地源热泵简介及施工操纵介绍[]

1、编写：徐学江 2013年10月 定义定义：利用高位能使热量从低位热源流向高位利用高位能使热量从低位热源流向高位 热源的节能装置热源的节能装置 分类（按热源）分类（按热源） 空 气 源 热 泵 air source heat pum p 水 源 热 泵 water source heat pum p 土 壤 源 热 泵 ground-coupled heat pum p 地 下 水 源 热 泵 ground water source heat pum p 地 源 热 泵 ground source heat pum p 热热 泵泵 是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括是一种利用地下浅层地热

2、资源（也称地能，包括地下水地下水、 土壤土壤或或地表水地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调等）的既可供热又可制冷的高效节能空调 系统系统。 统统 系系 管管 埋埋 旋旋 螺螺 垂直埋管系统垂直埋管系统水平埋管系统水平埋管系统 国际能源大会国际能源大会WECWEC、国际能源署、国际能源署IEAIEA、国际制冷学会、国际制冷学会 IIRIIR等国际组织及从事热泵的研究者都普遍认为土壤等国际组织及从事热泵的研究者都普遍认为土壤 源热泵是：源热泵是： 19981998年美国暖通空调工程师学会年美国暖通空调工程师学会就就 授予土壤热源热泵系统。授予土壤热源热泵系统。 被称为：被称为： “ 2121

3、世纪的一项以节能和环保为特征的世纪的一项以节能和环保为特征的 的的 技术技术 ” 热热热热 热热 冷冷 热热 冷冷 热热热热 热热 冷冷 热热 冷冷 冷冷 温暖温暖 温暖温暖 冷冷 温暖温暖 温暖温暖 温暖温暖 土壤源热泵空调土壤源热泵空调 普通空调普通空调 主机设置主机设置 主机设置灵活主机设置灵活 风冷：主机要与外界通风良好，设置风冷：主机要与外界通风良好，设置 地点受限制（屋顶、地面）；地点受限制（屋顶、地面）； 水冷：冷却塔，锅炉位置受限制水冷：冷却塔，锅炉位置受限制 运行效率运行效率 土壤的温度很稳定，换热稳土壤的温度很稳定，换热稳 定，不受外界空气的变化而定，不受外界空气的变化而

4、影响，运行效率高影响，运行效率高 受外界天气条件影响大，运行不稳定受外界天气条件影响大，运行不稳定 效率低效率低 控制系统控制系统 不存在结霜问题不存在结霜问题 北方冬季，风冷热泵冲霜问题，主机北方冬季，风冷热泵冲霜问题，主机 逆循环，室内室温控制受限。逆循环，室内室温控制受限。 环境效益环境效益 真正意义的绿色环保空调真正意义的绿色环保空调 将废热气或水蒸气排向室外环境，对将废热气或水蒸气排向室外环境，对 环境造成很大的污染环境造成很大的污染 。 运行费用运行费用 比风冷热泵的运行费节约比风冷热泵的运行费节约 30%30%40%40%。全年使用的空调。全年使用的空调 尤为明显。尤为明显。 C

5、OPCOP值较土壤源热泵小，运行能耗高值较土壤源热泵小，运行能耗高 土壤源热泵与其他系统最大不同之处土壤源热泵与其他系统最大不同之处 在于：在于： 夏季冷凝排热的去夏季冷凝排热的去向向不同。不同。 冬季蒸发吸热的来源不同。冬季蒸发吸热的来源不同。 1. 1.土壤换热器土壤换热器 2.2.水水热泵主机水水热泵主机 3.3.用户末端用户末端 土壤换热器土壤换热器 热泵热泵 机组机组 用户末端用户末端 水循环水循环 水或空水或空 气循环气循环 钻井钻井 空气空气 室外室外 压缩机压缩机 冷凝器冷凝器/蒸发器蒸发器 墙体墙体 风机风机 膨胀阀膨胀阀 埋地换热器埋地换热器 冷凝器冷凝器/蒸发器蒸发器 室

6、内室内 可逆阀可逆阀 土土 壤壤 液体循环泵液体循环泵 压缩机压缩机 U型埋管型埋管 膨胀阀膨胀阀 空调末端空调末端 水泵水泵 水泵水泵 蒸发器蒸发器 回热器回热器 冷凝器冷凝器 可再生能源利用技术可再生能源利用技术 经济有效的节能技术经济有效的节能技术 环境效益显著环境效益显著 一机多用，应用范围广一机多用，应用范围广 系统维护费用低，运行可靠系统维护费用低，运行可靠 运行稳定，使用舒适运行稳定，使用舒适 地表土壤和水体，收集了地表土壤和水体，收集了47%47%的太阳辐射能量，比人的太阳辐射能量，比人 类每年利用能量的类每年利用能量的500500倍还多。倍还多。 地表的土壤和水体自然地保持能

7、量接受和发散相对的地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对的 均衡。均衡。 对太阳能二次利用，符合可持续性发展趋势对太阳能二次利用，符合可持续性发展趋势 不受地域、资源等限制不受地域、资源等限制 1. 1.可再生能源利用技术可再生能源利用技术 全年土壤温度（全年土壤温度（5m5m以下）相对稳定，夏季土壤中以下）相对稳定，夏季土壤中 的温度低于对应气候条件下空气温度，冬季土的温度低于对应气候条件下空气温度，冬季土 壤温度高于空气温度壤温度高于空气温度 理论上讲，降低冷凝温度和提高蒸发温度都可提理论上讲，降低冷凝温度和提高蒸发温度都可提 高循环效率，达到节能的效果高循环效率，达到节能的效果 土

8、壤对地面空气温度波动有衰减和延迟，在耗电土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟，在耗电 量相同的条件下，分别提高夏季供冷量或冬季量相同的条件下，分别提高夏季供冷量或冬季 的供热量的供热量 2.2.经济有效的节能技术经济有效的节能技术 污染物排放与空气源热泵相比减少污染物排放与空气源热泵相比减少40%40%以上，以上， 与电供暖相比减少与电供暖相比减少70%70%。 没有燃烧、排烟，也没有废弃物，且不用远距没有燃烧、排烟，也没有废弃物，且不用远距 离输送热量，是真正的环保型空调，没有风扇离输送热量，是真正的环保型空调，没有风扇 的能耗和噪声。的能耗和噪声。 夏季不会向建筑周围空气放热，冬季不会从建夏

9、季不会向建筑周围空气放热，冬季不会从建 筑物周围空气吸热。机组的埋地换热器可以布筑物周围空气吸热。机组的埋地换热器可以布 置在花园、草坪及建筑物周围地下，不占建筑置在花园、草坪及建筑物周围地下，不占建筑 面积。面积。 3.3.环境效益显著环境效益显著 可供暖、空调，还可供生活热水可供暖、空调，还可供生活热水 一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装 置或系统置或系统 可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑 更适合于别墅住宅的采暖、空调。更适合于别墅住宅的采暖、空调。 4.4.一机多用，应用范围广一机多用，应用范围广

10、地源热泵非常耐用，机械运动部件非常少地源热泵非常耐用，机械运动部件非常少 所有的部件埋在地下或是安装在室内，从而避免了室所有的部件埋在地下或是安装在室内，从而避免了室 外的恶劣气候外的恶劣气候 地下部分可保证地下部分可保证5050年年 维护少，节省维护费用维护少，节省维护费用 5.5.系统维护费用低，运行可靠系统维护费用低，运行可靠 机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的 影响。影响。 寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之 虑。虑。 在耗电量相同的条件下，能提高夏季供冷量或冬在耗电量相同的条件下，能提

11、高夏季供冷量或冬 季或供热量。季或供热量。 系统末端亦可作多种选择，空调效果稳定舒适系统末端亦可作多种选择，空调效果稳定舒适 。 6.6.运行稳定，使用舒适运行稳定，使用舒适 q 早在早在19121912年瑞士人年瑞士人H. Zoe11yH. Zoe11y就提出了土壤源热泵应用的思就提出了土壤源热泵应用的思 想，但大规模应用直到二战结束后，才在欧美兴起想，但大规模应用直到二战结束后，才在欧美兴起 q 地下埋管换热器的研究真正开始于地下埋管换热器的研究真正开始于19461946年。年。 q 2020世纪世纪5050年代初，英国的年代初，英国的SumnerSumner和和von Cube von

12、Cube 安装了用于住安装了用于住 宅供暖的地源热泵宅供暖的地源热泵 q 19731973年年“能源危机能源危机”以后，土壤源热泵的研究安装在欧美等以后，土壤源热泵的研究安装在欧美等 国大量出现国大量出现 q 进入进入2020世纪世纪9090年代，土壤源热泵的应用和发展进入了一个新年代，土壤源热泵的应用和发展进入了一个新 发展阶段。目前，土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有发展阶段。目前，土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有 份额大约是份额大约是3 3。 q 19931993年成立了国际土壤源热泵协会（年成立了国际土壤源热泵协会（IGSHPAIGSHPA）。）。 q 在美国：在美国： 截止截止

13、19851985年全国共有年全国共有14,00014,000台地源热泵台地源热泵 19971997年就安装了年就安装了4545，000000台台 到到19991999为止已安装了为止已安装了400400，000000台台 每年以每年以1010的速度稳步增长的速度稳步增长 19981998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调 总保有量的总保有量的1919，其中新建筑中占，其中新建筑中占3030。 q 19981998年美国能源部颁布法规，要求在全国联年美国能源部颁布法规，要求在全国联 邦政府机构的建筑中推广应用地下耦合热泵邦政府机构的建筑中推广应用地下耦合热泵

14、 供热空调系统。供热空调系统。 q 美国总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中也美国总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中也 安装了地源热泵空调系统。安装了地源热泵空调系统。 q 中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家 主要利用浅层地热资源，（埋深主要利用浅层地热资源，（埋深400400米深）的地米深）的地 源热泵用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。源热泵用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。 q 据据19991999年的统计，为家用的供热装置中，地源热年的统计，为家用的供热装置中，地源热 泵所占比例，瑞士为泵所占比例，瑞士为9696，奥地利为，奥地利为3838，丹

15、麦，丹麦 为为2727 。 q 国内的地源热泵起步较晚，近几年已开始产业化国内的地源热泵起步较晚，近几年已开始产业化 起步，而且处在高速发展阶段。起步，而且处在高速发展阶段。 q 19801980年年19981998年主要以天津大学和天津商学院为年主要以天津大学和天津商学院为 主进行土壤热泵模拟实验。主进行土壤热泵模拟实验。 q 19981998年年20042004年重庆建筑大学、湖南大学、天津大年重庆建筑大学、湖南大学、天津大 学、山东建工学院、清华大学等单位在理论研究学、山东建工学院、清华大学等单位在理论研究 和实验研究方面有了一定的成果。和实验研究方面有了一定的成果。 q 最初的地源热泵

16、工程主要是国内一些工程公司代最初的地源热泵工程主要是国内一些工程公司代 理国外产品做的，近两年国内也出现了很多设备理国外产品做的，近两年国内也出现了很多设备 厂商和越来越多工程公司。厂商和越来越多工程公司。 适用于：适用于： 别墅和容积率不太高的公共建筑和办公楼等别墅和容积率不太高的公共建筑和办公楼等 附近有足够打孔或埋管的区域，和适宜打孔附近有足够打孔或埋管的区域，和适宜打孔 或埋管的地质条件或埋管的地质条件 不太适用于：不太适用于： 建筑密度很大的地方建筑密度很大的地方 地质条件比较恶劣的地区地质条件比较恶劣的地区 （如：地下岩层比较厚和硬）（如：地下岩层比较厚和硬） 地埋管的应用可能会受

17、到当地地质条件的制约打地埋管的应用可能会受到当地地质条件的制约打 孔和埋管要占用部分面积孔和埋管要占用部分面积 一次性投资费用比其他系统高，主要是额外增加一次性投资费用比其他系统高，主要是额外增加 地下埋管打孔费用地下埋管打孔费用 地质情况的不确定性地质情况的不确定性 系统设计的技术要求比较高系统设计的技术要求比较高 政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解 在冷负荷大于在冷负荷大于 热负荷时，若热负荷时，若 以夏季冷负荷以夏季冷负荷 设计埋管会大设计埋管会大 大增加初投资，大增加初投资， 冬季又浪费能冬季又浪费能 源，因此可以源，因此可以 采用冷却

18、塔辅采用冷却塔辅 助冷却，减少助冷却，减少 埋管尺寸，降埋管尺寸，降 低安装费用。低安装费用。 这种形式的系这种形式的系 统已成功运用统已成功运用 在了多个商用在了多个商用 建筑中。建筑中。 冷却塔补偿系统冷却塔补偿系统 太阳能辅助系统太阳能辅助系统 在北方，热 负荷大于冷 负荷，采用 太阳能板辅 助加热，可 以减少土源 热泵的尺寸， 提高热泵效 率。夏季还 可以提供生 活用热水。 1.1.垂直垂直( (用于大、中型建筑用于大、中型建筑) ) 2.2.水平水平( (用于小型建筑用于小型建筑) ) 3.3.螺旋螺旋 垂直管路闭式系统垂直管路闭式系统 特点：特点： 不需要直接抽取地下 水，不会对本

19、地区 地下水的平衡和品 质造成任何影响， 不会受到国家地下 水资源政策的限制。 占地比水平埋管少， 热交换比较稳定， 打孔的费用比较高。 特点：特点： 施工比垂直埋管简单，占地较垂直埋管大，当埋深较 浅时，换热易受环境的影响，土方开挖量比较大。 水平管路闭式系统水平管路闭式系统 螺旋闭式 特点：特点： 水平埋管的变种，比水平埋管占地小，单位管长换热 比水平埋管小，管用量比较大。 螺旋管路闭式系统螺旋管路闭式系统 淹没环路闭式系统淹没环路闭式系统 特点：特点： 结合附近地表水系统设计，换热效率较高，受地表水 资源限制较大。 形式 单位长度的换热量单位长度的换热量 上海地区地下上海地区地下5m5m

20、以下，土壤温度基本恒定，接近全年以下，土壤温度基本恒定，接近全年 平均气温（平均气温（15.7 15.7 ），），100m100m处为处为1919左右。左右。 上海地区夏季空调室外计算干球温度为上海地区夏季空调室外计算干球温度为34 34 ，冬季，冬季 空调室外计算干球温度为空调室外计算干球温度为-4 -4 。因此，使用土壤作。因此，使用土壤作 为热泵机组的吸热和排热场所具有很大的优越性。为热泵机组的吸热和排热场所具有很大的优越性。 1.1.投资成本分析投资成本分析 包括：钻井、埋管、地源热泵机组和末端空调系统。包括：钻井、埋管、地源热泵机组和末端空调系统。 据据19961996年年CaneC

21、ane等人的调查，在整个系统总投资中，等人的调查，在整个系统总投资中， 地源部分（包括钻井、回填、埋管）的材料、安装地源部分（包括钻井、回填、埋管）的材料、安装 与施工等费用约占与施工等费用约占20%-60%20%-60%，平均占，平均占30% 30% 2.2.运行能耗分析运行能耗分析 ： 据据19961996年年ManciniMancini等人通过对加拿大和美国的等人通过对加拿大和美国的1212个地个地 源热泵系统的调查表明，地源热泵的年能耗指标远源热泵系统的调查表明，地源热泵的年能耗指标远 低于常规空调系统冷热源平均年能耗指标。低于常规空调系统冷热源平均年能耗指标。 一个经过精心设计、安装

22、和运行维护管理的地源热一个经过精心设计、安装和运行维护管理的地源热 泵系统，在满足同样舒适性标准的前提下，其年运泵系统，在满足同样舒适性标准的前提下，其年运 行能耗可仅为常规空调系统的行能耗可仅为常规空调系统的50%50%。 3. 3.维护和维修费用维护和维修费用 ： 不同的建筑物形式，其地源热泵的维护、不同的建筑物形式，其地源热泵的维护、 维修费用也不同。维修费用也不同。 在所调查的建筑物形式中：在所调查的建筑物形式中： 学校类建筑的维护维修费用最低学校类建筑的维护维修费用最低 办公类建筑最高办公类建筑最高 住宅公寓类建筑介于以上两者之间住宅公寓类建筑介于以上两者之间 一一 施工准备施工准备

23、 二二 竖孔施工（水平埋管等）竖孔施工（水平埋管等） 三三 地下换热器系统连接地下换热器系统连接 一一 、施工准备、施工准备 1 分析地质资料，进行地下换热器的计算，确定施 工方案； 2 分析方案，依据图纸、方案明确任务目标； （前期准备，需打测试孔，获得相关参数） 3 准备专用施工机械：钻孔机，回填泵等； 4 准备专用管材专用回填料（按地质特征进行配 方）等； 5 按图纸要求放线定位，明确打孔位置。 (1)(1)现场调查现场调查 q 建筑周围是否有树和高架设施建筑周围是否有树和高架设施 q 有哪些地下服务设施有哪些地下服务设施 q 实际可用的场地形状和面积实际可用的场地形状和面积 q 是否便

24、于就近大量排水是否便于就近大量排水 q 附近是否有地表水等水源附近是否有地表水等水源( (通常为通常为200m200m以内以内) )以供钻井使用以供钻井使用 q 是否能提供是否能提供380380伏电源伏电源 (2)(2)地质咨询地质咨询 q 向地质有关部门咨询向地质有关部门咨询 q 有关这个地区各地层地质构造了解其岩石硬度有关这个地区各地层地质构造了解其岩石硬度 q 地下水的分布情况地下水的分布情况 (3)(3)将以上两点综合起来加以分析解决确定其可行性与经济性将以上两点综合起来加以分析解决确定其可行性与经济性 二二 竖孔施工竖孔施工 1 1 放线，定位，对点开钻；放线，定位，对点开钻； 2 2 掘进；掘进； 3 3 提起钻杆准备埋管；提起钻杆准备埋管； 4 4 下管直至要求深度；下管直至要求深度； 5 5 完成打孔