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新能源技术与应用课程论文地源热泵技术在建筑节能上的应用摘要随着我国的经济发展和人民生活水平的提高，我国面临着深刻的能源危机和环境危机。另一方面，我国建筑总量不断增加，建筑采暖和制冷所消耗的能量也急剧增加，而空调和热水系统占据了建筑能耗的一半以上，建筑中的空调和热水系统中存在着巨大的节能潜力。地源热泵技术在我国作为比较年轻的新能源利用技术，在近十几年的建筑节能领域获得了广泛的研究，并且在国家的支持鼓励下进行了很多实践，取得了很好的效果，也为建筑及其它领域的节能提供了一个样例。本文分析了地源热泵技术在建筑空调和热水系统方面的应用方式，分析了其节能的原理，并且与其它空调和热水系统的能耗量进行了细致的对比，指出了地源热泵系统在建筑空调和热水系统中应用存在的利弊。同时结合了世博轴中地源热泵系统应用的案例，为地源热泵在建筑中的应用提出了合理化建议。关键词：地源热泵 空调系统 热水系统 建筑节能目录第一章 研究背景与意义第二章 地表和浅层地热能的特点与利用方式第三章 地源热泵系统简介与节能原理分析3.1 热泵的工作原理3.2地源热泵系统工作原理3.3 地源热泵节能原理分析与优缺点比较第四章 地源热泵空调系统与热水系统4.1 地源热泵空调系统4.2 地源热泵热水系统第五章 世博轴中地源热泵系统的应用案例分析第六章 结论第一章 研究背景与意义如今，建筑师在进行建筑设计的过程中，不仅要关注建筑空间和造型上的趣味，而且也越来越多的被要求考虑建筑的节能环保要求。“被动式建筑”，“生态建筑”，“绿色建筑”，“低碳建筑”乃至“零碳建筑”这些名词已经为大多数建筑师所熟知和使用。当今建筑在设计、建造和使用过程中追求节能环保，事实上，这一现象的背后有着深刻的政治、经济和环境背景。（1）能源安全和环境保护：我国一次性能源的储量有限，作为以煤炭作为主要能源的国家，煤炭在开采运输使用的过程对我国的环境造成的严重的污染。同时，我国石油对外的依存度在2015年预计将达到65%，远远超过了国际公认的50%的警戒线。能源安全与环境保护问题威胁着我国经济和生态的的可持续发展，因此受到了政府和社会的广泛关注。新能源的应用是缓解能源危机的重要途径，新能源的开发和利用迫在眉睫。（2）建筑能耗现状：在世界范围内，建筑业是耗能大户。据不完全统计表明，人类从自然界获取的物质资源中，约有50%被用于建造建筑及其附属设施，而这些建筑大约消耗着世界上50%的能源。单就我国而言，截止至2008年的统计数据表明，我国民用建筑能耗(包括建造能耗、使用能耗)约占我国总的能源消耗量的33.42，如果将建材生产过程中的能耗计算在内，与建筑业相关的能耗将占社会总能耗的一半左右。建设部2005年新闻发布会上公布的数据表明，我国已经建成的建筑中绝大多数都属于高耗能建筑，而我国每年新建建筑面积约为20亿平方米，其中仍有95%的建筑属于高能耗建筑，建筑节能迫在眉睫。（3）政府政策引导：我国从上世纪80年代开始就不断地出台一系列的建筑节能标准和法规。1986年建设部颁布了第一项居住建筑节能设计标准： 民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)。近几年来，建设部先后批准发布了二十余项重要的国家标准和行业标准：组织开展了建筑能耗数据采集标准、既有公共建筑节能改造技术规程等有关标准的制订和修订。在十五和十一五规划中，更是将建筑行业的节能作为节能减排的重要内容。我国北方地区居住建筑各部分能耗比例（自绘）（图1）可以看到，建筑节能已经是我国经济和社会发展的必然要求。由图1可以发现，在建筑能耗中用于采暖、制冷、制取热水的能耗所占比例最大，约为50%70%。减少建筑空调和制取热水中能耗的途径很多，比如通过合理的设计降低建筑物的表面积系数；提高建筑的保温隔热性能；在建筑中利用可再生能源进行采暖和制冷，减少石油、煤炭等一次性能源的使用等等。其中使用新能源提高采暖、制冷、制取热水过程中的能耗，是今年来建筑节能研究的热点。使用新能源，对于降低建筑行业对一次性能源的依赖，降低建筑能耗，减少温室气体排放，保护环境，实现国民经济的可持续发展具有重要的意义。作为新能源中的一种，地热能以其分布广泛，开发成本较低，可再生清洁无污染的特点，早在上世纪之初就受到了人们的关注。如今，地热能在国内外的建筑节能领域得到了越来越多的应用，而在我国，地热能在建筑节能中的应用主要为地源热泵技术。本文将针对地源热泵在建筑中的两大应用：地源热泵空调系统和地源热泵热水系统，进行详细的介绍。第二章 地表和浅层地热能的特点与利用方式要了解地源热泵的工作原理和节能原理，就要了解浅层地热能的特点。地热能主要包括：（1）地下热水:低温热水为40200,高温热水温度可达200以上;（2）浅层土壤:地下30 100m , 温度为516；（3）干热岩石:地下30005000m;（4）热熔岩:地下更深处。【3地热能利用浅谈】地热能资源的利用主要有三种方式：地热发电、直接利用和地源热泵技术。高温地热能资源（通常指温度高于150的地热能资源）一般用于发电，而低温地热能资源（温度低于150的地热资源）可以用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴。然而与建筑节能关系最为密切的地热能利用方式还是第三种利用技术，即利用地表热能和浅层地热能的地源热泵技术。地表热能一般指江河湖海、城市污水和工业废水中所含的低品位热能。浅层地热能一般指非地热异常地区，地下200m范围内，温度在32以下的土壤、岩石、地下水中所包含的热量地源热泵技术与建筑节能应用。地源热泵技术最多的还是利用浅层地热能，浅层地热能具有以下特点：1. 能量密度低。浅层地热能温度一般在32以下，热能品位较低，因此需要特定的技术将低品位的热能转化为高品位的热能供建筑利用。2. 温度稳定，受天气和气候因素影响小。土壤热容量大，具有很强的蓄热能力，这使得地下一定深度的土壤全年温度稳定且温度范围适宜。夏季，土壤温度略低于空气温度，可以提供相对较低的冷凝温度。冬季，土壤温度略高于空气温度，可以提供较高的蒸发温度。因而地源热泵机组的工作效率较空气源热泵高。3. 清洁干净，环保无污染。地源热泵在利用浅层地热能的过程中没有燃烧、排烟，不产生废弃物，因此非常环保。4. 能源丰富，分布广泛。浅层地热能本质上来自太阳能，太阳能不断补充，因此浅层地热能几乎取之不尽、用之不竭。并且浅层地热能存在于土壤和地下水中，分布非常广泛。综上，浅层地热能清洁环保，来源丰富，分布广泛，并且温度稳定，波动较小，这为浅层地热能应用于建筑节能提供了有利条件。但是由于其能量密度较低，因此需要特定的技术将低品位的热能转化为高品位的热能供建筑利用，地源热泵系统则是利用浅层地热能的技术中应用最为广泛的一种。第三章 地源热泵系统简介和节能原理分析3.1热泵的工作原理要了解什么是地源热泵，我们就要先明确热泵的定义。根据我国的暖通空调术语标准中的定义，热泵就是能够实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机。热泵的作用就是从自然界中得水、土壤、空气中获取低品位热能，经过电力做功，提供为人们所用的高品位热能。热泵由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个部分组成，循环工质在机组内封闭运行并通过冷凝器和蒸发器与外部进行热交换。循环工质在压缩机的推动下按照逆卡诺循环工作，在蒸发器中蒸发吸收热量，在冷凝器中液化释放热量，从而实现与外界的热交换。 热泵工作原理示意图（自绘）（图2）热泵是一种非常高效节能的能源转化方式。热泵最主要的额性能指标是制热系数，制热系数定义为由低温热源到高温热源的热量与所需的动力之比，通常热泵的制热系数在34左右，而新型热泵制热系数甚至可达68。通过热泵技术，能源可以得到高效充分的利用。3.2地源热泵系统的工作原理热泵的分类存在着很多标准，如工作原理、热泵形式、驱动形式等等。热泵按照其热源形式可以分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵、废热热泵、太阳能热泵智能建筑地源热泵系统的应用研究。地源热泵实际上就是热泵按照其热源形式划分出来的一种，地源热泵主要利用的是浅层地热能和地表热能。地源热泵系统能够进一步可以根据热源的不同分为土壤源热泵系统、地下水热泵系统、地表水热泵系统三类。地下水源系统能够可分为地下水直接利用系统和地下水间接利用系统两类。地表水热泵系统分为闭式系统和开式系统。地源热泵总体来讲就是通过在土壤、地下水和地表水中的热量采集装置（水泵机组、换热器等）将土壤、地下水和地表水中的低品位热能采集出来，通过循环介质送至热泵机组，热泵机组通过动力做功将这些低品位的热能转化为高品位的热能，供建筑制冷、采暖、制取热水使用。地表水热泵和地下水热泵还可以将水直接送至热泵机组中进行热交换，提高热交换的效率，减少能量损失。地源热泵因为不需要人工的冷热源，可以取代锅炉和市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时它还可供应生活用水是一种有效地利用能源的方式。地源热泵原理图示（自绘）（图3）3.3地源热泵节能原理分析与优缺点比较我们可以通过能量转换的对比，来了解地源热泵系统的建筑节能原理与节能效果。地源热泵消耗的主要是电能，获取的是热能，因此用获取相同数量的热能，如果消耗的电能越少，那么节能的效果就越明显。电能属于二次能源，在我国，电能主要通过煤燃烧火力发电获得，煤则属于一次性能源。因此通过比较不同的建筑采暖和制冷方式消耗的一次性能源的数量我们就可以比较出地源热泵在建筑节能方面同其他的采暖和制冷方式的优劣。本文以地源热泵在建筑供暖方面对能源的利用效果来比较地源热泵的节能效果。建筑中主要的采暖方式有电阻式采暖、电动空气源热泵、燃油和燃气锅炉以及地源热泵。为了比较不同的供热形式在节能方面的效果，我们引入热泵的性能系数COP。性能系数COP=热泵机组提供热量（kwh）/机组消耗电量（kwh）在我国一般火电厂的发电效率为30%左右，通过下表我们可以比较出不同的供热方式的性能系数以及对于一次性能源（以煤炭为例）的利用率。不同供热方式一次性能源利用率比较（自绘）（表1）供热方式供电效率（%）性能系数COP一次性能源的利用率电阻式采暖301.030电动空气源热泵302.060燃煤锅炉65地源热泵303.7110分析表格可以看出，较其它的供热形式，地源热泵每消耗一份一次性能源能够向建筑内提供1.1倍的热量，而其它的供热形式最多只能为室内提供65%的热量。地源热泵的节能效果是比较明显的。地源热泵机组的工作方式也有利于节能。土壤的温度和地下水温度常年比较很定。冬季温度高于空气温度而夏季温度低于空气温度，因此在冬季地源热泵可以代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖。夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷，同时它还可以向建筑热水，一套设备可以取代原来的空调锅炉两套设备，也实现了设备的高效利用，有利于建筑节能。地源热泵同时还可以和其它利用新能源如太阳能的设备进行整合，提高热泵机组的热效率，从而更加高效、环保。 地源热泵具有很多优势：（1） 利用可再生清洁能源，有利于环境保护。（2） 机组的能源利用效率高，高效节能。（3） 运行费用和维护费用都较低，与传统空调相比运行费用减少40%左右。（4） 机房占地面积小，节省空间，布置灵活，可在地下室布置。（5） 一机多用，即可供暖，也可制冷，还可以提供热水，并且使用寿命较长。然而地源热泵技术也面临着一些不足，下表总结了不同形式的地源热泵的优点不足之处： 地源热泵机组要满足冬天从热源中吸收的热量与夏季向热源中释放的热量基本相等，保护土壤和地下水的温度环境，否则可能导致地下水或土壤过冷过热，导致热泵机组无法正常运行。这要求当地采暖和制冷的冷热负荷大致相当。这从很大程度上限制了地源热泵的应用。为了避免冷热负荷不平衡，地源热泵往往要配合锅炉和冷却塔作为补充热源。如果设计不当，补充热源则会造成能源的浪费与环境的污染。地源热泵初期投资高也限制了其应用。第四章 地源热泵空调系统与地源热泵热水系统4.1地源热泵空调系统地源热泵空调系统的原理：地源热泵空调系统一般由四个子系统组成，即浅层地能采集系统、水源热泵机组、冷热分配系统和用户终端空气处理系统。地热能采集系统通过水或者水溶液不断循环不断的将浅层的地热能采集到水源热泵机组进行热交换。而水源热泵机组则利用热泵的循环工质环路与低能采集系统的水环路和冷热分配系统水环路进行耦合，通过热泵机组的制冷和制热循环实现热量交换，实现热量在空间上的转移。冷热分配系统主要功能是将水源热泵机组制取的冷冻水或者采暖热水输送至用户终端空气处理系统。用户终端的冷热处理系统的主要功能是对空气进行净化和热湿处理，调节空气质量和压力，给人们提供一个健康舒适的工作和生活环境。地源热泵空调系统工作原理图（上海世博轴江水源与地源热泵联合系统设计）（图4）按照地源热泵使用的地热源种类的不同，地源热泵空调系统可以分为三类：土壤源热泵空调系统、地下水热泵空调系统、地表水热泵空调系统。除了地源热泵所共同具有的一些优点和不足外，这三种不同种类的热泵还具有各自在应用上得利弊。试将三者各自的优缺点归纳于下表：不同种类地源热泵空调系统优缺点分析表（自绘）（表2）热水器种类分类优点缺点电热水器储水式电热水器即热式电热水器等温式电热水器电磁热水器微波电热水器1. 使用方便，应用广泛，适合家庭使用2. 电磁和微波热水器做到了水电分离不结水垢1. 电磁和微波可能对人体存在潜在的危害2. 储水式热水器保温消耗大量电能且体积太大3. 即热式对于电路要求高燃气热水器1. 热容量大水量大，升温快，使用方便。2. 使用不安全3. 产生有害气体，不环保4. 安装不方便太阳能热水器平板式太阳能热水器真空管太阳能热水器1. 节能环保热效率高。2. 体积庞大，真空管中易结水垢电力驱动的地源热泵热水器直接加热式间接加热式1. 将环境中的低温热能转化成高温热能的效率高，性能系数3.0以上，节能，并且环保无污染2. 热水、采暖、供冷一体化，能源利用效率高3. 电力驱动压缩机而不是加热水，水电分离使用安全1. 获取热水的温度较低2. 初期投资价格较高4.3地源热泵热水系统地源热泵热水系统工作原理：地源热泵热水系统一般由三个部分组成，即浅层地能采集系统、水源热泵机组、热水供应装置(热水箱、补水箱、供水泵等)。地下水热泵热水系统通过潜水泵、板式换热器和地源侧循环水泵提取地下水热能，然后通过热泵机组中的蒸发器与热泵循环工质进行热交换，热泵循环工质在蒸发器中蒸发吸取地下水的热能后，变为高温低压过热气体，通过压缩机做功经过绝热压缩变为高温高压的气体，经冷凝器定压冷凝为低温高压的液体(热泵循环工质冷凝放热，与冷凝水进行热交换，使冷凝水被加热为热水供用户使用)，液态热泵循环工质再经节流阀绝热节流后变为低温低压液体，进入蒸发器定压吸收热源热量，并蒸发变为过热蒸汽，如此循环往复，不断地将热源的热能传递至水箱，达到制取热水的目的。地源热泵热水系统工作原理图（智能建筑地源热泵系统的应用研究）（图5）地源热泵热水系统经济效益分析表（自绘）（表3）能源种类天然气液化气电热水器空气源热泵热水器地源热泵热水器装置效率80%80%90%2.93.18能源热值（MJ/Nm，MJ/Kwh）35.59953.63.63.6价格（元/Nm，元/Kwh）2.2110.510.510.51热水获取1MJ热能的单价0.07730.14470.15740.04890.0445就设备的使用过程而言，地源热泵热水系统具有比较好的经济效益。由上表可知，在加热热水的过程中，如果热水获得相同的热量，用地源热泵热水系统加热热水是最为经济的方式。通过下表的比较我们可以分析出地源热泵热水系统与其它建筑中获取热水方式相比的优缺点。不同形式的热水系统优缺点比较（自绘）（表4）热水器种类分类优点缺点电热水器储水式电热水器即热式电热水器等温式电热水器电磁热水器微波电热水器3. 使用方便，应用广泛，适合家庭使用4. 电磁和微波热水器做到了水电分离不结水垢4. 电磁和微波可能对人体存在潜在的危害5. 储水式热水器保温消耗大量电能且体积太大6. 即热式对于电路要求高燃气热水器5. 热容量大水量大，升温快，使用方便。1.使用不安全2.产生有害气体，不环保太阳能热水器平板式太阳能热水器真空管太阳能热水器3. 节能环保热效率高。易于推广。1. 体积庞大，真空管中易结水垢电力驱动的地源热泵热水器直接加热式间接加热式4. 将环境中的低温热能转化成高温热能的效率高，性能系数3.0以上，节能，并且环保无污染5. 热水、采暖、供冷一体化，能源利用效率高6. 电力驱动压缩机而不是加热水，水电分离使用安全1.获取热水的温度较低，一般低于552.初期投资价格较高3.生成热水的时间较长第五章 世博轴中地源热泵系统的应用案例分析世博轴位于黄浦江边，占地面积13.6万平方米，是世博会内最大的单体项目，也是进入园区的主通道和核心区域。该建筑的空调系统采用了江水源热泵结合土壤源热泵的复合系统，实现了空调冷热源100%采用可再生能源。其中，土壤源热泵承担2/3负荷，土壤源热泵承担1/3负荷。江水源热泵系统采用3台1000冷吨的单冷离心机组土壤源热泵系统采用了5台350冷吨螺杆机组，总装机容量4750冷吨。经过测算，每年可节约运行费用约530万元，节能率约40，可节电约660万千瓦相当于节约煤炭2640吨，节水26400吨减少5440吨二氧化碳的排放量。世博轴在靠近黄浦江的一端，近董家渡湾道的上游，设一个取水口，在世博轴附近安装一热泵，每小时约有1200吨黄浦江水通过热泵，带走世博轴区域的热量，交换出相对较低的水温，江水排回江中，冷气则通过大大小小的管道通往各处。夏季以江水源热泵系统为主，地源热泵系统为辅。冬季一地源热泵系统为主，江水源热泵系统为辅，保证地下土壤冬夏排热和取热得平衡。世博轴的地源热泵系统特色在于：1.采用直接式的江水源热泵直接式江水源热泵的机组效率比间接式江水源热泵机组效率高5%，但是由于江水直接进入热泵机组，导致热泵机组结垢腐蚀。世博会的直接式江水热泵机组具有完备的江水过滤系统。在防结垢方面，采用8080mm和1010mm两道滤网过滤，在经过机房内自动反冲洗过滤器过滤掉1mm直径以上的垃圾，江水才能进入热泵机组。在防腐蚀方面，换热器材质采用了比较耐腐蚀的铜镍合金。2.地源热泵地埋管换热器与基础结合地源热泵系统式经过地埋管换热器与土壤进行热交换。世博轴采用灌注桩式W型，将内径25mm的聚氯乙烯管成W型埋设在底下灌注的基础桩内。混凝土是优良的导热体，灌注桩式地埋管换热器具有单米换热量大、投资省的特点。世博轴底下埋设了5500多个地埋管换热器，埋管总长度达到了700多公里。地源热泵地埋管换热器与基础结合方式示意图（图6）3.采用土壤源热泵和江水源热泵复合热泵系统上海地区夏季的制冷负荷大于冬季的采暖负荷。如果只采用土壤源热泵，则夏季向土壤内排入的热量将大于冬季从土壤内吸收的热量，长期运行会造成热泵机组无法正常使用。一般地源热泵技术的处理方法是使用冷却塔来吸收多余的热量，是土壤达到热平衡。而世博轴中取消了冷却塔，因地制宜使用江水源热泵对来承担夏季的一部分制冷负荷，通过自动化控制达到土壤的热平衡，从而实现了空调系统100%使用了可再生能源。地源热泵和江水源热泵在本项目中的应用，不仅使空调冷热源系统的设计和建筑景观得到了很好的融合，而且充分体现了绿色、节能、环保的理念，避免了冷却塔可能产生的漂水、卫生、噪声等问题，为减小城市热效应起到了一定的作用。世博轴的地源热泵系统对以后的地源热泵系统设计具有很多借鉴意义，首先是其采用了先进的除垢除锈设备合理避免了江水对于热泵机组的破坏，其次，如此大的地源热泵工程必然带来大量的地下埋管，地缘热泵埋管与建筑的基础相结合，设计比较新颖，节约了建筑用地。再次，因地制宜的将江水源热泵作为土壤源热泵冷源的补充，体现了地源热泵系统不同种类间以及地源热泵系统同其它热泵形式之间具有很强的整合能力，通过合理的设计可以实现能源的高效利用。但是，世博轴地源热泵系统的设计仍然有一些不足。第一，灌注桩埋管工程的施工须与结构桩基施工同时进行，取水工程有一定的水工施工工作量，也增加了施工组织的难度。第二，江水经升温或降温后再排入江中，对自然界生态究竟有无影响，还需经实践的检验。第六章 结论 从上世纪80年代开始地源热泵开始逐渐进入我国的建筑节能领域，时至今日，我国的地源热泵技术已经有了长足的发展，但是和国外的地源热泵技术仍有一定的差距