建筑能源应用技术-课件全套 韩如冰 第1-10章 绪论 -多能互补能源综合系统

第1章绪论发展背景·技术概述·发展趋势本章核心建立建筑能源应用技术的课程总体框架。01第1章绪论｜课程导入学习目标1了解能源与环境之间的关系；2了解我国建筑能耗的特点；3掌握建筑能源应用技术的发展趋势。02第1章绪论｜课程导入本章主要内容031.1发展背景能源与环境危机建筑与建筑能耗国家政策推动回答：为什么必须转型？1.2技术概述建筑能源的分类建筑能源应用技术回答：能源和技术有哪些？1.3发展趋势多能互补低碳与可持续智能化与信息化回答：未来向哪里发展？2.11.1建筑能源应用技术发展背景能源利用为何带来环境压力？建筑为什么是重要用能领域？政策如何推动建筑节能降碳？04第1章绪论

建筑能源应用技术不是孤立的设备知识，而是对环境约束、建筑需求和政策目标的系统回应。第1章绪论051.1.1能源与环境危机定义能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源。人类社会生存的基础社会发展的动力能源的开发和利用推动人类社会发展；

能源开发利用水平，也是社会文明程度的重要标志之一。第1章绪论061.1.1能源与环境危机能源利用方式不断演进123人力、畜力、水力、柴薪煤、石油、天然气核能与各种新能源能源利用极大促进了社会发展，但能源的生产与利用也与环境污染、公众健康和全球环境变化密切相关。因此，能源利用技术本身非常重要。第1章绪论071.1.1能源与环境危机能源环境问题具有复杂性和累积性化石能源仍占主体，污染物长期累积使环境问题在全球凸显。当前能源消费持续增长，供需矛盾进一步加剧，化石能源仍占世界能源消费主体。全球能源环境问题不仅具有跨区域影响，还具有污染物长期累积与生态系统逐渐破坏的特点。短期应控制化石能源开发利用并发展低碳经济；长期应发展新能源和可再生能源。能源、建筑与环境的关系第1章绪论081.1.2建筑与建筑能耗建筑是人为创造的一种环境，是人们从事各种活动的场所。建筑具有五类基本属性时空性功能性技术经济性文化性艺术性建筑能源技术服务于健康、舒适和生产工艺要求。传统建筑对环境的适应第1章绪论091.1.2建筑与建筑能耗建筑能耗包括全过程能耗与运行能耗广义建筑能耗从建筑材料制造、建筑施工，

一直到建筑使用的全过程能耗。关注范围：材料—施工—使用狭义建筑能耗：运行能耗供暖、空调、照明、炊事、

电梯等日常运行过程的能耗。是建筑能耗中的主导部分。随着生活质量提高，空调、通风、供暖和热水等运行能耗将继续增长。第1章绪论101.1.2建筑与建筑能耗室内环境需求转化为建筑运行能耗建筑运行能耗本质上来自维持室内环境和建筑功能的需要。供暖空调通风照明热水电梯不同系统共同构成建筑日常运行用能。工业建筑的环境控制需求运行能耗增长，既与建筑规模有关，也与室内环境品质要求提高有关。第1章绪论111.1.2建筑与建筑能耗2023年建筑运行商品能耗约占全国能源消费总量的20%建筑运行能耗规模大，电力已成为重要能源形式。11.7亿tce建筑运行商品能耗约占全国能源消费总量20%2023年中国建筑运行能耗计入生物质能后的总量12.2亿tce建筑用电量25048亿kW·h其中生物质能耗约0.5亿tce数据来源：教材表1.1，援引《中国建筑节能年度发展研究报告2024（农村住宅专题）》。第1章绪论121.1.2建筑与建筑能耗建筑能耗总量与用电量总体增长图1.1中国建筑运行折合的一次能耗总量和总用电量（2010—2023年）[1]2020年建筑用电增速放缓，2021年后明显回升。2023年建筑用电量超过2.5万亿kW·h，约占全社会用电量27%。第1章绪论131.1.2建筑与建筑能耗公共建筑与北方城镇供暖的能耗强度较高图1.2中国建筑运行能耗（2023）[1]从面积与能耗强度同时观察①城镇住宅和农村住宅面积最大；②北方城镇供暖面积约占总量1/4；③公共建筑面积约占总量1/5；④公共建筑与北方城镇供暖的能耗强度较高。公共建筑能耗已成为比例最大的一部分。第1章绪论141.1.3国家政策推动建筑是节能潜力较大的领域，政策推动其用能方式向低碳转型。资源节约型社会节约能源是重要组成部分建筑应作为节能工作重点政策推动的三类行动统筹规划可再生能源建筑应用推进地热、太阳能、生物质能与余热利用研发超低能耗、近零能耗、低碳和零碳建筑第1章绪论151.1.3国家政策推动“双碳”目标明确建筑低碳转型方向2030年前碳达峰温室气体排放达到最高峰值后，

不再继续增长。2060年前碳中和通过减排、碳汇、碳捕集和封存等，

实现排放与吸收抵消。持续减排第1章绪论161.1.3国家政策推动政策要求落实到供能结构与建筑技术①因地制宜发展建筑光伏；②推进地热能、生物质能和太阳能供热；③利用火电、工业和核电等余热；④研发超低能耗、近零能耗、低碳和零碳建筑；⑤推动成熟技术、工艺与设备集成应用。核心：同时降低需求、优化供给并提升系统效率。减少化石能源依赖的技术方向2.11.2建筑能源应用技术概述从能源来源到建筑所需的冷、热和电17第1章绪论能源分类转换与存储建筑需求第1章绪论181.2.1建筑能源的分类常规能源已经广泛应用，利用技术较成熟。煤炭、石油、天然气、生物能等。新能源近年来被认识和应用，利用技术与方式

仍需改进和完善。核能、沼气能、氢能、海洋能、页岩气、可燃冰等。新能源与可再生能源概念存在交叉，但是二者并不等同。第1章绪论191.2.1建筑能源的分类常规能源长期支撑建筑供暖、热水与备用电源煤炭多用于北方集中供暖的燃煤锅炉；成本较低，但燃烧会产生多种污染物。石油可用于燃油锅炉、柴油发电机、供暖、生活热水和建筑备用电源。天然气可用于燃气锅炉、燃气灶具和冷热电三联供；污染物排放较少，但需要管网。局限：高碳排放、能源利用率偏低和环境污染等问题制约可持续发展。第1章绪论201.2.1建筑能源的分类建筑可利用太阳能、风能、生物质能与地热能太阳能光伏发电与光热利用风能小型风力发电设备生物质能转化为热能或电能地热能地源热泵供冷供热可再生能源在建筑中的应用第1章绪论211.2.2建筑能源应用技术能源输入常规能源／新能源转换与冷热源生产建筑所需冷、热、电建筑需求室内环境与建筑功能能源存储协调供给时间与需求时间理解建筑能源技术，应始终把设备放回完整能源系统中。三类技术共同完成能量生产、转换、输送与时间调节。第1章绪论221.2.2建筑能源应用技术1）冷热源技术冷源／热源设备冷媒／热媒制冷剂、水、盐水／水、蒸汽换热器或末端装置把冷量或热量送入室内夏季需要低温介质移走室内多余热量或湿量；冬季需要较高温度介质向室内输入热量，从而维持所需温湿度。建筑冷热源与末端系统第1章绪论231.2.2建筑能源应用技术2）能源转换与利用技术热电联产与三联供在发电的同时回收余热，

余热可用于建筑供暖

或制冷。热泵技术热泵通过消耗驱动功，在建筑与空气、水体或岩土之间转移热量，实现供冷或供热。能量梯级利用按能源品位安排发电、

制冷、供暖和生活热水

等不同用途。共同目标：满足冷、热、电需求，同时减少能量损失和碳排放。决定建筑能源利用效率第1章绪论241.2.2建筑能源应用技术3）能源存储电化学储能用于储存建筑光伏系统

产生的余电。热储能显热储能利用水、岩石；

潜热储能利用相变材料。氢储能可与光伏制氢结合，

燃料电池可作备用电源。储能缓解可再生能源间歇性，并提高建筑能源韧性。从“即时耗能”转向“灵活调控”2.11.3建筑能源应用技术发展趋势多能互补与能源综合利用低碳与可持续发展智能化与信息化25第1章绪论共同目标：高效利用、深度减碳、智慧调控。第1章绪论261.3.1多能互补与能源综合利用建筑负荷太阳能地热能天然气储能多能互补的三项作用①降低单一能源供应中断对建筑使用的影响；②推动不同品位能源的梯级利用；③利用储能进行调峰，协调供给与需求。常见系统：冷热电联产、光伏直柔系统。第1章绪论271.3.2低碳与可持续发展低碳建筑需要同时降低负荷、优化供能并促进资源循环。第一步降低建筑冷热负荷优化朝向、自然采光通风、围护结构和遮阳。第二步扩大可再生能源应用减少传统能源依赖，拓展建筑产能空间。第三步促进碳抵消与资源循环结合碳汇、碳捕集与建筑材料循环利用。绿色低碳建筑技术第1章绪论281.3.3智能化与信息化数据与模型使系统从被动运行转向实时感知和主动优化。实时监测负荷预测策略优化建筑能源管理系统、数字孪生、大数据与机器学习节能技术与系统优化智能化的价值：让不同设备和能源在统一数据基础上协同运行。本章知识总结：29第1章绪论为什么转型？能源环境危机

建筑能耗增长

国家政策推动用什么技术？冷热源技术

能源转换利用

能源存储技术向哪里发展？多能互补

低碳可持续

智能化信息化建筑能源应用技术回答三个基本问题。课后思考1我国建筑能耗有哪些特点？2试探讨建筑能源应用技术的发展趋势。请用本章“背景—技术—趋势”的框架组织完整回答。30第1章绪论第2章空气能利用技术空气源热泵系统供冷供热·蒸发冷却技术本章核心两类以环境空气为能量载体的建筑能源利用技术：（1）空气源热泵通过制冷剂循环搬运热量；（2）蒸发冷却则利用水蒸发吸热实现空气或水的降温。01第2章空气能利用技术｜课程导入学习目标1了解空气源热泵和蒸发冷却技术的适用性；2掌握空气源热泵和蒸发冷却的原理；3掌握空气源热泵机组和蒸发冷却空调机组在建筑中的应用原理和形式。02第2章空气能利用技术｜课程导入本章主要内容2.1空气源热泵①原理及特点

②系统形式

③气候适应性

④运行与除霜

⑤寒冷地区应用学习重点：热量搬运、低温性能与运行控制2.2蒸发冷却①原理与技术分类

②蒸发冷却空调机组

③蒸发冷却冷水机组

④居住建筑应用学习重点：湿球温度、热湿交换与设备组合学习顺序：能量转换机理→气候适用性→设备与建筑应用032.12.1空气源热泵系统供冷供热实质：从空气中获取低品位热能，经电力做功输出可用热能

空气源热泵以室外空气为低温热源，通过制冷剂循环和压缩机做功，将热量传递至建筑供暖、供冷或热水系统。是一种高效的建筑冷热源技术。本节内容：原理与特点｜系统形式｜适应性｜运行｜寒冷地区应用04第2章空气能利用技术空气源热泵是一种能从自然界空气中获取

低品位热能，经过电力做功，输出可用高

品位热能的设备。它的核心作用不是直接用电发热，而是利用

电功推动热量由低温侧向高温侧转移。室外空气低品位热＋电功压缩机→建筑用热高品位热应用场景包括大型社区、办公建筑和养殖业等中大型供暖场景。空气源热泵的本质是“用少量电功搬运环境热量”。052.1.1空气源热泵的原理及特点第2章空气能利用技术蒸发器从室外空气吸热→压缩机做功、升压、升温→冷凝器向水或室内侧放热→膨胀阀节流、降压、降温制冷剂经过膨胀阀后重新进入蒸发器吸热，形成连续循环。

四个部件并不是彼此独立的设备，而是共同完成吸热、升压、放热和降压过程。记忆顺序：蒸发吸热→压缩升温→冷凝放热→节流降压2.1.1空气源热泵的原理及特点061）原理概述第2章空气能利用技术图2.1逆卡诺循环逆卡诺循环通过外界做功，使热量由低温热源流向高温热源。制冷剂从空气中吸热，

经压缩机升压升温，在冷凝器侧放热，再经节流降压回到蒸发器。图中的q₁、q₂、

Wnet和熵变符号用于描述循环的能量与状态变化。07原理概述：逆卡诺循环2.1.1空气源热泵的原理及特点第2章空气能利用技术空气源热泵的三个主要特点（1）室外空气状态随地区和季节而变化气温降低时，热泵供热量减少，而建筑耗热量增加。（2）冬季室外空气温度很低时，室外换热器中制冷剂蒸发温度随之降低，换热器可能结霜霜层增加热阻和空气阻力，使供热能力与可靠性下降。（3）空气比热容小，要获得足够的热量时，需要较大空气流量风机风量较大，设备布置还需考虑进排风条件与噪声。这三个特点共同决定空气源热泵的选型、辅助热源和运行控制。082.1.1空气源热泵的原理及特点2）空气源热泵的特点第2章空气能利用技术室外温度降低↓建筑物耗热量增加

热泵供热量减少

制热性能系数下降供热需求与设备能力方向相反冬季越冷，建筑越需要热量；但空气源热泵

从室外空气获取热量越困难，能够提供的供

热量反而减少。因此，需要利用平衡点温度判断机组调节和

辅助热源的配置。工程问题：建筑最需要供热时，热泵往往最难提供足够热量。09关于特点（1）的理解：室外温度变化造成供需矛盾2）空气源热泵的特点2.1.1空气源热泵的原理及特点特点（1）：室外空气状态随地区和季节而变化第2章空气能利用技术图2.2空气源热泵供热系统特性怎样读图？AB线表示建筑物耗热特性；CD线表示空气源

热泵供热特性，两条曲线变化趋势相反。交点O′表示供热量与耗热量相等，其对应的

室外温度tO′称为平衡点温度。平衡点是运行控制的分界线高于它进行能量调节；低于它考虑辅助热源。10关于特点（1）的理解：热泵供热量与建筑耗热量的平衡点2）空气源热泵的特点2.1.1空气源热泵的原理及特点第2章空气能利用技术室外温度高于tO′热泵供热量＞建筑耗热量。

此时重点是避免供热过剩，可通过容量调节或运行控制，使实际供热量与建筑需求相匹配。策略：调节热泵输出室外温度低于tO′热泵供热量＜建筑耗热量。

此时需要辅助热源补足缺口，辅助供热量等于建筑耗热量与热泵供热量之差。策略：启用辅助热源设计关键：合理确定平衡点温度，并选择辅助热源及热泵调节方式。11关于特点（1）的理解：平衡点两侧采用不同运行策略2）空气源热泵的特点2.1.1空气源热泵的原理及特点第2章空气能利用技术结霜条件室外换热器表面温度低于周围空气露点温度，并且低于0℃。霜层形成覆盖换热器表面→热阻增加空气阻力同时增加→换热恶化供热能力与COP下降→运行受限严重时停止运行因此，结霜检测、除霜控制和换热器布置直接影响机组的供热稳定性。12关于特点（2）的理解：低温环境下室外换热器结霜2）空气源热泵的特点2.1.1空气源热泵的原理及特点特点（2）：冬季室外空气温度很低时，室外换热器中制冷剂蒸发温度也随之降低，换热器可能结霜第2章空气能利用技术从空气中吸收1kW的热能约需360m³/h的空气流量较大空气量带来的工程影响空气侧换热器需要足够的迎风面积；

风机需要输送较大的空气量；

设备进、排风位置不能相互干扰；

较大风量还可能带来明显噪声。设备选址不仅要考虑热工性能，也要考虑风道组织和声环境。13关于特点（3）的理解：空气比热容小，要获得足够的热量时，需要较大空气流量2）空气源热泵的特点2.1.1空气源热泵的原理及特点第2章空气能利用技术系统形式的选择，实质上是对低温适应性、制热能力、能效与设备复杂度的综合权衡。本节依次介绍：常规系统、补气增焓系统、双级压缩系统和单—双级耦合系统。142.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术图2.3常规空气源热泵系统示意图工作特征制热时，制冷剂在室外换热器中吸收空气热量；

经压缩机升压升温后，在室内侧放出热量；

节流后返回低压状态，循环继续。其系统简单、应用广泛，但低温工况下制热能力与能效会下降。15（1）常规空气源热泵系统2.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术主回路压缩中间压力补入

制冷剂蒸气提高低温制热能力补气增焓系统在常规循环基础上设置经济器或闪蒸器，并采用带补气口的压缩机。

部分制冷剂在中间压力下形成蒸气，经补气口进入压缩过程，从而增加循环质量流量。

教材强调：这种形式可改善低温工况下的制热性能，但系统与控制均比常规形式复杂。16（2）补气增焓型空气源热泵系统2.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术低压级压缩中间冷却

降低排气温度高压级压缩当蒸发温度较低、冷凝温度较高时，单级压缩比增大，排气温度也随之升高。

双级压缩把总压缩比分配给低压级和高压级，并在两级之间进行冷却。

其目的在于改善压缩机工作条件，增强严寒工况下的运行可靠性和供热能力。172.1.2空气源热泵系统形式（3）双级压缩空气源热泵系统第2章空气能利用技术室外温度较高：单级运行以较简洁的循环满足负荷；

避免在非必要工况下增加系统损耗；

兼顾部分负荷效率。室外温度较低：双级运行通过两级压缩承担较大压比；

改善排气温度与运行可靠性；

补偿低温制热能力衰减。耦合系统根据室外气象条件和供热需求切换运行级数。

控制策略的核心是：在安全运行的前提下，使系统形式与实时负荷相匹配。18（4）单、双级耦合空气源热泵系统2.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术系统形式主要措施主要作用系统特点常规系统单级蒸气压缩循环实现基本制冷与制热结构较简单补气增焓中间压力补入蒸气增强低温制热能力控制较复杂双级压缩分两级承担总压比改善压缩工作条件部件较多单—双级耦合随工况切换运行级数兼顾效率与低温能力策略要求较高19四种系统形式比较2.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术空气—空气热泵室外空气为低位热源；

室内空气为供冷供热对象；

典型设备为空调器。空气—水热泵从空气中吸收热量；

向水系统放热或从水取热；

可服务空调与生活热水。热水机组按使用规模可分为：

家用热水器；

商用热水机组。分类依据不同，名称也不同；阅读设备名称时，应同时识别热源、供能对象和使用规模。202）空气源热泵的应用分类2.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术图2.4家用空气源热泵热水器设备与使用特点以室外空气作为热源，把热量传递给生活热水；

通常由热泵主机、储热水箱与控制装置组成；

储水可缓冲热泵制热量与用水负荷之间的时间差；

安装时应保证进、排风通畅，并考虑噪声和冷凝水排放。21（1）家用空气源热泵热水器2）空气源热泵的应用分类2.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术图2.5商用空气源热泵热水机组应用要点面向较大、较集中的热水负荷；

可采用多台机组并联与集中储水；

系统设计需要协调产热、储热与用水规律；

室外机布置应兼顾气流组织、检修和噪声控制。22（2）商用空气源热泵热水机组2）空气源热泵的应用分类2.1.2空气源热泵系统形式第2章空气能利用技术第2章空气能利用技术2.1.3空气源热泵的适应性判断是否适用，不能只看设备额定参数，还要结合建筑所在气候区和设计工况。重点关注：室外温度、空气湿度、建筑负荷特征以及结霜风险。23气候区主要气候特征建筑热工要求严寒地区冬季漫长严寒，采暖期长必须充分保温，防止冷风渗透寒冷地区冬季寒冷，夏季部分地区较热冬季保温，部分地区兼顾夏季防热夏热冬冷地区夏季炎热，冬季湿冷夏季防热，冬季保温24夏热冬暖地区夏季炎热，冬季温和夏季防热、遮阳、通风温和地区全年气候相对温和部分地区兼顾冬季保温建筑热工设计一级区划情况第2章空气能利用技术2.1.3空气源热泵的适应性来源：教材表2.125关于建筑热工设计一级区划情况的说明根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）建筑热工设计区划分为两级，建筑热工设计以及区划情况见前面的表格。其他内容请参考《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015-2021）；气候区划是设备选择的背景条件，不等同于某一种设备的直接适用结论。

实际设计还应核对当地室外计算参数、系统末端形式和建筑负荷。2.1.3空气源热泵的适应性第2章空气能利用技术温度条件温度越低：

蒸发压力越低；

制热能力下降；

压缩比增大。湿度条件换热器表面低于

露点且低于0℃时，

可能结霜，

增加传热与通风阻力。负荷条件低温时建筑热负荷

往往增加，

需要校核平衡点及

辅助热源容量。结论：空气源热泵的适用性应由气候条件、机组性能曲线和建筑负荷共同判断。26建筑热工区（或称为建筑气候区）与空气源热泵适用性:第2章空气能利用技术2.1.3空气源热泵的适应性2.1.4空气源热泵系统运行运行方式取决于热泵容量、建筑负荷和是否配置辅助热源。控制目标是保证室内热环境，同时减少不必要的高品位能源消耗。27第2章空气能利用技术运行方式：方式一：热泵单独运行机组容量按设计热负荷配置；

在适用气候条件下独立承担供热；

系统组成相对简单；

需校核低温工况能力。方式二：热泵与电加热串联水或空气先经热泵预热；

不足部分由电加热补足；

控制直观、供热可靠；

应控制直接电加热能耗。容量配置与控制顺序决定了热泵承担负荷的比例。282.1.4空气源热泵系统运行第2章空气能利用技术方式三：双热源并联运行热泵优先承担基础负荷；

辅助热源在负荷较大时投入；

两种热源共同供热；

需合理设定启停边界。方式四：双热源交替运行较温和工况由热泵运行；

极端低温时切换至辅助热源；

避免热泵在不利工况运行；

切换点应结合经济性确定。双热源系统的关键不是“有没有备用”，而是“何时投入、投入多少”。29运行方式：2.1.4空气源热泵系统运行第2章空气能利用技术霜层形成传热热阻增加风量下降能力与

能效下降除霜思路逆循环除霜：切换制冷剂流向，利用系统热量融霜；

热气旁通除霜：将压缩机排气引向室外换热器；

其他辅助方式：通过电加热等手段提供融霜热量。30除霜问题：为什么必须及时处理？2.1.4空气源热泵系统运行第2章空气能利用技术图2.6吸收式空气源热泵原理示意图理解重点以吸收式循环提升空气中的低品位热能；

循环由发生、吸收、冷凝和蒸发等过程构成；

驱动能源与压缩式热泵不同；

读图时应沿工质与溶液回路识别能量传递。31吸收式空气源热泵2.1.4空气源热泵系统运行第2章空气能利用技术图2.7无霜型空气源热泵原理示意图通过改变室外空气侧的换热与传质过程，降低换热器结霜风险；

目标是减少周期性除霜造成的供热中断和能耗波动；

系统评价仍应同时关注能效、复杂度和维护要求。32无霜型空气源热泵2.1.4空气源热泵系统运行第2章空气能利用技术2.1.5寒冷地区的应用寒冷地区应用的核心问题：室外温度降低时，建筑供热需求增加，而热泵制热能力下降。33第2章空气能利用技术问题一：制热量不足与可靠性下降室外温度降低蒸发压力降低

压缩比增大制热量下降

排气温度与运行风险上升工程应对根据低温性能曲线校核机组容量，而不是只采用名义工况参数；

采用补气增焓、双级压缩或耦合系统改善低温能力；

必要时设置辅助热源，保证极端工况下的供热可靠性。342.1.5寒冷地区的应用第2章空气能利用技术问题二：低温工况下能效下降−5℃室外空气温度50℃供水温度COP≈1.5能效比低温热源与较高供水温度共同扩大温升，压缩机耗功增加，系统能效降低。

因此，末端所需水温越高，越应重视热泵低温性能和系统匹配。352.1.5寒冷地区的应用举例说明：第2章空气能利用技术图2.8双级耦合热泵供暖系统读图顺序先识别低温级与高温级；

再沿制冷剂与水路观察能量传递；

最后判断不同室外温度下的运行组合。系统以耦合运行增强寒冷工况适应性。36双级耦合热泵供暖系统2.1.5寒冷地区的应用第2章空气能利用技术建筑室内围护结构传热与渗透室外环境空气接收建筑散失的热量热泵蒸发器从空气吸取热量空气中存在可被热泵再次利用的低品位热能。

但热泵仍需消耗驱动功，并受到温差、换热和设备效率的限制。37建筑热损失最终进入环境空气2.1.5寒冷地区的应用第2章空气能利用技术原理消耗驱动功，把空气中的低品位热量提升后供给建筑。矛盾低温时负荷增加，热泵能力和能效下降。技术补气增焓、双级压缩、耦合运行与及时除霜。设计结合当地气象、性能曲线和负荷校核适用性。38空气源热泵：从原理到应用判断2.1.5寒冷地区的应用第2章空气能利用技术2.2蒸发冷却技术水蒸发需要吸收汽化潜热，蒸发冷却正是利用这一过程降低空气或水的温度。其效果与空气干湿程度密切相关，干燥地区通常具有更大的蒸发冷却潜力。39第2章空气能利用技术蒸发冷却的基本原理水蒸发吸热→空气显热减少→空气温度降低在理想绝热过程中，空气与水之间交换显热和潜热，过程近似等焓。影响冷却效果的主要条件空气越干燥，干球温度与湿球温度之差越大，蒸发冷却潜力越大；

水与空气接触面积、接触时间和传质强度会影响实际降温幅度；

直接与间接蒸发冷却的区别，在于送风是否直接与水接触。402.2.1蒸发冷却原理及技术分类第2章空气能利用技术2.2.1蒸发冷却原理及技术分类图2.9直接蒸发冷却原理空气状态变化空气直接与水接触；

水蒸发吸收空气显热；

空气干球温度降低、含湿量增加；

理想极限接近空气湿球温度。适合允许送风增湿的场合。41（1）直接蒸发冷却1）蒸发冷却原理第2章空气能利用技术图2.10间接蒸发冷却原理两股空气的分工工作空气侧通过水蒸发获得冷却；

产出空气通过换热壁面被显热冷却；

两股空气不直接混合；

产出空气温度下降而含湿量基本不变。适合需要控制送风含湿量的场合。42（2）间接蒸发冷却2.2.1蒸发冷却原理及技术分类1）蒸发冷却原理第2章空气能利用技术图2.11间接—直接蒸发冷却过程分级处理过程第一步：间接蒸发冷却，先降低空气干球温度，含湿量基本不变；

第二步：直接蒸发冷却，继续降温，同时增加空气含湿量；

多级组合可获得比单级更低的送风温度。43（3）间接—直接多级蒸发冷却2.2.1蒸发冷却原理及技术分类1）蒸发冷却原理第2章空气能利用技术蒸发冷却技术直接蒸发冷却降温并增湿

极限接近湿球温度间接蒸发冷却显热降温

含湿量基本不变多级蒸发冷却组合不同过程

获得更低送风温度442）蒸发冷却技术分类2.2.1蒸发冷却原理及技术分类第2章空气能利用技术2.2.2蒸发冷却空调机组机组把蒸发冷却过程落实为设备：风机组织气流，水系统形成湿表面，换热器完成热湿交换。本节按直接、间接、二级和三级等形式，逐步说明设备组成和空气处理流程。45第2章空气能利用技术图2.12直接蒸发冷却空调机组室外空气进入机组；

通过被水润湿的填料；

空气降温并增湿；

风机将处理后的空气送入室内。46（1）直接蒸发冷却空调机组1）单级蒸发冷却空调机组2.2.2蒸发冷却空调机组第2章空气能利用技术（2）间接蒸发冷却空调机组图2.13间接蒸发冷却空调机组工作空气侧发生蒸发冷却；

产出空气与工作空气隔开；

产出空气通过换热壁面降温；

送风含湿量基本保持不变。471）单级蒸发冷却空调机组2.2.2蒸发冷却空调机组第2章空气能利用技术图2.14板翅式间接-直接二级蒸发冷却机组两级处理第一级：板翅式间接蒸发冷却，先显热降温；

第二级：直接蒸发冷却，继续降温并增湿；

组合后送风温度低于单级设备。48（1）间接—直接二级蒸发冷却机组2）多级蒸发冷却空调机组2.2.2蒸发冷却空调机组第2章空气能利用技术图2.15管式间接-直接二级蒸发冷却机组设备特征以管式换热器实现间接冷却；

一次空气与二次空气在壁面两侧换热；

随后进入直接蒸发冷却段；

管束布置影响风阻、换热与清洗维护。49（1）间接—直接二级蒸发冷却机组2）多级蒸发冷却空调机组2.2.2蒸发冷却空调机组第2章空气能利用技术图2.16外冷式间接-直接二级蒸发冷却机组外部冷却过程先为间接段提供冷量；

产出空气经间接段预冷；

再进入直接蒸发段进一步降温；

水路与风路的匹配决定整体效果。502）多级蒸发冷却空调机组2.2.2蒸发冷却空调机组（1）间接—直接二级蒸发冷却机组第2章空气能利用技术图2.17不带冷却塔的三级蒸发冷却机组三级组合多级间接冷却逐步降低空气温度；

末级直接蒸发进一步逼近湿球温度；

不设置独立冷却塔，设备流程相对集中；

应关注各级风量与水量匹配。512）多级蒸发冷却空调机组2.2.2蒸发冷却空调机组（2）间接—间接—直接三级蒸发冷却机组第2章空气能利用技术图2.18带冷却塔的三级蒸发冷却机组冷却塔的作用冷却塔为水系统提供蒸发冷却；

冷水再用于空气的间接预冷；

后续级继续处理空气；

系统能力增强，但水系统和维护更复杂。522）多级蒸发冷却空调机组2.2.2蒸发冷却空调机组（2）间接—间接—直接三级蒸发冷却机组第2章空气能利用技术机组形式空气处理过程冷却能力系统复杂度单级直接或间接一种过程受单一过程极限约束较低二级间接预冷＋直接冷却低于单级送风温度中等三级多级间接＋直接冷却进一步增强冷却能力较高53单级、二级与三级蒸发冷却机组比较2.2.2蒸发冷却空调机组第2章空气能利用技术2.2.3蒸发冷却冷水机组蒸发冷却不仅可以直接处理空气，也可以参与冷水制备与制冷系统的冷凝散热。本节关注设备名称背后的换热对象：空气、水、制冷剂分别在哪里被冷却。54第2章空气能利用技术间接蒸发冷却机组利用蒸发冷却过程制取冷风或冷水，再服务建筑空气调节。阅读设备原理后依次回答以下问题：哪一股空气直接与水接触？哪一股空气或哪一路水被间接冷却？

冷量最终送往空气末端还是水系统？设备是否还包含机械制冷部件？552.2.3蒸发冷却冷水机组1）间接蒸发冷却冷水机组第2章空气能利用技术空气＋喷淋水

共同冷却冷凝器制冷剂冷凝

向环境放热蒸发器制取冷水蒸发冷凝把水的蒸发潜热与空气显热交换结合起来，强化制冷剂冷凝侧散热。

与单纯风冷相比，其冷凝温度可降低；与传统水冷系统相比，设备集成方式不同。

运行管理应关注水质、结垢、飘水和卫生维护。562）蒸发冷凝式冷水机组2.2.3蒸发冷却冷水机组第2章空气能利用技术3）磁悬浮蒸发自然冷机组机械制冷工况磁悬浮压缩机驱动制冷循环；

蒸发器制取冷水；

蒸发冷却过程帮助冷凝侧散热。自然冷工况室外条件合适时，减少或停止压缩机运行；

利用环境低温直接或间接制冷；

降低过渡季和冬季电耗。“自然冷”能否启用，取决于室外气象条件、冷水温度需求和换热温差。572.2.3蒸发冷却冷水机组第2章空气能利用技术水在换热表面

形成薄膜空气掠过水膜

水分蒸发吸热换热表面降温

完成冷却“降膜”强调水在表面以薄膜形态流动，使水、空气和换热壁面保持较充分接触。

一体化设备把风路、水路和换热部件组合在同一机组内，便于整体安装。

性能会受到布水均匀性、表面润湿、结垢和风量分配影响。584）降膜式蒸发冷却一体机2.2.3蒸发冷却冷水机组第2章空气能利用技术5）双冷源空调冷水机组蒸发冷却冷源优先利用空气干燥度；

运行能耗相对较低；

能力受气象条件影响。＋机械制冷冷源承担高湿或高负荷工况；

保证供水温度；

需要压缩机耗功。双冷源的运行目标是：在满足冷水温度和建筑负荷的前提下，优先利用更有利的冷源。592.2.3蒸发冷却冷水机组第2章空气能利用技术2.2.4蒸发冷却通风空调在居住建筑中的应用居住建筑设备规模较小，但同样需要处理送风温湿度、室内外气流组织和使用便利性。本节主要介绍移动式、窗式、新风换气与露点间接蒸发冷却等应用形式。60第2章空气能利用技术图2.19移动蒸发式冷风扇工作与使用风机使空气通过湿润介质，水蒸发后送出较低温空气；

设备可移动、安装简便，但属于直接蒸发冷却，送风含湿量会增加；

在干燥、通风条件较好的环境中效果更明显；

使用中需要补水，并保持水箱和湿帘清洁。611）移动蒸发式冷风扇2.2.4蒸发冷却通风空调在居住建筑中的应用第2章空气能利用技术图2.20窗式直接蒸发冷却器安装与气流组织设备在外墙或窗洞处引入室外空气；

空气经直接蒸发冷却后送入房间；

室内需要设置排风路径，形成有组织的空气流动；

使用效果受室外湿度和房间换气条件影响。622）窗式直接蒸发冷却器2.2.4蒸发冷却通风空调在居住建筑中的应用第2章空气能利用技术室外新风室内排风热回收换热器两股空气不混合

交换显热或全热热回收新风换气机利用排风中的能量预处理新风，降低新风负荷。

与蒸发冷却结合时，可进一步利用空气的干湿球温差；设计中要区分热回收与蒸发冷却各自承担的过程。633）热回收新风换气机2.2.4蒸发冷却通风空调在居住建筑中的应用第2章空气能利用技术图2.21露点间接蒸发冷却器工作原理部分产出空气作为工作空气返回湿通道；

工作空气蒸发冷却，并通过隔板冷却干通道中的产出空气；

分段再生使产出空气温度可低于常规间接蒸发冷却水平；

产出空气不直接加湿，理论极限可向露点温度逼近。644）露点间接蒸发冷却通风空调2.2.4蒸发冷却通风空调在居住建筑中的应用第2章空气能利用技术本章知识总结：空气源热泵原理：逆向热力循环提升空气热能；

特点：温度波动、结霜、大风量与噪声；

形式：常规、补气增焓、双级与耦合；

运行：独立、串联、并联与交替；

设计：结合气候、负荷和性能曲线。蒸发冷却原理：水蒸发吸收汽化潜热；

类型：直接、间接与多级组合；

机组：单级、二级与三级；

应用：冷风、冷水和居住建筑设备；

条件：干燥气候具有更大利用潜力。65第2章空气能利用技术课后思考1利用空气源热泵进行供热时，建筑物蓄热量与热泵供热量之间有何矛盾？

如何解决？2蒸发冷却空调适用于我国哪一类地区？为什么？请用本章原理、气候条件与系统形式组织答案。66第2章空气能利用技术第3章

地热能利用技术本章核心本章重点介绍地热能在能源领域中的利用技术0102学习目标1了解地热能的基础知识；2熟悉地源热泵的工作原理；3掌握土壤源热泵机组和水源热泵机组在建筑中的应用原理和形式。第3章地热能利用技术03本章主要内容•3.1地热能及其分类：认识地温变化与五类地热资源。•3.2地热能的梯级利用：理解按温度品位逐级利用的原理和形式。•3.3地源热泵供热空调系统：分别学习土壤源和水源热泵的原理、形式、勘察与运行。•3.4地热发电：比较蒸汽地热发电与地热水发电。第3章地热能利用技术04什么是地热能•地热能是来自地球内部的热能。它以地下热水、蒸汽、热岩体等形式存在，可用于供热、供冷、发电以及其他生产生活过程。•在建筑能源应用中，地热能既可以直接作为热源，也可以作为热泵系统的低位热源或低位热汇。•选择利用方式时，应先识别资源类型和温度品位，再考虑换热条件、建筑负荷与运行需求。第3章地热能利用技术05地热能利用的基本特点•地热能不直接受昼夜和短期天气变化影响，具有相对稳定的供能条件。•地热资源分布具有地域性，不同地区的温度、埋深、储量和介质条件不同。•开发利用涉及地下换热、取水回灌、设备运行与环境影响等工程问题，不能只比较能源温度。•本章从资源分类进入，逐步过渡到建筑供热空调系统和地热发电。课堂提示：稳定性是优势，资源条件与工程约束决定可用方式。第3章地热能利用技术063.1地热能及其分类本节先认识地温变化，再按照地热流体或热储特征区分蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型地热资源。分类的目的，是为后续梯级利用和系统选型建立基础。本节学习路径：地温变化规律→资源类型→建筑利用关注点第3章地热能利用技术073.1.1地温纵向变化规律•本节以纬度和地表温度差异说明地温背景：不同纬度地区接受太阳辐射和地表热交换条件不同，地表温度存在差别。•工程判断地热条件时，还需要关注地下温度随深度的变化以及当地地质条件。第3章地热能利用技术08影响地温背景的条件：•纬度变化会影响太阳辐射条件和地表平均温度，从而形成不同地区的地温背景。•地表覆盖、气候和地下介质条件会影响热量向地下传递的过程。•在地源热泵工程中，不能用单一地区的经验温度代替项目所在地的实测或调查数据。3.1.1地温纵向变化规律第3章地热能利用技术09地热资源的五种类型蒸汽型地热资源：地下以蒸汽为主要热载体热水型地热资源：地下热水储存并携带热量地压型地热资源：热水处于较高压力条件干热岩型地热资源：热量主要储存在高温岩体中岩浆型地热资源：与高温熔融岩浆有关提示：蒸汽型和热水型通常合称水热型地热资源。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术10蒸汽型地热资源•蒸汽型地热资源以地下蒸汽为主要介质，温度品位较高。•蒸汽经井口采出后，可直接或经处理后用于驱动汽轮机发电。•该类资源对地质储层、蒸汽品质、采出条件及环境控制要求较高。•建筑能源应用中通常把它作为高温资源认识，而不是常规浅层热泵的直接对象。提示：蒸汽型资源的主要利用方向是高温利用和发电。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术11热水型地热资源•热水型地热资源以地下热水为热载体，可根据温度用于发电、供热、洗浴、农业等。•热水型资源按温度分级，并以不同温度对应不同利用方式。•利用地下热水时，应同时考虑水量、水温、水质、取水与回灌条件。•建筑供热可采用直接利用或通过换热器间接利用。地热田按照储热温度的高低可以分为：“高温（＞150℃）、中温（90～150℃）、低温＜（90℃）”。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术12地压型地热资源•地压型地热资源中的热水处于高压条件，可能同时含有热能、压力能和溶解气体。•开发时不仅要评价温度，还要评价压力、流体成分、储层条件和安全控制要求。•其利用过程通常比一般热水型资源复杂，需要与具体地质条件相匹配。课堂提示：资源评价必须同时关注热、压、流体与储层。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术13干热岩型地热资源•干热岩型资源的热量主要储存在高温、低渗透岩体中。•利用思路是通过人工形成或利用已有裂隙，使循环流体与热岩体换热，再把热量带到地面。•工程可行性取决于岩体温度、埋深、裂隙条件、循环流体和长期换热能力。课堂提示：干热岩利用的关键是建立可控、可持续的地下换热通道。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术14岩浆型地热资源•岩浆型地热资源与地下高温熔融岩浆有关，温度极高。•其热能品位高，但受埋深、地质活动和工程可达性限制。课堂提示：高温并不等于易开发，工程可达性是基本约束。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术15水热型与岩体型资源的认识重点水热型•蒸汽或热水既是热源，也是热量输运介质。•重点评价温度、流量、压力、水质与回灌。•蒸汽型和热水型可统称水热型资源。岩体型•热量主要储存在干热岩或岩浆相关高温岩体中。•重点评价埋深、温度、裂隙及工程可达性。•通常需要建立人工或天然换热通道。课堂提示：资源类型不同，地面系统与地下工程条件也不同。3.1.2地热资源类型第3章地热能利用技术163.2地热能的梯级利用不同温度的地热资源具有不同做功能力。梯级利用就是让高品位热能先承担高温需求，再把剩余热量依次用于较低温度需求，以减少能量品位损失。本节学习路径：温度品位→梯级原理→利用形式第3章地热能利用技术17梯级利用的含义•梯级利用依据能量温度品位安排用途，使高温资源优先用于发电、工业等高温需求。•高温利用后的余热仍可用于供暖、生活热水、农业和其他低温过程。•同一地热资源通过多级换热和分级用户，可以提高综合利用程度。•系统设计需要协调各级温度、流量、负荷和运行时间。课堂提示：梯级利用的核心不是“多用一次”，而是“按品位有序使用”。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术18地热能的梯级利用范围图3.1地热能梯级利用范围•图中按地热温度划分利用层级，高温端可用于发电、烘干和采暖。•温度逐步降低后，可继续用于医疗、洗浴、温室、养殖、农灌以及制冷、供热等。•箭头表示能量由高品位向低品位逐级利用。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术19高温地热能：150℃以上•150℃以上为高温利用层级。•该温度范围可优先用于发电等高品位需求，随后再利用排出热量。•是否能够发电还取决于介质状态、流量、压力以及发电系统形式。课堂提示：温度是重要依据，但不是判断发电可行性的唯一条件。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术20中温地热能：70～150℃•70～150℃为中温利用层级。•该温度范围可用于工业用热、供暖，也可结合具体条件选择发电或其他利用方式。•设计时应把供水温度与用户所需温度匹配，并保留后续低温利用空间。课堂提示：先满足温度要求较高的用户，再连接低温用户。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术21浅层低温地热能：20～70℃•20～70℃地热能可直接或通过换热用于供暖、生活热水、医疗、洗浴和农业。•当资源温度不足以直接满足末端要求时，可与热泵或辅助热源结合。•利用方式应同步考虑水质、换热器、管网和回灌。课堂提示：建筑供热要同时匹配资源温度、末端温度和运行方式。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术22超低温地热能：0～20℃•0～20℃地热能温度品位较低，通常不能直接满足建筑供热温度要求。•它可作为热泵系统的低位热源，冬季从土壤或水体取热，夏季向环境放热。•这一温度层级是后续地源热泵供热空调系统的主要学习对象。课堂提示：低温资源通过热泵提升温度后进入建筑供热系统。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术23梯级利用原理•地热流体先进入温度要求最高的利用环节，完成换热后温度下降。•降温后的流体继续进入下一温度等级的用户，形成串联或分级供能。•每一级的出口温度应满足下一级入口要求，同时保证流量和运行稳定性。•末端余热利用后，流体按工程要求处理或回灌。课堂提示：设计主线是入口温度—用户需求—出口温度的连续匹配。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术24从高品位到低品位的梯级利用：•高温段优先承担发电或工业过程，使能量的高品位部分得到利用。•中温段可承担建筑供暖、生活热水或农业生产。•低温段仍可通过热泵继续提取热量，降低排放温度。•分级利用能够扩大同一资源的服务对象，但也增加系统协调要求。课堂提示：每一级都应说明“谁用、需要多高温度、用后还剩多少”。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术25地热能梯级利用示意图3.2地热能梯级利用示意•图示把地热资源与不同温度需求的用户串联起来。•地热流体经过一级用户后仍保有热量，可继续为下一级用户供能。•热泵等设备可在低温段提升可用温度，延伸利用链。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术26多能互补与梯级利用•当地热能不能独立满足全年负荷时，可与其他能源或辅助设备共同供能。•辅助能源用于补充峰值负荷、提高供水温度或保障异常工况。•多能互补不改变梯级原则，各能源仍应按温度与负荷特征合理分工。课堂提示：辅助能源承担补峰与保障，地热资源承担适宜的基础负荷。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术27系统设计与运行控制•设计阶段应核对资源温度、可利用流量、各级负荷和末端温度。•运行阶段应根据实际负荷调节流量和设备启停，避免高温资源直接用于低温需求。•各级用户运行时间不同，需要设置旁通、调节和必要的蓄能或辅助措施。•监测进出口温度和流量，才能判断梯级利用是否按设计运行。课堂提示：梯级系统既是换热网络，也是需要协调的运行系统。3.2地热能的梯级利用3.2.1梯级利用原理第3章地热能利用技术283.2.2梯级利用的主要形式•地热发电：利用高温蒸汽或地热水转换为电能。•工业利用：为烘干、加工等过程提供热量。•供热与制冷：直接换热或结合热泵服务建筑。•农业及其他利用：温室、养殖、农灌、医疗、洗浴等。课堂提示：同一资源可以连接多种用途，关键是温度顺序和负荷衔接。3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术29地热发电•高温地热资源可用于驱动发电装置，把地热能转换为机械能和电能。•发电后的排汽或地热水仍可能具有较高温度，可继续用于供热等。•因此，发电常位于梯级利用链的上游。课堂提示：发电后的余热不是废热，可进入后续利用层级。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术30工业利用•工业用户通常具有明确的工艺温度要求。•地热流体可直接或通过换热器向烘干、加工等过程供热。•采用间接换热可以隔离地热流体与工艺介质，便于控制水质和腐蚀。课堂提示：工业利用必须先满足工艺温度和介质安全要求。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术31供热与制冷•中低温地热能可为建筑供暖、生活热水和部分制冷过程提供能源。•资源温度足够时可直接换热供热；温度较低时可通过热泵提升。•夏季地源热泵可把建筑热量转移到土壤或水体，实现供冷。课堂提示：直接利用与热泵利用的区别在于是否需要温度提升。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术32农业及其他利用•农业利用包括温室、养殖和农灌等，通常位于较低温度层级。•医疗、洗浴和矿泉饮用等用途还需满足相应的水质和卫生要求。•梯级利用末端仍应考虑流体处理、环境影响与回灌。课堂提示：低温用途扩大了资源利用范围，但不能忽略水质与环境约束。3.2.2梯级利用的主要形式3.2地热能的梯级利用第3章地热能利用技术333.3地源热泵供热空调系统地源热泵以土壤、地表水或地下水作为低位热源或热汇，通过热泵循环向建筑供热或供冷。本节分别讲授土壤源热泵和水源热泵。本节学习路径：系统原理→影响因素→系统形式→工程勘察→运行方式第3章地热能利用技术34地源热泵的作用与类型•冬季，热泵从土壤或水体吸收低位热量，并把温度提升后向建筑供热。•夏季，系统从建筑吸热，并把热量排向土壤或水体。•按换热对象可分为土壤源热泵和水源热泵；水源又可包括地表水和地下水。•系统性能取决于热泵机组、地下或水侧换热条件以及建筑负荷。课堂提示：地源并不直接等于供热温度，热泵完成温度提升。3.3地源热泵供热空调系统第3章地热能利用技术353.3.1土壤源热泵系统供冷供热•土壤源热泵通过埋地换热器与土壤交换热量。•换热器内循环介质与土壤不直接混合，形成封闭循环。•夏季土壤作为热汇，冬季土壤作为热源。•埋管形式、土壤热物性和长期冷热平衡共同影响系统运行。课堂提示：理解土壤源热泵，要沿着“建筑—热泵—埋管—土壤”追踪热量。第3章地热能利用技术36夏季供冷原理图3.3土壤源热泵系统夏季供冷原理•热泵从建筑侧吸收热量，使室内或空调水系统降温。•压缩机驱动制冷剂循环，把吸收的热量提升到可向土壤释放的温度水平。•埋地换热器把冷凝侧热量传给土壤。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术37冬季供热原理图3.4土壤源热泵系统冬季供热原理•埋地换热器从土壤吸收低位热量。•制冷剂经蒸发、压缩、冷凝和节流完成热泵循环。•冷凝侧把提升后的热量传给建筑供热系统。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术38夏季供冷与冬季供热的热量路径夏季供冷•建筑是热源，土壤是热汇。•热量由建筑经热泵排向土壤。•关注土壤散热能力和冷凝温度。冬季供热•土壤是低位热源，建筑是用热端。•热量由土壤经热泵送入建筑。•关注土壤取热能力和蒸发温度。课堂提示：季节切换改变热量方向，热泵仍负责在两个温度水平之间搬运热量。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术39影响性能：土壤温度与含水率•土壤温度决定埋管周围可利用的温差，是换热能力的重要基础。•含水率会影响土壤的热传导和热容量，湿润土壤通常具有不同于干燥土壤的换热特性。•地下水运动也可能改变热量扩散过程。•项目设计应采用场地调查和测试结果。课堂提示：土壤不是恒温热库，其状态会随季节和运行累积而变化。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术40影响性能：导热系数与建筑负荷•土壤导热系数影响热量从埋管向远处扩散的能力。•建筑冷热负荷决定系统每小时和每个季节需要交换的热量。•若长期排热与取热不平衡，土壤温度可能逐年偏移，影响机组效率。•因此埋管规模不能只按机组容量确定，还要结合全年负荷。课堂提示：设计对象是全年热量平衡，而不只是某一时刻的峰值。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术41土壤源热泵系统形式图3.5土壤源热泵系统形式•按埋管布置将系统分为水平式和垂直式。•水平式埋管埋深较浅、占地较大；垂直式通过钻孔向地下布置换热管。•选择形式时应比较场地、地质、施工和换热需求。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术42水平式土壤源热泵•水平埋管通常在较浅土层中展开，可采用不同的管道排列形式。•其施工相对直观，但需要较大的可开挖场地。•浅层土温更容易受地表气候和覆盖条件影响。•设计时应保护管道、控制埋深并避免与其他地下设施冲突。课堂提示：水平式的主要约束是场地面积与浅层土温波动。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术43水平式的优势与限制•优势：钻孔需求较少，适合有足够室外场地的项目。•限制：占地较大，土方工程和地表恢复工作量明显。•运行效果受土壤条件、埋深、管间距和地表环境影响。•不能仅凭“施工简单”判断其适用性。课堂提示：场地可用面积是水平式方案的先决条件。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术44垂直式土壤源热泵图3.6垂直式土壤源热泵系统•垂直埋管通过钻孔进入较深土层，在有限地面面积上获得较大换热长度。•钻孔内换热管与回填材料共同形成地下换热通道。•设计需确定钻孔深度、间距、数量和连接方式。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术45垂直式的优势与限制•优势：占地较小，深层土温相对稳定，适合场地受限的建筑项目。•限制：钻孔和回填质量要求高，初投资及地质风险需要评估。•钻孔间距不足会造成热干扰，影响长期换热能力。•施工完成后地下部分难以检修，因此前期勘察和质量控制非常重要。课堂提示：垂直式以钻孔质量换取场地效率。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术46工程勘察的目的•工程勘察用于了解场地土层、地下水条件、岩土热物性和施工条件。•勘察结果为埋管形式、钻孔深度、间距和数量提供依据。•对于规模较大的项目，可进行岩土热响应试验，获得场地实测换热参数。•勘察不是附加工作，而是系统设计的输入条件。没有可靠场地参数，埋管规模和长期性能都难以判断。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术47岩土热响应试验图3.7岩土热响应测试仪•测试仪向试验钻孔施加稳定热量，并记录循环介质进出口温度、流量等数据。•通过测试数据可分析岩土综合导热能力和钻孔换热特征。•这些参数用于校核埋管设计。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术48取样与实验室分析•首先根据场地条件布置勘察点或试验孔，并获取具有代表性的岩土样品。•实验室分析可了解样品的组成、含水状态和相关热物性。•现场记录与样品分析应相互对应，避免用孤立样品代表整个场地。课堂提示：取样解决“地下是什么”，测试解决“实际怎样换热”。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术49数据分析与换热能力评价•整理试验期间的加热功率、流量和进出口温度变化。•分析岩土综合导热能力以及钻孔内换热过程。•结合建筑全年负荷，评估场地可交换与可储存的热量。•评价结果用于确定埋管长度、孔数和运行边界。课堂提示：试验参数只有与建筑负荷结合，才能转化为设计结论。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术50从勘察结果到系统设计•依据实测参数计算单孔或单位管长的换热能力。•根据峰值负荷和全年冷热量确定总换热规模。•校核钻孔间热干扰、长期土温变化和可施工空间。•必要时设置辅助热源、冷却塔或其他调节措施。课堂提示：勘察—计算—校核—辅助措施构成完整设计链。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术51土壤源热泵系统运行图3.8土壤源热泵系统运行示意•运行管理应根据建筑负荷调节热泵机组和埋管回路。•监测土壤侧进出口温度，可以判断换热条件和长期温度变化。•当排热或取热能力不足时，可启用辅助设备。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术52辅助冷却塔的作用•当夏季向土壤排热过多时，可设置冷却塔分担部分排热负荷。•辅助冷却塔可以降低土壤侧温度上升速度，改善机组冷凝条件。•启停应依据负荷、土壤侧温度和运行经济性。•辅助设备不是替代埋管，而是调节全年冷热不平衡。课堂提示：辅助冷却塔主要解决夏季排热偏大的冷热不平衡。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术53间歇运行与分区运行•间歇运行可在建筑低负荷或无人时段减少设备运行。•分区运行使系统只服务有需求的区域，避免全部末端同时开启。•两种方式都需要保证重新启动后的室内环境和设备安全。•控制策略应与建筑使用时间和负荷变化相适应。课堂提示：运行节能来自负荷匹配，而不是简单减少开机时间。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术54负荷跟踪、错峰与优化•机组台数和出力应随实际负荷变化，减少低效运行。•在电网低谷时段运行可实现错峰，但需要建筑蓄热、蓄冷或系统惯性配合。•优化控制应同时考虑室内需求、机组效率、土壤侧温度和电价。•长期运行数据可用于修正控制策略。课堂提示：系统优化是建筑侧、机组侧和地源侧的协同。3.3.1土壤源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术55水源热泵系统•水源热泵以地表水或地下水作为低位热源或热汇。•水体通过直接进入机组或经换热器间接换热，与热泵循环交换热量。•水温相对稳定有利于热泵运行，但水量、水质和取排水条件必须满足要求。•系统形式应结合水源类型和环境管理要求选择。课堂提示：理解水源热泵，要同时追踪水侧流程和制冷剂循环。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术56水源热泵供冷供热原理图3.9水源热泵供冷供热原理•冬季从水体吸热，经热泵提升温度后向建筑供热。•夏季从建筑吸热，再把热量排向水体。•水侧可采用开式取水，也可通过换热器形成间接系统。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术57影响水源热泵性能的因素•水温：决定蒸发或冷凝侧的温差条件。•水量：决定可持续交换的热量规模。•水质：影响结垢、腐蚀、堵塞和设备寿命。•建筑负荷与环境条件：决定系统容量、运行时段及取排水影响。课堂提示：水源稳定并不只指温度稳定，还包括流量和水质可控。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术58水温与水量•适宜且稳定的水温有助于提高热泵运行效率。•可利用流量必须覆盖设计换热需求，并考虑季节变化。•取水温度和回水温度共同决定水侧换热量。•水量不足会导致温差和设备工况偏离设计。课堂提示：水温决定单位流量能交换多少热，水量决定总交换能力。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术59水质、建筑负荷与环境条件•水中的悬浮物、盐分和化学成分可能造成过滤负担、结垢与腐蚀。•建筑负荷决定取热或排热强度及持续时间。•取水和排水应评估对水体温度与生态环境的影响。•必要时采用间接换热，把天然水体与机组水系统隔离。课堂提示：水源热泵设计必须把设备效率与水环境保护同时考虑。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术60水源热泵的系统形式•地表水源热泵利用江、河、湖、海等水体作为热源或热汇。•地下水源热泵通过取水井取水，经换热后再回灌。•地热水直接供热利用水体本身的温度；间接供热通过换热器隔离地热水。•不同形式的调查内容和运行管理要求不同。课堂提示：先识别水源类型，再决定取水、换热和回水方式。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术61地表水源热泵系统图3.10地表水源热泵系统•系统从地表水体取热或向水体排热，为建筑侧热泵提供稳定换热条件。•取水口位置、过滤设施和排水口布置会影响运行。•水体容量及季节水温变化是设计依据。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术62地表水源系统的优势与限制•优势：可利用较大水体的热容量，水侧换热条件较稳定。•限制：取水工程、水质处理、季节水位和环境许可均会影响方案。•取水与排水位置不当可能形成短路，降低换热效果。•湖泊等封闭或半封闭水体还需评价可利用容量。课堂提示：水体“看起来很大”不等于可无限取热或排热。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术63地下水源热泵系统图3.11地下水源热泵系统•地下水经取水井送入换热系统，完成换热后通过回灌井回到含水层。•取水井与回灌井的位置应减少水力和热短路。•系统必须保证取水、换热、回灌过程连续可靠。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术64地下水源系统的优势与限制•优势：地下水温相对稳定，可形成较好的热泵运行条件。•限制：需要适宜的含水层、稳定水量和可实施的回灌条件。•水质问题可能导致井、管道和换热器结垢或堵塞。•长期运行必须监测水位、流量、温度和回灌效果。课堂提示：地下水源方案成立的关键是“可取、可换、可回灌”。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术65地热水直接供热图3.12地热水直接供热系统•当地热水温度和水质满足系统要求时，可直接进入供热利用环节。•直接利用减少中间换热温差，但地热水与设备和管网直接接触。•因此必须关注腐蚀、结垢和卫生条件。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术66地热水间接供热图3.13地热水间接供热系统•地热水先通过换热器把热量传给建筑侧循环水。•间接系统把地热水与建筑管网隔离，便于控制水质影响。•换热器会产生温差和阻力，需要在安全性与效率之间权衡。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术67工程勘察：湖泊容量与水文地质•地表水项目应调查水体面积、深度、有效容量、季节水位和水温。•地下水项目应调查含水层分布、渗透性、水位、水量、水质和回灌条件。•勘察结果用于确定取排水方式、换热规模和环境影响边界。•不能用短期单点水温替代完整水源评价。课堂提示：地表水关注水体容量，地下水关注含水层与回灌。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术68地表水取水运行方式图3.14过滤后取水方式图3.15直接取水方式过滤后取水用于减少杂质进入系统；直接取水流程较短，但对水质和设备耐受性要求更高。实际方式应根据水体杂质、过滤维护、换热器形式和环境要求确定。3.3.2水源热泵系统供冷供热第3章地热能利用技术69海水源系统的腐蚀控制•海水含盐量高，对金属设备、管道和