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中央空调技术培训资料 地源热泵空调系统介绍 目录 第一章地源热泵系统概述第二章地源热泵技术特点第三章地源热泵空调设计第四章常见问题讨论 第一章地源热泵系统概述 一 地源热泵系统简介地源热泵技术是利用地球表面浅层水 如地下水 地表水 海水 江水及湖泊水中蕴含的低位能源作为热泵的低温侧热源 实现低位热能向高位热能转移的一种技术 它利用水源热泵机组代替传统的制冷机组和锅炉或风冷热泵机组 以自然界的水体作为热泵机组冷却水系统的冷却源 达到调节室内温度的目的 通常地源热泵COP值在4 5左右 地源热泵机组运行时对大气没有废热污染 不需要使用带来飘雾的冷却塔 供热时可代替低温热水锅炉 没有燃烧过程 避免了排烟污染 因此可以建造在居民区内 水源热泵系统可以只作为空调系统的冷热源 也可以作为空调系统和生活热水的制冷与供热设备 现有的锅炉加空调的两套装置系统可以由一套水源热泵系统替换 特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物 地源热泵的优越性更加显著 宾馆 商场 办公楼 学校等建筑均可以采用地源热泵 小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖 空调 但地源热泵应用中有些技术问题也是值得我们重视的 二 地源热泵系统分类关于地源热泵的名称问题一直以来都是各个地方叫法不一样的 到目前为止 地源热泵 的命名尚不统一 最近几年国内空调设备生产厂家纷纷推出了各式各样的地源热泵产品 冠之以诸如 地能中央空调系统 水源中央空调系统 地温中央空调系 中央液态冷热源 等等的名称 在一定程度上起到了混淆视听的作用 使水源热泵这一非常成熟的技术蒙上了一层神秘的面纱 随着我国建筑业持续发展 对建筑节能的要求越来越高 而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分 因此 设法减小这两部分能耗意义非常显著 地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能 环保型的系统 冬季通过吸收大地的能量 包括土壤 地下水 江河湖泊等天然能源 向建筑物供热 夏季向空气 大地释放热量 给建筑物供冷 相应地 地源热泵系统分土壤源热泵系统 地下水热泵系统 地表水热泵系统共3种形式 一 土壤源热泵系统土壤源热泵空调也叫地温热泵空调 就是在地下埋设管道作为换热器 管道与热泵机组连接形成闭式环路 管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下 供冷工况 或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热 供热工况 土壤源热泵换热器有多种形式 如水平埋管 竖直埋管等 这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境 在中国采用竖直埋管更显示出其优越性 节约用地面积 换热性能好 可安装在建筑物基础 道路 绿地 广场 操场等下面而不影响上部的使用功能 甚至可在建筑物桩基中设置埋管 见缝插针充分利用可利用的土地面积 水平埋管形式是在地面开1 2米深的沟 每个沟中埋设2 4或6根塑料管 竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0 1 0 15m的钻孔 在钻孔中设置1组 2根 或2组 4根 U型管并用灌井材料填实 钻孔的深度通常为40 200m 现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素 水平埋管和垂直埋管的土壤源热泵系统地层埋管示意图如下 a 水平埋管 b 垂直埋管 二 地下水热泵系统也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统 通过建造抽水井群将地下水抽出 通过二次换热或直接送至地源热泵机组 经提取热量或释放热量后 由回灌井群灌回地下 如下图所示 地下水热泵系统优点 热泵机组运行稳定并且效率较高 运行费用低 占地面积小 缺点 受水文地质条件等限制 并非处处可用 三 地表水热泵系统通过直接抽取或者间接换热的方式 利用包括江水 河水 湖水 工业废水 污水以及海水作为热泵冷热源 我国长江流域的大部分地区非常适合应用江 河 湖水源热泵技术 而在东部沿海地区 环渤海湾地区 尤其是一些岛屿 则非常适合应用海水源热泵技术 如下图所示 其优点有 在10米或更深的湖 海中 可提供10 的直接制冷 比地下埋管系统投资要小 水泵能耗较低 高可靠性 低维修要求 低运行费用 在温暖地区 湖水可做热源 其缺点有 在浅水湖 浅海中 盘管容易被破坏 由于水温变化较大 会降低机组的效率 a b 第二章地源热泵技术特点地源热泵技术与其它空调技术相比具有以下特点 一 属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源 通常小于400米深度 作为冷热源 进行能量转换的制冷供暖空调系统 地表浅层地热资源可以称之为地能 EarthEnergy 是指地表土壤 地下水或河流 湖泊中吸收太阳能 地热能而蕴藏的低温位热能 地表浅层是一个巨大的太阳能集热器 收集了47 的太阳所散发的到地球上的能量 比人类每年利用能量的500倍还多 它不受地域 资源等限制 真正是量大面广 无处不在 这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源 使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式 二 属经济有效的节能技术地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定 冬季比环境空气温度高 夏季比环境空气温度低 是很好的热泵冷 热源 这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40 因此要节能和节省运行费用40 左右 另外 地能温度较恒定的特性 使得热泵机组运行更可靠 稳定 也保证了系统的高效性和经济性 三 运行稳定可靠正是由于地层温度一年四季相对稳定 其波动的范围远远小于空气的波动 是很好的冷热源 同时由于温度的恒定性 使得系统运行更加可靠 稳定 也保证了系统的高效性和经济性 四 环境效益显著地源热泵的污染物排放 与空气源热泵相比 相当于减少40 以上 与电供暖相比 相当于减少70 以上 如果结合其它节能措施节能减排会更明显 虽然也采用制冷剂 但比常规空调装置减少25 的充灌量 属自含式系统 即该装置能在工厂车间内事先整装密封好 因此 制冷剂泄漏机率大为减少 该装置的运行没有任何污染 可以建造在居民区内 没有燃烧 没有排烟 也没有废弃物 不需要堆放燃料废物的场地 且不用远距离输送热量 五 一机多用 应用范围广地源热泵系统可供暖 空调 还可供生活热水 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 可应用于宾馆 商场 办公楼 学校等建筑 更适合于别墅住宅的采暖 空调 六 自动运行地源热泵机组由于工况稳定 所以可以设计简单系统 部件较少 机组运行简单可靠 维护费用低 自动控制程度高 此外 机组使用寿命长 均在15年以上 机组紧凑 节省空间 维护费用低 自动控制程度高 可无人值守 当然 象任何事物一样 地源热泵也不是十全十美的 如其应用会受到不同地区 不同用户及国家能源政策 燃料价格的影响 一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同 采取地下水的开放型利用方式 会受到当地地下水资源的制约 实际上封闭式地源热泵并不需要开采地下水 不会对水质产生污染 第三章地源热泵空调设计 引言随着我国建筑业持续发展 对建筑节能的要求越来越高 而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分 因此 设法减小这两部分能耗意义非常显著 地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能 环保型的系统 冬季通过吸收大地的能量 包括土壤 井水 湖泊等天然能源 向建筑物供热 夏季向大地释放热量 给建筑物供冷 相应地 地源热泵系统分土壤源热泵系统 地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式 土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器 地下水热泵系统分为开式 闭式两种 开式是将地下水直接供到热泵机组 再将井水回灌到地下 闭式是将地下水连接到板式换热器 需要二次换热 地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似 用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器 虽然采用地下水 地表水的热泵系统的换热性能好 能耗低 性能系数高于土壤源热泵 但由于地下水 地表水并非到处可得 且水质也不一定能满足要求 所以其使用范围受到一定限制 国外 如美国 欧洲 主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统 本文就土壤源系统设计进行了简要分析 以供参考 一 土壤源热泵系统设计的主要步骤 一 建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同 可参考有关空调系统设计手册 在此不再赘述 冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量 可以由下述公式 1 2 计算 kW 1 kW 2 夏季换热量 冬季换热量 式中Q1 夏季向土壤排放的热量 kW Q1 夏季设计总冷负荷 kWQ2 冬季从土壤吸收的热量 kW Q2 冬季设计总热负荷 kWCOP1 设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP2 设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地 地源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量 制热量以及制冷系数 供热系数 计算时应从样本中选用设计工况下的COP1 COP2 若样本中无所需的设计工况 可以采用插值法计算 二 地下热交换器设计这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容 主要包括地下热交换器形式及管材选择 管径 管长及竖井数目 间距确定 管道阻力计算及水泵选型等 在下文将具体叙述 二 地下热交换器设计 一 选择热交换器形式1 水平 卧式 或垂直 立式 在现场勘测结果的基础上 考虑现场可用地表面积 当地土壤类型以及钻孔费用 确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式 尽管水平布置通常是浅层埋管 可采用人工挖掘 初投资一般会便宜些 但它的换热性能比竖埋管小很多 并且往往受可利用土地面积的限制 所以在实际工程中 一般采用垂直埋管布置方式 根据埋管方式不同 垂直埋管大致有3种形式 1 U型管 2 套管型 3 单管型 套管型的内 外管中流体热交换时存在热损失 单管型的使用范围受水文地质条件的限制 U型管应用最多 管径一般在50mm以下 埋管越深 换热性能越好 资料表明 最深的U型管埋深已达180m U型管的典型环路有3种 其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管 2 串联或并联地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种 串联系统管径较大 管道费用较高 并且长度压降特性限制了系统能力 并联系统管径较小 管道费用较低 且常常布置成同程式 当每个并联环路之间流量平衡时 其换热量相同 其压降特性有利于提高系统能力 因此 实际工程一般都采用并联同程式 结合上文 即常采用单U型管并联同程的热交换器形式 二 选择管材一般来讲 一旦将换热器埋入地下后 基本不可能进行维修或更换 这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀 常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足 且需要埋入地下的管道的数量较多 应该优先考虑使用价格较低的管材 所以 土壤源热泵系统中一般采用塑料管材 目前最常用的是聚乙烯 PE 和聚丁烯 PB 管材 它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状 可以保证使用50年以上 而PVC管材由于不易弯曲 接头处耐压能力差 容易导致泄漏 因此 不推荐用于地下埋管系统 三 确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求 1 管道要大到足够保持最小输送功率 2 管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热 显然 上述两个要求相互矛盾 需要综合考虑 一般并联环路中用小管径 集水管用大管径 地下热交换器埋管常用管径有20mm 25mm 32mm 40mm 50mm 管内流速控制在1 22m s以下 对更大管径的管流速应控制在2 44m s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH O 100m当量长度以下 四 确定竖井埋管管长地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外 还需要有当地的土壤技术资料 如地下温度 传热系数等 在实际工程中 可以利用管材 换热能力 来计算管长 换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量 一般垂直埋管为70 110W m 井深 或35 55W m 管长 水平埋管为20 40W m 管长 左右 设计时可取换热能力的下限值 即35W m 管长 具体计算公式如下 其中L 竖井埋管总长 mQ1 夏季向土壤排放的热量 kW分母 35 是夏季每m管长散热量 W m 五 确定竖井数目及间距在国外 竖井深度多数采用50 100m 设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H 代入下式计算竖井数目 其中N 竖井总数 个L 竖井埋管总长 mH 竖井深度 m分母 2 是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍 然后对计算结果进行圆整 若计算结果偏大 可以增加竖井深度 但不能太深 否则钻孔和安装成本大大增加 关于竖井间距有资料指出 U型管竖井的水平间距一般为4 5m 也有实例中提到DN25的U型管 其竖井水平间距为6m 而DN20的U型管 其竖井水平间距为3m 若采用串联连接方式 可采用三角形布置来节约占地面积 六 计算管道压力损失在同程系统中 选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算 可采用当量长度法 将局部阻力件转换成当量长度 和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度 再乘以不同流量 不同管径管段每100m管道的压降 将所有管段压降相加 得出总阻力 七 水泵选型根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失 再加上热泵机组 平衡阀和其他设备元件的压力损失 确定水泵的扬程 需考虑一定的安全裕量 根据系统总流量和水泵扬程 选择满足要求的水泵型号及台数 八 校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力 若不计竖井灌浆引起的静压抵消 管路所需承受的最大压力等于大气压力 重力作用静压和水泵扬程一半的总和 即 其中 管路最大压力 Pa 建筑物所在的当地大气压 Pa 地下埋管中流体密度 kg m3 当地重力加速度 m s2 地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差 m 水泵扬程 Pa 三 其他1 与常规空调系统类似 需在高于闭式循环系统最高点处 一般为1m 设计膨胀水箱或膨胀罐 放气阀等附件 2 在某些商用或公用建筑物的地源热泵系统中 系统的供冷量远大于供热量 导致地下热交换器十分庞大 价格昂贵 为节约投资或受可用地面积限制 地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计 同时增加辅助换热装置 如冷却塔 板式换热器 板式换热器主要是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行 承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量 该方法可以降低安装费用 保证地源热泵系统具有更大的市场前景 尤其适用于改造工程 第四章常见问题讨论 一 为什么地源热泵在美国 欧洲以及中国 尤其是近些年来为越来越多的用户所认识 市场日趋活跃呢 一方面是由于全世界范围内比以往更加关注能源 环境与可持续发展的问题 对于中国由于以燃煤为主的能源结构已经造成了极为严重的大气污染 因此 要实现经济的可持续发展 必须尽可能多地利用清洁的可再生能源 必须加大节能的力度 而既能在冬季供暖 又能在夏季制冷空调的地源热泵系统是很好的一个选择 另一方面是地源热泵系统经过多年的研究 在技术上已经非常成熟 而且经过多年的示范与实践 确认了地源热泵系统的很多优点 节约能源 舒适 安全 性能稳定 清洁 使用灵活等 二 水环路热泵 WLHP 系统与地源热泵 GSHP 系统有什么异同 适用于什么场合 两者都可通过水源热泵如水 空气热泵或水 水热泵系统为建筑物提供热量或冷量 区别是WLHP系统通常是指利用冷却水塔和锅炉保持全年冬夏两季节的供水温度稳定的系统 而GSHP系统则通常是指通过利用地下水 地下换热系统 地表水或者地下换热系统与冷却塔 锅炉相结合等形式维持供水温度稳定的系统 此外 WLHP一般为分散式系统 而GSHP既可为分散式系统也可为集中式系统 对于WLHP系统适用于什么场合 有研究认为 单纯的供冷或单纯的供热选用水环路热泵是不合理的 对同时具有制冷和制热需要的空调建筑 当其内部余热量较小或较大时 使用WLHP系统节能效果不明显 只有当机组排出的热量与部分水源热泵机组吸收的热量相近时 才具有明显的节能优势 对于某一特定建筑 设计者需根据建筑物的冷热负荷曲线 使用特点 功能 所处环境等诸多因素综合评价使用WLHP系统是否节能 合适 一般地说 以下几种情况可考虑使用WLHP 有低品位稳定可靠的废热可以利用 建筑物内同时有制冷和供热的需要 制冷量不大 且又要求独立计量电费 使用时间不一 个别房间或区域经常需在夜间或节假日独立使用的建筑 地源热泵系统的适用场合 对于分散式系统 类似于上述水环路热泵系统的情况 而对于集中式系统 即集中为建筑物各房间提供冷水或热水的情况 则适用范围较广 尤其适用于办公楼 学校及别墅等 三 对几种地源热泵系