制冷厂热泵技术资料

GV1目录

概述1

第一章热泵的发展及建筑节能4

1.1热泵的概述

1.2热泵的起源及发展

1.3热泵的冷热源

1.4热泵的特点

L5空调系统的节能

第二章热泵的分类及特点8

2.1空气源热泵

2.2水源热泵

2.3地源热泵

第三章地源热泵系统介绍19

3.1能量采集系统

3.3能量释放系统

3.4流体循环系统控制

第四章地源热泵的安装及检验

4.1水平热交换器的安装

4.2垂直热交换器的安装

4.3垂直换热器的成孔

4.4地源热泵土壤换热器系统的连接

4.5土壤换热器的沟孔回填材料

4.6膨胀水箱容积和安装

4.7地耦管换热器的防菌防藻

4.8检验

工程实例60

概述

热泵作为环保节能的供热空调系统，仅利用了空气、土壤、地下水和地表水（江、

河、湖、海）等作为冷热源，避免了燃料产生的污染，又具有良好的综合能效比。热

泵技术的不断发展和深入，将使热泵汲取能量方式有所发展，从而使机组的能效比更

佳。

大力发展热泵很有必要性。尤其在冬冷夏热地区，使用一套热泵系统，完成建筑

物夏季空调、冬季供暖和全年供卫生热水三项工作，是最理想的选择。

从目前热泵市场上看，除了要加强按照汲取低品位能源对象的不同研发出不同系

列的专用热泵机组外，更要注意热泵机组系统所相关的配套产品。譬如恒温换气机、

顶棚空调板、低温地板辐射采暖板等，这样就有不同形式的热泵系统应用在各大地区

建筑物中。

由于热泵技术在我国应用较晚，有学者认为：业界对热泵系统还缺乏普遍的共识

和基本鉴定力。这里的“普遍的共识”是指在技术和经济两方面对热泵系统的优越性

的认知；“基本鉴定力”是指具有识别和鉴定热泵系统技术优越性的能力和权威。在

地源热泵系统中，土壤换热器的教学科研与社会化需求存在脱节的现象。在热泵技术

推广过程中，把技术与商务混同起来，导致各工程公司太多地致力于商业运作而忘记

了自己为业主负责，同时也致使业主忘记了如何从技术经济各方面综合评价和看守住

自己的利益。

从社会公众的利益出发和持续发展战略的要求来看，还必须通过立法建立必要的

法律，法规，规范及标准体系，作为建筑及空调系统设计的约束条件，限制不合理的

能源过度消费，保护环境，使建筑节能设计和施工规范化，使节能的热泵技术得到有

效的推广。

我们要树立起只有民族科技才是国家生产力的观念，要体味到只有民族科技才是

国家生产力的切肤之痛。所谓民族科技就是独立自主、自力更生的科技。在热泵技术

的发展和推广上我们深感能力有限，希望对热泵技术有兴趣的广大专家和技术人员，

在一个组织范围内一起丰富和完善对热泵技术的认识和经验总结，让节能环保的热泵

中央空调系统为我们创造一个舒适的生活空间。

近年来，美国能源部等国际上一批机构都表示愿意继续帮助和支持中国推广这项

具有明显节能、环保效果的新型地源热泵技术，中国科技部、国家经贸委、国家计委

等机构和一些地方政府也表示将继续支持推广该工作。有这些机构的大力支持，再加

上人员培训和技术交流活动的日益增多，我们有理由相信地源热泵这项作为二十一世

纪节能、环保的新型建筑空调技术将得到更进一步的推广和应用，人类也将从这项技

术中得到更多的实惠。

地源热泵的主要特点：

1、可再生能源

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)作为冷热源进行

能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳

能量，比人类每年利用能量的50()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，使得地能成为清洁的可

再生能源的一种形式。

2、高效节能

地能或地表浅层的热资源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，是很好的热泵热源和空调冷源，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%,比空气源热泵系统运行效率要高60%,因比可节省运

行费用40%〜60%。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、更稳

定，也保证了系统的高效性和经济性。

3、环保无污染

地源热泵中的传热介质是在一个完全封闭的循环管道内流动，通过管壁导热与岩

土进行热量的转换。地源热泵没有任何污染物排放，低噪声，不影响人们的正常生活

和工作，并且系统内装有新风装置，改善了室内的空气环境，使人感到更加的舒适。

工程系统的安装不改变原建筑物的外观。

4、功能多，应用范围广

地源热泵系统可用于供暖、空调，同时还可用于供卫生热水，一机多用，一套系

统可以替换原来的锅炉加空调两套装置或系统。此系统可应用于几万平米的大型宾馆、

商场、办公楼、学校等建筑，也适合于小型的别墅住宅的采暖、空调。此外，系统地

下部分采用耐腐蚀的材料，免维修，可安全使用50年以上，使用寿命长；机组结构紧

凑，节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。

第一章热泵的发展及建筑节能

1.1热泵的概述

随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空调已经成为

普遍的要求。如今，人们对室内环境提出了更高的要求：健康，舒适，安全和方便。

空调能耗所占全社会的份额节节攀升，成为能耗大户。作为中国传统热源的燃煤锅炉,

不仅能源利用率低，而且还会给大气造成严重的污染，因此在一些城市中，燃煤锅炉

在被逐步淘汰，而引进的燃油、燃气锅炉则运行费用很高。与此同时，室外环境污染

和自然资源枯竭的问题已经成为全社会关注的焦点。这样，热泵技术就成为一种在技

术上和经济上都具有较大优势的解决供热和空调的替代方式。

建筑物的中央空调系统应满足冬季供热和殳季制冷两种相反的要求。传统的空调

系统通常分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉），而热泵中央空调系统则可以省去

锅炉，去掉冷却塔，从而节省了投资并减轻了对大气的污染。

L2热泵的起源及发展

热泵技术的理论基础起源于1824年卡诺发表的关于卡诺循环的论文。30年后开尔

文提出“冷冻装置可以用以加热”，1852年威廉・汤姆逊发表论文，提出用空气作为工

质的热泵技术，到1927年英格兰一台用空气作热源的家用热泵安装成功，日本是在1937

年开始采用透平式压缩机，以泉水作为低温热源为大型建筑物进行空气调节的，1938

年第一台较大的热泵装置在苏黎世投入运行。这台热泵装置以河水作为热源，装有一

台回转式压缩机，工质是R12,用来向市政厅供热，其输出功率175kW,输出水温60℃,

而且此热泵装置夏季也能制冷。此后在欧洲的瑞士和英国，热泵的数量已经很可观。

20世纪70年代初期，人们广泛的认识到矿物燃料在地球上是有限的，1973年“能

源危机”的出现更加深了人们对地球能源有限性的认识。而热泵以其回收地下岩土、

空气、水等物质中的低温热源的热量、节约能源、保护环境的特点得到了广泛的应用。

7（）年代以来，欧洲各国和苏、日、美、澳等国家对热泵研究工作十分重视。苏、

英、法、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国家都参加了世界能源组织1976年成立的“国

际热泵委员会”。

目前，世界各国对热泵技术应用的兴趣越来越浓，欧洲、日本、北美的制造厂商

都为工、业、商业、民用建筑提供了大量热泵。诸如国际能源机构和欧洲共同体都制定

了大型热泵发展计划，且不少现有热泵技术和新技术试验在新领域中的推广应用工作

也正在进行和规划当中。而热泵的用途也在不断开拓，不仅仅用于采暖空调系统上，

而且在工农商业上也得到广泛的应用。热泵工业正在迅速成长，它将在节约能源方面

起到重大的作用。

1.3热泵的冷热源

热泵的作用是能够将低温位能源的热量提升为高温位能量。热泵运行时，通过蒸

发器从热源中吸取热量，再通过冷凝器向用热对象提供热量，故热源温度的高低是影

响热泵运行性能和经济性能的主要因素之一。在一定的供热温度条件下，热泵热源温

度与供热温度之间的温差越小，热泵的制热效率越高C因此作为热泵的热源应满足如

下一些要求：

♦热源温度尽可能高，使热泵的温升尽可能小，以提高热泵的制热系数；

♦热源温度的时间特性和供热的时间特性尽量一致；

♦热源对换热器应无腐蚀作用；

♦热源应能提供足够的热量；

♦热源能量的提取要尽量减小动力消耗。

热泵的热源可分为两大类。一类是自然热源，热源温度较低，如空气、水（地下

水、地表水、江、河、湖等）、土壤和太阳能等；另一类为生活和生产排热，这类排

热温度较高，如废气、废水等。

1.3.1空气

空气作为低温位热源，可以无偿的随时随地采用，但是空气的比热容小，当工质

温度与环境空气温度相差10℃时，从空气中每吸收Ikw的热量，所需的空气流量为

360m3/h,大风量使热泵机组的体积增大，而且造成一定的噪声。随着空气温度的下降,

热泵的效率降低，有些热泵虽然可在-15℃〜-20℃仍可运行，此时的制冷系数将降的很

低。

1.3.2水

可供热泵作为低温位热源用的水，有地下水、地表水、工业废水等，水的比热容

大，传热性能好，水温一般很稳定。

地表水相对空气来说，可算是高品位热源，只要冬季不结冰，均可作为低温位热

源使用，可获得较好的效果。我国拥有绵长的海岸线，沿海地区可充分利用海水资源

作为热泵冷热源。

地下水是热泵良好的低温位热源，水温随季节气温的变化较小，水温比当年的平

均气温高1〜2℃,在我国华北地区为14±1℃,华东地区为20±1℃,东北地区为1O±1C,

采用地下水时应注意水的回灌和回灌水对地下水层的污染等问题。

工业废水的温度较高，是很好的低温位热源，只要做好去污除尘，利用价值较高。

特别要注意的是，目前已经采用深层地下高温水供暖的建筑物尾水作为热泵的热源。

1.3.3土壤

土壤同样是热泵的一种良好低温位热源，温度相对稳定，并有一定的蓄能作用。

但由于土壤的传热性能欠佳，要较大的换热面枳，导致建筑物周围要有足够大的可使

用面积。土壤的传热性能取决于导热率、密度、比热容和含水量。

1.3.4太阳能

太阳能集热器在实际运行中，受季节、昼夜、时间、气候的影响较大，采用太阳

能供热，在技术上和经济上都存在一些问题。太阳能集热器与热泵的联合运行，使太

阳能集热器在5c〜10C低温下集热，再由热泵装置升温给供热系统，这是一种利用太

阳能较好的方案。

1.4热泵的特点

・空调系统冷热源合一；

•无冷却塔水系统；

•无锅炉的污染；

•系统设备少且集中；

I.可组装成大型整体式或小型模块式机组。

1.5空调系统的节能

建筑物的节能是一项综合性的技术，包括建筑物本身和空调系统、设备的节能。

所以，建筑物节能需要采用各种方法。

第二章热泵的分类及特点

热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。按热泵驱动功的形式分机

械压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵。常见的是机械压缩式热泵。根据机械

压缩式热泵所吸收的可再生低位热源的种类热泵可分为：空气源热泵（空气•空气热泵、

空气-水热泵）、水源热泵（水-水热泵、水-空气热泵）和地源热泵（土壤-空气热泵、

土壤-水热泵）等。

蒸汽压缩式热泵装置的工作原理与蒸汽压缩式制冷机的工作原理是一致的。逆卡

诺制冷和逆卡诺制热循环的组成和作用是相同的，都是由两个可逆的绝热过程和两个

可逆的等温过程所组成，在蒸发器中的等温过程从低温热源中吸取热量（制冷）；在

冷凝器中的等温过程向高温热源放出热量（供热）。夏季空调降温和冬季采暖，都是

使用同一套设备完成的，冬季采暖和夏季空调的改变，是机组内通过一个换向阀来调

换蒸发器和冷凝器_L作的，因此热泵又可定义为能实现蒸发器与冷凝器功能转换的制

冷机。

2.1空气源热泵

空气源热泵系统是以空气作为低温热源，可以取之不尽，用之不竭，而且是无偿

地获取。分体式热泵空调机、VRV热泵空调系统、大型风冷热泵机组等，均属于空气

源热泵。

这种空气源热泵的安装和使用都非常方便，已经被人们广泛应用很多年，但目前

仍存在一些缺点。

由于空调空气的状态参数随地区和季节的不同而不同，这对空气源热泵的容量和

制热性能系数影响很大，空气温度偏高或偏低时，热泵的制冷性能系数就会变得很低。

尤其在冬季，当空气、温度很低时，这时需求的供热量就很大，势必造成热泵供热量与

建筑物耗热量之间的供需矛盾。

冬季空气温度很低时，空调换热器中的工质蒸发温度也很低。当空调换热器表面

温度低于（）℃,并且低于空气露点温度时，空气中的水分在换热器表面就会凝结成霜,

导致蒸发器的吸热量减少，热泵不能正常供热。

空气源热泵的除霜需要一定的能耗。

要保证空调换热器能获得足够的热量，就需要较大容量的风机供风，这样就增大

了空气源热泵装置的噪音。

空气源热泵在我国典型的应用范围是长江流域以南地区。而在北方地区，冬季平

均气温低于0℃,空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且存在结霜问题，效率

较低，因此空气源热泵用于北方地区时，必须慎重考虑！

所以热泵装置的设计要考虑防止空调换热器的结霜，还要选择良好的除霜方式。

其一般的除霜方法有：

1）把压缩机的部分高温热气经旁通管直接送入蒸发器进行除霜；

2）利用四通阀，将热泵由供热工况运行变为制冷工况运行，这种方法除霜快，但

要消耗大量能量；

3）在空调换热冷内镶入电加热渊，用电加热除霜。

不同地区和不同品牌的空气源热泵机生除霜采用的方法不同，空气源热泵系统防

霜和除霜的能耗估计占热泵总能耗的10%,但是霜层的形成造成换热器运行性能下降

是无法确定的。

空气源热泵系统在使用时还应注意以下三个方面：

♦经济合理地选择平衡点；

♦热泵系统应配备一个合理的辅助加热装置；

♦热泵系统的自动能量调解。

目前，由于对空气源热泵存在的固有问题还没有找到有效地解决办法，所以空气、

土壤、太阳能的综合利用是一种发展趋势。

2.2水源热泵

水源热泵中央空调系统是由室内空气处理末端设备、水源热泵机组和水源循环系

统三部分组成的。制冷时，水源热泵中央空调系统中的末端设备将建筑物内的余热通

过热泵机组转移到循环的水源中，实现了制冷的弓的，同时省去了水环热泵中的冷却

塔；制热时，水源热泵机组中的制冷剂将在循环水源中吸收热能，利用少量的电能将

吸热后的制冷剂压缩到高温高压状态，制冷剂再将吸收的全部热量释放到采暖系统中,

从而达到了将吸收的可再生低温热源的热能输送到高温热源的目的，实现了可再生能

源对水环热泵系统中传统锅炉的取代。

系统流程图如下所示:

压缩机组消耗电能3kW（2857Cal）

29%

w

目前.，水源热泵广泛采用地下水资源，如果存在地表水或通过开发能够引到地表

水，也可直接利用地表水作为热泵的冷热源。目前应用较多的有海水热泵、污水热泵、

工业废水热泵等。在开式形式时，必须解决排水问题；如果采用聚乙烯管制作盘管换

热器，需合理布置在现有水体中，用集路管连成数个环路，构成一个闭式并联循环系

统作为热泵系统的冷热源。在现已利用的地热水供暖建筑物中，可以将末端尾水作为

水源热泵的热源，这样大大增加了地热水供暖的建筑面积。

2.2.1地下水水源热泵系统（GWHP）

草坪

土

设备间壤

岩

回水管出水管石

地

回灌井抽水井下

岩

曲,囿石

一

+

地下水水源热泵系统图

地下水水源热泵系统（GWHP）,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到水源热泵机组，经提取热

量或释放热量后，由叵灌井群灌回地下。如果真正实现100%的回灌到原水层，这样就

能保证地下水总体上的供回平衡。

地下水水源热泵中央空调系统是目前应用最普遍的一种形式，与地下埋管的“闭

式”地源热泵相比，由于其造价低、容量大、水的温度稳定，所以市场占有率高，但

是由于地下水回灌的堵塞问题没有得到根本解决，在使用方面、地质环境方面的问题

比较突出。这些问题能否解决，一方面影响这项技术的可持续发展；另一方面，也直

接影响我们共同的生活环境。

地球并不是一个均质体，而是具有圈层结构的。我们所应用的是地球最外面的一

层硬壳一一地壳。地壳是由各种各样的固体岩石组成的。在地表浅层形成的未经压固、

胶结的碎屑堆积物称为松散岩石或第四纪松散堆积物，如：粘土，粉质粘土，粉土，

砂，砾石，卵石，以及砂砾石、砂卵石的混合堆现物。

构成地壳的岩石，无论是松散堆积物还是坚硬岩石，都具有多少不等、形状不一

的空隙，没有空隙的岩石是不存在的，岩石空隙是地下水储存场所和运输通道。松散

岩石颗粒或颗粒混合体之间的空隙称为孔隙，它的大小、多少、形状、连通情况和分

布规律，对地下水的分布和运动有重要影响。孔隙大小和数量不同的岩石与水作用，

所表现出的容纳、保持、给水和透水性质称为岩石的水理性质。

水文地质参数是表征含水层性质特征的参数.在水源热泵工程设计中，常用的参

数有渗透系统、导水系数、释水系数、给水度等，这些参数是水文地质计算和合理利

用地下水的重要依据，同样关系到抽水量和回水量评估结果的正确与否。

地下含水层是天然的地下水库，但在无充足天然补给的条件下，地下水并不是“取

之不尽，用之不竭”的自然资源。大量集中采集地下水，使得地下水储量E趋枯竭，

已造成抽水井水位逐渐下降，最后将难于抽水。地下水人工补给，又称地下水人工回

灌，是当今水源热泵系统广泛采用的方法，不仅可以增加地下水的补给量，而且还可

以防止地下水位下降，控制地面下沉。

目前大多数地下水热泵工程直的地下水系统非常简单，一般采用直流系统，即地

下水经热泵系统后直接向回灌井或地表排放。由于工程造价低、制冷制热效果好，受

到了相当一部分用户的欢迎。而地下水是一种优质的淡水资源，是国家的一种战略物

资，大规模的使用地下含水层，一旦出现地质环境问题，后果将是无法弥补的。随着

地下水资源的口益减少，这类现象己经引起了一些专家和政府有关部门的重视，并要

求对地下水实行全部回灌。有部分工程项目声称解决了地下水回灌问题或称回灌率达

到100%,但对回灌当地的地质条件如何、采取何种回灌方式、回灌的质量如何等等，

则避而不谈，因而国内的一些专家和政府管理部门对这项技术持慎重态度足可以理解

的。所以，地下水热泵技术的推广应用有待地质水文科技的进步。

地下水回灌基本上采用原有的人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。

压力回灌适用于范围较广的含水层，而真空回灌仅适用于低水位和渗透性好的含水层。

从理论上讲，地下水灌抽比可达到100%。但是，目前多数国家的地下水回灌技术

还不成熟，特别是在含水层砂粒较细的情况下，井很容易被堵塞，回灌的速度大大低

于抽水的速度。

在回灌过程中，井的堵塞是不可避免的，通常采用回扬清洗的方法来维持地下水

的回灌。对于含有中、细砂的含水层，压力回灌每天需回扬2〜3次，真空回灌每天需

要回扬1次。回扬和清洗处理都是非常专业的工作，无形中增加了系统的维护费用和

运行费用。在地下水水源热泵系统工程设计时，要重视地下水流程中的过滤、除砂、

沉淀，尽力减少回灌水的含砂量，避免回灌井渗水和毛细孔堵塞，建议建造一蓄水池。

如图：

A湍.水回灌井供外

I、L回水展~

温水池

海水皿A_滋

回水池二蠡沆淀池

7^产___________________________

A▼

热泵回水热泵供水

手动开启抽水泵，井水自井供水口流入沉淀池，清洁的水由热泵供水口流进热泵

系统换热器，换热后的水经热泵回水口进入回水池，回水池水位上升，水由溢水堰流

入溢水池，经回水堰回到沉淀池，关闭抽水泵，再将水泵的控制开关调向It动，回水

与井供水混合后再为热泵系统提供换热用水。当沉淀池内的混合水温超出设定温度范

围之外时，抽水泵自动开启，向沉淀池供水；当溢水池内的水位超过溢水回灌口的高

度时，池内的水流入回灌井。回水堰、溢水回灌口和溢水堰的高度由工程系统用水量

的数量来确定。当沉淀池混合水温回到设定范围内时，抽水泵自动关闭。回灌井和供

水井的定期输换，交替使用，可代替回水井的回扬清洗工作。

对小型建筑物的水源热泵中央空调系统的冷热源，可采用单井回灌或抽水井和回

水井连通的方式。

地质环境的问题主要表现在以下两个方面：

①地面沉降

地下水的过度抽取会引起地面沉降，后果是对地面的建筑物产生直接的破坏作用。

如果实行100%的回灌到原水层，使总体上保持地下水供给平衡，局部地下水的变化就

不至于引起地面沉降。

②地下水质污染

由于地下水水源热泵并不是密闭的循环系统，回灌过程中的回扬、水回路中产生

的负压和沉砂池，都避免不了空气和地下水的接触，导致地下水氧化。地下水氧化会

产生一系列的水文地质问题，如地质化学变化、生物变化等。采用井口换热器，尽量

减少地下水与空气的接触，并对回路中所用器材做防腐处理，这样可以减轻空气对地

下水的污染程度。回灌水的环保处理不仅不会污染地卜.水，而且还能缓解地下水的污

染，改善地下水水质。

总结：水文地质问题的出现，将是一个无法挽回的灾难，从危害程度上来讲，不

亚于空气污染的危害性，治理更是无从谈起。所以地下水水源热泵的发展将是举步维

艰的。

2.2.2地表水水源热泵系统(SWHP)

7st----设备间华坪

---------/回水管油地

Sn®Hi水管/摭热繇

地表水水源热泵系统图

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、水库以及海水

作为冷热源。水源热泵的开式系统有涉及面广、复杂，会造成环境污染和地表水资源

枯竭，而且直接抽取换热方式对热泵机组还有腐蚀和堵塞等现象，因此系统应当谨慎

采用。建议使用间接换热方式为佳。

地表水水源热泵与地下水水源热泵比较，运行工况要恶劣的多。作为冷热源的地

表水受环境影响较大，一年内温度变化大，夏季水温高达25℃以上，冬季低到5℃以

下，北方内陆湖的冰下水温仅在2℃左右。

2.2.3土壤源热泵

土壤源热泵早已被人们所认识，在建筑物中应用了数十年。土壤源热泵系统是一

种领先的空调技术，它可以实现水源热泵系统的诸多优点，并且还能节省相当可观的

运行费用。土壤源热泵系统解决了水源热泵系统的地下水回灌问题（因为本身并不抽

取地下水资源），避免了地下水资源对热泵机组使用的影响和地下水被污染的可能性。

土壤源热泵系统占地空间小，并且系统的安装和使用不会改变建筑的外观和结构。土

壤源热泵系统是通过导热介质溶液在埋入地下的循环系统中流动，实现与大地之间的

热交换的。

地耦管土壤源热泵系统是一个密闭的闭路循环系统，它保持了地下水水源热泵利

用大地作为冷热源的优点，同时乂不需要抽取地下水作为传热的介质。地耦管土壤源

热泵系统从根本上解决了地下水水源热泵的种种弊端，是一种真正可持续发展的建筑

节能的新技术，而且还具有适用范围广、运行费用低、节能和环保效益显著等优点。

土壤源热泵系统中的土壤换热器埋管方式可分为：水平式土壤换热器，垂直u型

式土壤换热器，垂直套管式土壤换热器，热井式土壤换热器，直接膨胀式土壤换热器。

2.2.3.1水平式土壤换热

水平地埋管普遍使用在单相运行状态的空调系统中，一般的设计埋管深度在1.5〜

3米之间，在只用于采暖时，土壤在整个冬天处于饱和状态，沟的深度一定要深一些。

设冬间土壤层

回水管草坪

sn四回濯井地耦管

-6WGd&各。&&®-<5)

水平式土壤换热器埋管方式

2.2.3.2垂直U型式土壤换热器

垂直U型式土壤换热器是钻孔将U型管深埋在地下，因此与水平土壤换热器的比

较具有使用地面面积小、运行稳定、效率高等优点。

垂直U型式土壤换热器埋管方式

2.2.3.3垂直套管式土壤换热器

换热器有内套管和外套管的闭路循环系统，水从外套管的上部流入管内，循环时,

水沿外套管自上至下的流动，从外套管的底部经内套管上流到顶部出套管。

套管式土壤换热器适合在地下岩石深度较浅钻深孔困难的地表层使用。通过竖埋

单管试验，套管式换热器较U型管效率高20〜25%。竖埋套管式孔距在2〜3m,孔径

在150〜200mm,外套管直径中63〜690〜①120mm,内套管直径中25〜①32mm。

目前在欧洲的瑞典采用较多的套管式土壤换热器，如下图所示：

入水

出水

垂直套管式土壤换热器埋管方式

2.2.3.4.热井式土壤换热器

热井式土壤换热器式套管式换热器的改进，在地下为硬质岩石地质，可采用这种

换热器。

护套内管出水管

回水管、中虚舞介灰泵草坪

++++

上土壤层十

++++

岩石层日

介质溶液

热井式土壤换热器埋管方式

在安装时，地表渗水层以上用直径和孔径一致的钢管做护井套，护套管与岩石层

紧密连接，防止地下水的渗入；渗水层以下为自然空洞，不加任何固井措施，热井中

安装一个内管到井底。内管的下部四周钻孔，其中上部分通过钢套直接与土壤换热，

卜,部分循环水直接接触岩石进行热交换。换热后的流体在井的卜.部通过内管下部的小

孔进入内管，再由内管中的抽水泵汲取水作为热泵机组的冷热源，此系统为全封闭系

统。

2.23(1,2,3,4)都归属于地下耦合土壤源热泵系统，称地耦管土壤源热泵系

统或地下热交换器土壤源热泵系统。这一闭式系统方式，通过中间介质作为载体，使

中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的

目的。这种换热形式的热泵系统，人们习惯的称为地源热泵。关于热泵系统的更明确

的新的定义有待业内权威机构认同。

地耦管土壤换热器土壤源热泵流程示意图如下：

热泵机组

进

西

热

水

出

箱一膨胀补水

访田.一装置

卫生热水

-

空

璘

缩*

机

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空

器

调

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止日,再」4日阀

十方晶tL

止口用网门止回网米

排

士壤换热器方

内置式土壤源热泵系统流程示意图

上塘换热器

外置式土壤源热泵系统流程示意图

2.3.地源热泵（直接膨胀式土壤换热器）

设备问草坪

I」水管出水管

直接膨胀上壤层

换热费岩石层

直接膨胀式土壤换热器埋管方式

此系统不采用载冷剂来传递热量，而是将热泵机组的一个换热器（蒸发器、冷凝

器）埋入地下土壤中，制冷剂通过此换热器直接换热。

直接膨胀式土壤换热器形式的热泵系统称为地源热泵这是无可非议的。但是，目

前人们把地下水水源热泵称为水源热泵；把土壤源热泵称为地源热泵也已经为大家所

共识。因此，我们也很自然的将土壤源热泵技术称为地源热泵技术。按照土壤源热泵

实际运行工况设计、制造的机组称为地源热泵专用机组。

第三章地源热泵系统介绍

地源热泵技术，是一种利用浅层常温土壤中的能量作为能源的高效节能、无污染、

低运行成本的既可采暖又可制冷、并可提供卫生热水的新型空调技术。地源热泵系统

是利用地下土壤常年温度相对稳定的特性，通过埋入建筑物周围的地耦管与建筑物内

部完成热交换的装置。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑物供暖，同

时把建筑物内的冷量储存至地下，以备夏季制冷使用：夏季通过热泵将建筑物内的热

量转移到地下对建筑物进行降温，同时储存热量，以备冬季制热时使用。如果夏热冬

冷地区制冷和采暖天数基本一致，冷暖负荷大致相同，使用同一系统，可以充分发挥

地下储能的作用，同时还能供应生活热水。因此地源热泵技术被称为二十一世纪的“绿

色空调技术”，地源热泵中央空调系统也成为目前中央空调方案中的最佳选择。

“地源热泵(GSHP)”是在地下水源热泵的基础上发展的，20世纪50年代，热

泵，艺获得迅速发展，欧洲出现了利用地表水热泵的第一次高峰。当时“电器服务”

杂志以“能源经济与热力学热泵”为题发表了一篇专门报告，报告描述了1937〜1941

年间安装的各种热泵装置。在这一时期，Ingersoll和Plass根据Kelvin线元概念提出了

地下埋管换热器的线热源理论，可由于当时能源价格低、系统造价高、人们思想意识

的制约等因素存在，没能得到及时的应用和推广，地源热泵的研究虽然是从1912年开

始的，但直到1950年左右，美、英两国才开始对采用地下盘管吸收地热作为热源的家

用热泵进行研究。

热泵技术的真正蓬勃兴旺还是在1973年“能源危机”后出现的，2()世纪7()年代,

石油危机把人们的注意力集中到高效、节能的能源利用上面来，使地源热泵的发展得

到了一次质的突破。在这一时期，地下埋管的材料从传统的金属管发展到具有抗腐蚀

性能好、抗冲击强度高、耐强震、耐扭曲的聚乙烯材质。地源热泵以充分利用可再生

能源、节约高品位能源的特点，越来越受到人们的广泛关注。

1995年，在国际地热学术会议上，英国学者Curtis代表国际地热组织发表了关于

应用地下封闭循环体系的地源热泵系统的调查报告，其结论为：封闭循环的地源热泵

(CLGSHP,CL-封闭式)系统是世界能源市场的成熟技术之一，它与现实存在的用电

供热/制冷技术相比，具有稳定性好，可靠性高，且花费更少的优势。

有关资料指出，在欧洲各国热泵的总装机量约115万台，其中用于供暖的热泵数

量为60万台，制取卫生热水的热泵数量为55万台，采用的主要是地源热泵系统、空

气源热泵系统和水源热泵系统，分别占47.25%和41%,而水源热泵系统的份额较小,

约为11.75%。

在中北欧的瑞士、瑞典、奥地利、丹麦等国家，对地源热泵（土壤换热器）技术

的利用处于领先地位，地源（地耦管土壤换热器）热泵得到广泛的应用。据统计，在

这些国家中，地源热泵所占的份额为：奥地利80%、德国72%、瑞典72%、芬兰52%、

瑞士40%、比利时30%、挪威17%、法国15%。

地源热泵是美国政府推荐的热泵技术，地源热泵占整个空调总量的20%。1998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耦管土壤换热器

的地源热泵空调系统。同年，中国科技部与美国能源部共同签署了“中华人民共和国

科学技术委员会和美利坚合众国能源部能源效率和可再生能源技术的发展和利用领域

合作协议书”。

1998年II月，中美两国专家共同制定了《美国十一气型土壤源热泵技术在中国合

作推广计划书》，并在华盛顿举行的中美两国《能源效率与可再生能源技术发展与利

用领域合作议定书》工作小组工作会议上获得通过，这将有利于我国地源热泵的推广

应用。

地源热泵中央空调系统主要分为三部分：一是能量采集系统；二是能量提升系统;

三是能量释放系统。

3.1能量采集系统

大地土壤中蕴藏着丰富的低温热能，虽然与深层的高品位能量相比，浅层土壤热

能品位要低，但是采集利用价值很大。因为浅层地下能源是一个巨大的太阳能集热器,

可吸收47%太阳照射在地球上的能量，同时它和地心热综合作用形成一个相对的恒温

层，这个恒温层大约在地面以下30m〜400m之间，它的温度接近全年的地表平均温度,

温差波动在较深的地下消失。这个恒温层储存了取之不尽、用之不竭的低温可再生能

源，通常把这种能源称为浅层低温地热能。

3.1.1土壤的物理特性

采取地耦管热器的地热泵系统就是充分利用了这种浅层低温地热能，把大地作为

热源，通过热交换器来传递热量。土壤的性质随着地区和季节的变化而不同，不同的

土壤作为热泵的低温热源，目前还难以作出优劣的评价。影响这个传热过程的因素主

要有两个：一是传热面积；二是土壤的热力参数，包括土壤的热工特性、大地的平均

温度、土壤的含水率、土壤的密度和地下渗流等。

3.1.1.1热工特性

热工特性主要包括导热系数、容积热容量、热扩散率等。其中导热系数表示土壤

传导热量能力的一个热物理特性指标，在数量上为kCal/m-h•℃,土壤的容积热容

量表征土壤的蓄热能力，而热扩散率则表征土壤温度场的变化速度。导热系数、容积

热容量、热扩散率因土壤成分、结构、密度、含水量的不同而不同，并随着地区不同

和季节的变化而变化。在同一地区，土壤换热器对土壤的放热能力和对土壤的吸热能

力是不同的。一般情况，吸热能力小于放热能力，在数据上，吸热量是放热量的0.6—

().8倍。

热量传递有三种基本方式：导热、对流和热绵射。

十壤换热器运行时的热量传递过程是：

在此过程中，介质溶液在埋管内宏观流动，冷热溶液相互掺混引起热量传递，形

成对流换热，此过程中液体的粘滞力和流动速度影响其换热效果。溶液的热量通过导

热传递到管壁时，热量从内管壁传到外管壁，热传递的效果受管材的导热系数影响。

外管壁对土壤的传递效果取决于回填料和土壤的熔性。

3.1.1.2大地的温度

对大地土壤温度情况的了解是很重要的，因为驱动热传递的就是大地与循环水之

间的温差。地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带、增温带。变温带的地温受

气温的控制呈周期性的昼夜变化和年变化，随着深度的增加，变化幅度很快的变小。

地卜.温度

JF

AM早份，A

_

_

2S_

2Oi

14W'I

5

0408012016020024028032038

BtM<X>

气温的影响趋于零的深度叫常温带，常温带的地温一般略高于所在地区年平均气

温的1〜2℃,在概略计算时，可用所在地区的年平均气温来代替常温带的温度。常温

带的深度在低纬度地区为5〜10m,中纬度地区为10〜20m,有些地区可达30m左右，

在某地区测定，10m深的土壤温度接近于该地区全年平均气温，并且不受季节的影响。

在0.3m深处偏离平均温度±15℃,在3m深处为±5℃,而在6m深处为±1.5℃,温差

波动在较深的地方消失。

常温带以下的深度称为增温带，增温带的地温主要受地壳内部热力的影响，温度

随着深度的增加而有规律升高,且温度每增加1℃所增加的深度称为地热增温级（m/℃）,

一般平均每33m升高1C。但由于岩石的导热性和水文地质条件的不同，各地区的地

热增温级有很大差异。在数据上为：

TH=TB4-（H-h）/G

其中：TH——地表下深度H处的温度（℃）

TB——所在地区年常温带温度（°C）

h一一年常温带深度（m）

H一一地表下的深度（m）

G一—所在地区地热增温级（m/℃）

华北地区为33〜43mTC,北京地区是50m/C,东北大庆地区为22向℃,各地区

的大地平均温度、地表面温度和最低表面温度的天数等须有关部门研究统计，供人们

查阅。

3.1.1.3土壤的含水率

土壤的含水率是影响传热能力的

重要因素，当水取代土壤微粒之间的

空气后，它减小微粒之间的接触热阻,

提高了传热能力。土壤的含水量在大

于某一值时，土壤导热系统是恒定的,

称为临界含湿量，低于此值时，导热

系数下降，在夏季制冷时，热交换器

1.41.61.82.0

士・导热乐敷

向土壤传热，热交换器周围土壤中的S/M.C)

水受热被驱除。如果土壤处于临界含

湿量时，由于水的减少使土壤的导热l(x

90

f)i80

x

系数下降，恶性循环，使十壤的水分/70

R«o

a50

»

更多的被驱除。土壤含水率的下降，D40

*30

20

使土壤吸热能力衰减的幅度比土壤放IO

热能力衰减的幅度相龙■较大。所以在

干燥高温地区采用地耦管要考虑到土1.61.61.7,1.81.922.1

上,导热系敷C/M.C)

壤的热不稳定性。在实际运行中，可

以通过人工加水的办法来改善土壤的含水率。有些研究表明转换相同的热量所需的管

长在潮湿土壤中为干燥土壤的1/3,在胶状土中仅为干燥土壤的l/10o

在我国北方地下水位较高和冷负荷较小的地区，土壤的含湿量将保持在临界点以

上，可以认为大部分地区全年都是潮湿土壤。有关资料记载，大地下各种固体介质的

热工参数如下，可供不同土层结构导热系数大小比较的参考：

扩散率密度含水量

地层介质传热系数（kCal/m*h,℃）

（nr/h）kg/m3100%

密集岩石（花岗岩）2.980.543200

普通岩石（石灰岩）2.080.432800

粘土（紧密砂子）0.870.272100>22

干粘土（粘土沙子）0.450.222(X)0>16

湿淤泥（松散砂）0.740.251600>22

干淤泥（沙子淤泥）0.300.121440>18

3.1.1.4地下水的流动

地下水的渗流对大地的热传递有明显的效果。实际上，大地的地质构造很复杂，

存在着松散的粘土层、砂层、沉积岩层、空气和水层等。由于地球构造运动，各岩层

又出现褶皱、倾斜、断裂现象。地表水及降雨渗入土质层，在重力作用下，向更深层

运动，最后停留在不透水层。地下水在空隙中缓慢流动以形成渗流，自然界一般地下

水在孔隙或裂缝中的流速是每日几米，故地下水大多数是层流状态运动，只有当地下

水流经漂石、卵石的特大孔隙时，才会出现紊流状态运动。地下水的流动不但能导热

传热，并且还能对流传热。若地下水渗流流速大于8cm/h时，就可按水的传热来计算。

岩石层渗透系数K经验值(m/d)

地层粘土黄土粉砂细砂粗砂砾石夹砂漂砾石

渗透系数00.25~0.51〜55〜1025〜5075〜150200〜500

3.1.2埋管的形式对换热器的影响

在实践中可知，埋管形式的不同，其单位长度的换热管的换热量不同；

水平平行埋管时为1;水平螺旋埋管时为0.8；

垂直单U埋管时为1。3〜1.5；垂直双U埋管时为0.8〜1.0。

3.1.3系统内部液体温度Ti对换热器的影响

从实践中得到，在地质情况相同的条件下，热泵机组允许的最低和最高进液温度

是确定热交换器地耦管长度的主要因素。如果以允许最低进液温度为确定因素，热交

换器的长度由吸热负荷确定；如果以允许最高进液温度为确定因素，热交换器的长度

由放热负荷确定。在实际应用中，温度只会达到最低或最高温度限制值中的一个。降

低机组的最高温度允许值或升高机组最低温度允许值，都要增加地耦管的长度。

竖直埋管换热器中流动的循环水温度是不断变化的。夏季制冷工况进行时，由于

蓄热地温提高，机组运行时水温不断上升，停机时水温乂有所下降，当建筑物冷负荷

达到最人时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反，由于取热地温下降，当建

筑物热负荷最多时，换热器中水温达到最低点。

设计时，首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度，因为这个设定和

整个空调系统有关。如夏季温度设定较低，对热泵压缩机制冷工况有利，机组耗能少,

但埋管换热器换热面积要加大，即钻孔数要增加，埋管长度要加长。反之温度设定较

高，钻孔数和埋管长度均可减少，可节省投资，但热泵机组的制冷系数COP值下降，

能耗增加。设定值应通过经济比较选择最佳状态点。地埋管水温应如下设定：

1.热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7〜12℃。地埋管中循环

水进入U型管的温度应低于3()℃：

2.热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽

量减低供热水温度，水温在45〜50C。这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、

提高COP值并降低能耗。

地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留有安全余地为好，一般控制在4℃

以上。为了降低工程的初投资，地埋管换热器变小，加大了循环水与大地间温差传热,

循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防凌液，如乙二醇溶液或食盐水。这样可

但增加了对设备的腐但，在严寒地区不得不这样做。而在华北地区的工程中，建议增

加少量投资，加大土壤换热器的面积，软化水就可以满足要求，不一定要加防冻液。

3.1.4U型埋管内的液体流速对土壤换热器的影响

流体流动时有两种流态：一种是流体在管内分层流动，各流层间的流体质点互不

混杂，有条不紊的向前流动，这种流动状态称为层流；另一种是流体质点在管内的运

动轨迹不是规则的，各部分液体互相剧烈掺混，这种流动状态称为紊流。由紊流变成

层流的速度称为临界流速

换热器内的流体流速均大于临界流速〃，因而使管内呈现紊流状态，从而加大了换

热能力。临界流速的大小与管径小流速口、流体密度。利流体黏度/有关，把这四个

参数组合成一个无因次数称为雷诺数(用Re表示)，Re用来判断流体在圆形管内的

流动状态。

当Re=5d。>2300时，流体为紊流；

当Re=end”<2300时，流体为层流。

介质循环泵是地耦管上壤换热器循环管路中流体流动的动力。泵安装在比换热器

高的地面上，在设计中要注意泵的汽蚀性能指标。泵的汽蚀是指泵进口压力低于泵进

口流体汽化压力时，进口液体产生气泡对叶片的影响。流体的能量增加，使产生的气

泡在叶轮进口处消失，由于气泡由产生到消失是在极短的时间内完成的，气泡的破坏

会产生巨大的冲击力、震动和噪声，严重时会使泵不能正常运转。因此，在安装介质

循环系统时，要在泵的上方高度上装有定压装置，保持介质循环泵进口有静压。如果

单台泵的调解量不能达到设计要求，可以采用泵的并联运行方式。并联运行的泵扬程

相等，泵的出口装有逆止阀，避免因扬程的偏差使扬程低的泵发生倒流，弓起泵的反

转，导致事故发生。

地耦管管内流体流量的增大，有利于增强流体与管壁之间的换热，提高换热量。

但是，换热量的增加并不完全与流体流量的增加成正比，流体流量的增加不但导致换

热器进出液温差减小，而且还加大了循环泵的功率。而当管内流体流量减小时，也应

该使管内流体能保持紊流状态，以保证流体和管壁之间的传热量。

3.1.5回填材料对土壤换热器的影响

・回填材料导热系数______________

■■।•一，Bore—多项式（Bore）

回填材料导热系数与土壤换热器的关系图

从图中可以看到回填材料的导热系数对地下土壤换热器的影响比土壤导热系数的

影响要小，因为一般回填材料其厚度远远小于土壤厚度。但是为了防止地下水受污染

和增强换热器换热的效果，应尽量采用具rr高效换热系数的回填材料。

3.1.6孔洞相邻间距对土壤换热器的影响

下图是孔洞之间间距对地下换热器尺寸的影响

从图中可.知，随着两个相邻孔洞之间的距离不断增大，地下换热器的尺寸是减小

的，也就是说随着孔间距地增大，换热器的换热效果越好，但是范围是一定的，如图

所示，孔洞传热半径为3米左右，超过此值，孔洞的半径再增大，基本上换热效果不

受影响，也就是说垂直埋管换热器竖直孔互不产生热干扰的孔距为6米.

3.2能量提升系统

能量提升系统是将采集来的能量经提升交换，传送至空调空间，以实现能量的释

放。本系统主要的设备就是土壤源热泵专用空调机组和循环水泵。

地源热泵专用机组在不同蒸发温度下工作，压缩机的轴功率和制冷量也随着改变。

如果建筑物内的冷、热负荷恒定，那么，系统在制冷状态时，蒸发器温度不变、压缩

机吸气压力不变，若冷凝器的进出水温差小，此时机组冷凝器水温逐渐升高，促使冷

凝温度升高，而单位制冷量和输出系数都要下降，则制冷量减小、轴功率增大。同理,

系统在制热状态时，冷凝温度不变、压缩机排气压力不变，若蒸发器进出口水温差小,

此时机组蒸发器的水温逐渐下降，意味着蒸发温度降低，压缩机吸气压力减小，结果

是单位容积制冷量下降，压缩比、冷凝压力和蒸发压力之比增大，压缩机轴功率上升。

在上壤源热泵空调系统中，制冷运行时，冷凝压力主要取决丁冷凝器水的流量和

水温，水量增加，水温降低，排气压力就下降，反之就上升；制热运行时，蒸发温度

与进液温度之差和蒸发器大小有直接关系，温差小时，蒸发压力就会低，蒸发器就得

增大。

通过以上分析得出，地源热泵中央空调系统的能效比COP,主要取决于热泵机组

的自动调节能力和换热器的换热能力。

3.2.1地源热泵专用机组

地源热泵专用机组就是根据土壤换热器的性能而专门设计的一种与土壤换热器配

套使用的热泵机组。

机组的设计原则：一是提高机组的能效比，做到运行高效节能；二是扩大机组进

出液温度的范围（提高机组最高允许进液温度和降低最低进液温度），保证机组安全

可靠的运行。

热泵机组的工作原理和制冷机组是一致的。这些机组都是由压缩机冷凝器、节流

装置和蒸发器四部分组成，通过管路连接，形成一个闭环系统。压缩机起输送制冷剂

蒸汽的作用，在冷凝器内，高温、高压制冷剂蒸汽与冷媒进行热交换而被冷凝成液体,

液体经调节装置降压后进入蒸发器，在蒸发器内吸收被冷却物体的热量而汽化，制冷

剂蒸汽被压缩机吸走，即完成了压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程的一个流程。在小

型空调器中，制冷和制热运行，只是逋过一个换向阀把蒸发器和冷凝器调换来进行，

作的

此热泵机组的特点有：

♦先进的控制系统

机组使用先进的微电脑控制系统，功能强大，运行可靠，并且可以将机组运行调

节到最佳状态。

♦运行可靠，寿命较长

机组采用名牌压缩机，名牌部件，运行平稳安静，运动部件少，保养、维修工作

量少，寿命较长。

♦环保节能

机组在运行过程中噪音低，不破坏和污染水资源，不释放任何对环境有害的排泄

物，卫生可靠不形成病源传染。因土壤温度相对恒定，所以机组运行稳定，效率

较高。

♦应用范围广

机组利用土壤热，使用不受地下水限制，无论有无地下水均可使用，模块机组调

节灵活，占地面积省。

3.2.1.1压缩机

在压缩蒸汽热泵机组中最主要的组成部分是压缩机，压缩机是用来压缩和传输制

冷剂蒸汽的。压缩机的型式主要有活塞式、离心式、滑板