地源热泵空调原理及应用

第一章地源热泵的概念

第一节地源热泵原理及分类

地源热泵是一种以土壤、地下水作为低温热源的热泵空调技术。其原理是依靠消耗少量的电力驱动压缩机完成制冷循环，利用土壤温度相对稳定（不受外界气候变化的影响）的特点，通过深埋土壤的环闭管线系统进行热交换，夏天向地下释放热量，冬天向地下吸收热量，从而实现制冷或供暖的要求。

换而言之：地源、水源热泵空调系统把夏天室内多余的热量通过热泵机组储存到相对稳定的大地中去，而冬天再把夏天通过热泵机组储存在大地中的能源提取出来，重新回放到室内，来完成室内房间的冷暖空调的需求，完成该系统的能源循环只需要少量的电力驱动。

由于系统采取了特殊的换热方式，使之具有传统空调系统无法比拟的优点，是真正高效、节能、环保的一种空调设备。

地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或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；夏季它向土壤、地下水或者地表水放热，达到给建筑物降温的目的。同时，它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效利用能源的方式。

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，同时又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。

⒈水平式土壤换热器

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2～4米之间，在只用于采暖时，土壤在整个冬天处于放热状态，沟的深度一定要深，管间距要大。

⒉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。

⒊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3～5m，孔径在150～200mm，外套管直径Ф63～Ф90～Ф120mm，内套管直径Ф25～Ф32mm。

⒋热井式土壤换热器

热井式土壤换热器是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。

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，下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下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。

1～4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。

第二节为什么要大力发展地源热泵

党和国家明确提出，“十一五”期间，必须加快建设资源节约型、环境友好型社会，要把节约资源作为基本国策，因此推进建筑节能工作迫在眉睫。2007年6月，国务院发布《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》，明确提出

要“大力发展可再生资源，抓紧制定出台可再生资源中长期规划”，特别提到推进对地热能等可再生能源与建筑一体化的科研、开发和建设。

由中国地质调查局浅层低温能研究所推广中心主办的第三届“地源热泵技术应用论坛”于2007年12月21日在北京举行。会上，有关专家、设计师就热泵系统在设计、施工中的经验以及在实际工作中所遇到的问题进行了探讨。

据报道，“地源热泵技术应用”已经成功举办了两届，作为热泵行业每年一度的盛会，“地源热泵技术应用”集聚了行业内著名热泵专家、设计师，就热泵系统在设计、施工中的经验以及在实际工作中所遇到的问题进行探讨。会上，有关专家、设计师还对华清集团“奥运村地源热泵系统”、“北京用友软件园”等成功案例进行了介绍，并对北京市浅层地热资源做了初步的规划展望。

地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源的即可供热又可制冷的新型高效环保节能技术。与传统中央空调系统相比，它实现了环境与节能性的统一，在建筑供热空调中采用地源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，此项技术代表着节能型中央空调的发展趋势，推广使用将对建筑节能目标的实现、合理利用资源、改善环境产生巨大的推动作用。

第三节地源热泵的优势

地源热泵是以浅层土壤作为低品位热源,利用少量的电能,通过热泵机组将这种低品位的可再生能源源源不断地提取,用一各类建筑冬季供暖、夏季制冷和日常供应生活热水。它是一种节能、环保、先进、实用的新型空调技术,供暖运行费用约为电采暖的1/3 ,而且没有任何污染物的排放,现已成为供热、制冷领域中最为有效和经济的方案。

⒈高效节能

以地表水、浅层地下水以及土壤等低品位热量为冷热源,能量来源稳定可靠,运转效率比常规家用空调高40%以上,投入1kw 电能可以平均获得4.0kw 以上的冷量或热量。

⒉一机多用

针对高端客户,专门开发了带热水罐的机组。机组采用独特的热水回收技术,夏季制冷、冬季供暖,在制冷的同时,免费加热生活热水。

⒊环保安全

系统运行过程中,没有任何气态、液态、固态污染物排放,也没有废热、废水损失。整个系统全封闭循环,不会造成对土壤和地下水的污染,可实现使用区域零污染。

⒋初始投资低

因其多功能的特性,其初始投资与同样满足供暖、制冷和生活热水条件的其它系统所需投资相当,甚至更低。

⒌运行费用低

机组利用浅层地热能,使机组的制冷cop 值高达5 以上(制热cop 大于

3.5 ),远远大于普通风冷空调。运行费用比传统空调节省40~60% 。

⒍占地面积小

机组体积小,且省去冷却塔和锅炉,机房面积小,可以充分利用楼梯间的空间安装。

⒎应用范围广

可广泛应用为写字楼、商场、景观、住宅、公寓、学校、体育馆、医院、工厂等场所的舒适性空调及满足特定要求的工艺性空调。

⒏系统稳定,寿命长

土壤温度相对恒定,使得机组能在一个稳定的工况下工作,因此机组不存在除霜问题,减少了机组频繁启停;机组安装在室内,避免风吹雨淋;机组采用热回收技术后,负荷减小,使用寿命亦相应延长。

第四节国家关于地源热泵出台的相关政策和标准

《中华人民共和国可再生能源法》2006年1月1日

可再生能源，是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。

⒈《建筑节能管理条例》

⒉2004年国家发展和改革委员会发布了中国第一个《节能中长期专项规划》:加快太阳能、地热等可再生能源在建筑物的利用。

⒊2006年8月，国务院发布了《关于加强节能工作的决定》:大力发展风能、

太阳能、生物质能、地热能、水能等可再生能源和替代能源。

最新颁布的《中国应对气候变化国家方案》:积极扶持风能、太阳能、地热能、海洋能等的开发和利用。积极推进地热能和海洋能的开发利用，推广满足环境和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源热泵技术.

⒋《关于进一步加强中央国家机关节能减排工作的通知》：实施地热源、水源、空气源热泵技术试点示范工程，积极推广空调和采暖系统变频调速技术、空气热回收技术等新技术的应用，扩大太阳能等新能源的使用范围。

财政部建设部印发《可再生能源建筑应用示范项目评审办法》

⒌财政部建设部印发《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》

⒍<建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见> ,重点支持领域:一共８个领域，与地源热泵有关系的有４个．

⑴地表水及地下水丰富地区利用淡水源热泵技术供热制冷；

⑵沿海地区利用海水源热泵技术供热制冷；

⑶利用土壤源热泵技术供热制冷；

⑷利用污水源热泵技术供热制冷；

在《可再生能源法》的颁布之后，可再生能源利用将成为一个新的亮点，我国很快将成为世界上可再生能源利用第一大国。地源热泵技术将成为利用可再生能源的一个主力军，它已经在全国城市级区域逐渐推广应用，必将成为我国城市经济发展中的一个新的增长点；不过，地源热泵的广泛应用，还需要更多的各个专业各个领域的人来共同努力共同配合，从政府政策、主机设计制造、系统的设计和运行管理等各个方面都来共同参与。只有这样，地源热泵才能最大限度的发挥其作用。

可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。之所以对中国的地源热泵市场发展前景持乐观态度，一方面是为社会节约常规能源、充分利用可再生能源的国内外大趋势；另一方面，我国具有较好的热泵科研与应用的基础，国内多家科研院所等单位曾多次召开全国性的有关地源热泵技术发展与应用的专题研讨会。我们有理由相信，在充分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，在各级政府的有

力支持下，中国的科技界与企业界携手共进，依靠自己的力量完全有能力在不长的时间内开拓出具有中国特色的地源热泵产业。

第二章地源热泵中央空调

A、工作原理

一、浅层地热能源

在太阳的辐射照耀下，地球成为太阳能的巨型“存贮器”，在地壳浅层的水体和岩土体中贮存了大量清洁的可再生能源，称为浅层地热能，简称地源。

二、热泵技术

是近代科学发明的一种节能技术。向热泵机组输入一定电能驱动压缩机作功，使机组中的工质（如R22、R134a）反复发生蒸发吸热和冷凝放热的物理相变过程，就能实现空间上的热量交换和传递转移。

三、地源热泵中央空调系统

是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。其工作原理是：冬季，热泵机组从地源（浅层水体或岩土体）中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中，实现建筑物空调制冷。根据地热交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。

B、应用条件

一、地下水地源热泵系统应用条件：

1、建筑项目附近地下水资源丰富，并便于实施供回水工程。

2、地方政策允许利用地下水。

3、地下水温适度，水质适宜，供水稳定，回灌顺畅。

二、地表水地源热泵系统应用条件：

1、建筑项目附近有丰富的地表水（例如：江水、河水、湖水、海水、水库水、污水、中水、地热尾水、工业废水等等）。

2、水量充足，水温适度，水质经简单处理能达到使用要求。

三、土壤源热泵系统（地埋管）应用条件：

1、建筑物附近缺乏水资源或因各种因素限制，无法利用水资源。

2、建筑物附近有足够场地敷设“地埋管”（例如：办公楼前后场地、别墅花园，学校运动场等等）。

C、设计理念

“在满足人们冷热基本需求的前提下，最大限度地实现环境保护和能源节约，同时创造优良的室内空气品质”这是清华同方对空调产品的诠释。

“环保、节能、节水、满足用户需要”是研发设计的主题理念。