学开始建立了地源热泵实验台，对地源热泵技术进行研究。 2006年，1月，国家建设部颁布地源热泵系统工程技术规范国家标准。 2006年，9月，沈阳被国家建设部确定为地源热泵技术推广试点城市，到2010年底，实现全市地源热泵技术应用面积约占供暖总面积的1/3。 2006年，12月，建设部发布文件“十一五”重点推广技术领域。作为新型高效，可再生能源新技术的水源热泵技术被列入目录。 二、主要特点1.优点（1）环境和经济效益显著地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%。 （2）一机多用，应用广泛地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，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，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。 （3）自动运行地源热泵机组由于工况稳定，可以设计成简单的系统，部件较少，机组运行可靠，维护费用用低，自动控制程度高，使用寿命长。 （4）无环境污染地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少38%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排。 （5）维护费用低地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。 （6）使用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年,要比普通空调高35年使用寿命。 （7）维持生态环境平衡地源热泵夏天把室内的热量排到地下，冬天把地下的热量取出来供室内使用，相对来说，向环境排放更少的能量，维持生态环境的平衡。 （8）节省空间 没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。2.不足目前地源热泵的技术存在的最大不足是“土壤热不平衡”的问题。南方地区以供冷为主，常年向地下注入热量；而北方地区冬季供暖需求大，从土壤中大量吸热，长年运行后将导致土壤温度失衡，影响周围生态。 夏热冬冷地区的夏季供冷量往往大于冬季供热量，多出的热量可通过冷却塔散去，也可通过余热回收系统，用于供应生活热水，从一定程度上缓解土壤热不平衡的问题。 三、地源热泵组成地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。 其中地源热泵机主要有两种形式：水水式或水空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。 四、形式地源热泵有开式和闭式两种。 开式系统：是直接利用水源进行热量传递的热泵系统。该系统需配备防砂堵，防结垢、水质净化等装置。 闭式系统： 是在深埋于地下的封闭塑料管内，注入防冻液，通过换热器与水或土壤交换能量的封闭系统。闭式系统不受地下水位、水质等因素影响。 1、垂直埋管-深层土壤垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50-150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。垂直埋管是地源热泵系统的主要方式，得到各个国家的政府部门大力支持。 2、水平埋管-大地表层在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。 3、地表水 江、河、湖、海的水以及深井水统称地表水。地源热泵可以从地表水中提取热量或冷量，达到制热或制冷的目的。利用地表水的热泵系统造价低，运行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和国家政策（如取深井水）的限制。 五、可再生性地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量）；它又是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的平衡，地源热泵技术的成功使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为现实。 六、高效节能地源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为12-22，温度比环境空气温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；土壤或水体温度夏季为18-32，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大大提高，可以节约30-40%的供热制冷空调的运行费用，1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。 与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或7090%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1025，其制冷、制热系数可达3.54.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的5060%。因此，近十几年来，尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。七、热泵原理在自然界中，水总是由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。人们可以用水泵把水从低处抽到高处，实现水由低处向高处流动，热泵同样可以把热量从低温传递到高温，所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。 地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术，地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。 在冬天，1千瓦的电力，将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。在夏天，过程相反，室内的热量被热泵转移到土壤或水中，使室内得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复始，将建筑空间和大自然联成一体。以最小的低价获取了最舒适的生活环境。 热泵机组装置主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质(制冷剂或冷媒)不断完成：蒸发（吸取环境中的热量） 压缩冷凝（放出热量）节流再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。 压缩机(Compressor)：起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏； 蒸发器(Evaporator)：是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的； 冷凝器(Condenser)：是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的； 膨胀阀(Expansion Valve)或节流阀(Throttle)：对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。 根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。 地源热泵制冷原理在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空气热交换器，以13以下的冷风的形式为房供冷。 地源热泵供暖原理图八、系统类型1.水平式地源热泵通过水平埋置于地表面24M以下的闭合换热系统，它与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。该系统初投资和施工难度相对较小，但占地面积较大。 2.垂直式地源热泵 通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如别墅和写字楼等。该系统初投资较高，施工难度相对较大，但占地面积较小。 3.地表水式地源热泵 地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。它利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。 4.地下水式地源热泵地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。 九、地源热泵应用方式 地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。 1.家用系统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。 2.集中系统热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。 3.分散系统用中央水泵，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。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。 4.混合系统将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。 十、地源热泵的前景在我国，当前地源热泵发展存在的障碍主要表现在以下几个方面：首先，政府政策支持与财政补贴稍显薄弱。地源热泵是一项节能环保的技术体系，但在房地产应用推广中投资还是相对较高，开发商不愿意在自己的系统中使用这种技术，政府在政策上的支持力度也还是稍显单薄，鼓励与补贴政策也还不很明确。建议应像国外机构一样对此类系统设立专项基金给予支持。地源热泵的市场需要政府从可持续发展的角度，综合能源、环保和资源等各个方面的考虑，调整政策，促使其健康有序发展。 其次，对地源热泵系统研发还不够深入。地源热泵目前在国家标准规范、宣传材料、系统图集方面还有所欠缺，同时在科研上还有一些问题没有取得突破，如土壤源地源热泵系统的地下温度场的计算方法不统一；海水源地源热泵系统海水取水口的设置；地下水地源热泵的地下管井的设计与施工、水源的探测开采、供水过滤、水质防腐处理等问题都还没有较好解决方法；对于已经完成并且运行的地源热泵系统，对其能效性能缺乏正确的评估体系也是影响其正常发展的原因之一。 此外，国内地源热泵产品生产商的产品型号不全、可靠性不高也是问题之一；已经成熟的技术没有得到及时广泛的推广和普及，也给此项技术应用造成了一些障碍。目前，我国城乡既有建筑总面积约400亿平方米，其中城镇约为160亿平方米，在城镇中居住建筑面积约为105亿平方米，其中能达到建筑节能标准的仅占5%，其余95%都是未来需要陆续进行节能改造的高能耗建筑；同时，我国每年新增房屋建筑面积约20亿平方米，预计到2020年底，我国新增的房屋面积将近300亿平方米，新增城镇民用建筑面积将为100亿150亿平方米。 据专家测算，目前我国发电装机容量为508亿千瓦，百米内地下水每年可采集的低温能量约为22108千瓦，相当于其43，近百米内的土壤每年可采集的低温能量相当于1.51012千瓦，则是其2950倍，浅层地能的应用仍然有相当大的市场发展空间，如果全国每年在1亿平方米建筑中推广应用地源热泵系统供暖空调，则每个采暖