地源热泵说明书

水源/地源热泵空调系统技术及其工程应用
天津大学热能与制冷工程技术中心
水源/地源热泵空调系统
技术及其工程应用
第一章前言
第二章热泵工作原理
第三章水源热泵系统
3.1 水源热泵的工作原理与分类
3.2 水源热泵的特点
第四章地源热泵系统
4.1 地源热泵工作原理与分类
4.2 地源热泵节能特性
第五章地源热泵应用方式
第六章地源热泵的经济性及与能源价格的关系
第七章不同空调系统的经济性对比分析
第八章售后服务和技术保障
第九章典型工程概况
第一章前言
当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。

在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应运而生，而热泵系统正是满足这些要求的新兴中央空调。

热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，而热泵真正意义的商业应用也只有近几十年的历史。

如美国，1985年全国共有14,000台地源热泵，1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10％的速度稳步增长。

1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19％，在新建筑中占30％。

美国热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。

美国计划到2001年达到每年安装40万台热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美元。

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，地下土壤埋管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。

据1999年的统计，为家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。

我国的地源热泵事业近几年已起步，而且发展势头看好。

越来越多的中国用户开始熟悉热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣，可以预计中国的热泵市场前景广阔。

之所以对中国的热泵市场发展前景持乐观态度，一方面是要节约常规能源、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，早在50年代，天津大学热能工程系开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。

许多单位对地下埋盘管的地源热泵也进行了多年的研究，在中国科学院广州能源研究所等单位还多次召开全国性的有关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。

第二章热泵工作原理
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。

但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。

所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为
供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。

热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：
压缩机：起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；
蒸发器：是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；
冷凝器：是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；
膨胀阀或节流阀：对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

四通阀：是根据用户需要转换供热或制冷状态的工质侧阀门
其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。

在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。

热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（Coefficient of Performance ）。

热泵有多种形式，以水作为热源和供热介质的热泵称为水源热泵。

水源热泵性能系数（即COP值）高于空气源热泵，系统运行性能稳定。

它利用空气、地表水、地下水、工业废水及地下常温土壤资源，借助压缩机系统，完成制冷（制热）。

它无须任何人工资源，彻底取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。

它不向外界排放任何废气、废水、废渣，使
人们远离粉尘、废气和霉菌，是一种理想的绿色技术。

第三章水源热泵系统
3.1 水源热泵的工作原理与分类
水源热泵工程是一项系统工程，一般由水源系统、水源热泵机房系统和末端散热系统三部分组成。

其中，水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备等。

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

地球表面浅层水源如深度在100米以内的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。

水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。

通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

目前我国利用较多的是水源热泵，就是以地下水作为冷热"源体"，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。

传统的暖通空调系统需要很多辅助系统或设备来完成一个完整的暖通空调功能，如冷却塔。

而水源热泵系统只是通过与地下水的热交换来完成制冷或制热的效果。

只应用一个硬件系统，通过在不同季节进行冷凝器和蒸发器的转换，就可以完成制冷与制热功能的转换。

与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。

锅炉供热只能将90%~98%的电能或70～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。

因此，近十几年来，尤其是近五年来，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种。

闭式系统是指在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下或湖水海水中，通过与土壤或海水换热来实现能量转移。

（其中埋于土壤中的系统又称土壤源热泵，埋于海水中的系统又称海水源热泵）。

开式系统是指从地下抽水或地表抽水后经过换热器直接排放的系统。

下图为热泵转换能量的过程示意图
在中国的传统的空调系统概念中，由于国家的经济发展状况和政策的影响，在相当长的时期中，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，在南方以水冷机组解决夏季制冷问题。

在二十世纪八十年代以后，制冷机组的方式开始多样化，此时，出现了溴化锂机组、风冷机组，机组的容量也从原有的大中型机组过渡为大中小型机组，在二十世纪九十年代以后，对于取暖方式也开始有新的尝试和探讨，特别是随着可持续发展和公众环保意识的提高，世界和中国能源利用的结构都正在转变，从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。

北京作为大气污染最为严重的城市之一，其治理大气污染的政策中就包括能源结构的调整，从以煤为主改为天然气和电力替代能源。

但是，替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生的能源，从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源，而水源热泵机组就是比较理想的一种设备。

3.2水源热泵的特点
由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的制冷制热的源，所以其具有以下优点：1. 属可再生能源利用技术
水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。

其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。

地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。

这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。

所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。

2. 高效节能
水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。

而夏季水体为18-35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。

据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。

3. 运行稳定可靠
水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。

是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，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。

不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

4. 环境效益显著
水源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源，所以节能的设备本身的污染就小。

设计良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上。

水源热泵技术采用的制冷剂，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共质。

水源热泵机组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。

5. 一机多用，应用范围广
水源热泵系统可供暖、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。

特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。

不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。

水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

6. 自动运行
水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到15年以上。

当然，象任何事物一样，水源热泵也不是十全十美的，其应用也会受到制约。

⑴可利用的水源条件限制
水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。

所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。

目前的水源热泵利用方式中，对于开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。

对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。

⑵水层的地理结构的限制
对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现。

⑶投资的经济性
由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的基本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。

虽然总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。

但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。

第四章地源热泵系统
4.1 地源热泵工作原理与分类
与地面上环境空气相比，地下5米以下全年土壤温度稳定且约等于年平均温
度，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。

所以从原
理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。

已有的研究表明土壤
热源热泵主要优点有:节能效果明显，可比空气源热泵系统节能约20%[1]；埋地换
热器不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗；由于土壤具有较好的蓄热性能，可与
太阳能联用改善冬季运行条件；埋地换热器在地下静态的吸放热，减小了空调系
统对地面空气的热及噪音的污染。

所以若能用土壤热源热泵部分取代空气源热泵，
则必然节约能源并有可能形成新的空调产品系列。

从70年代末开始，土壤源热泵的研究逐渐活跃。

欧洲在80年代初先后召开了5次大型的土壤源热泵的专题国际学术会议，瑞典已安装了1000多台（套）土壤源－水热泵装置。

美国从80年代初开始，在能源部（DOE）的直接资助下由ORNL（橡树岭）、BNL （布鲁克黑文）等国家实验室和Oklahoma State University等研究机构开展了大规模的研究，为土壤源热泵的推广起到了重要的作用。

这一时期的主要工作是对埋地换热器的地下换热过程进行研究，建立相应的数学模型并进行数值仿真，这些成果反映在J.E Bose、J. D Parker 、P.D Metz 及V.C Mei等人的论文和研究报告中。

这一阶段的成果最终体现在两本ASHRAE出版设计安装手册和文献。

地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。

其中水源热泵机组主要有两种形式：水—水式或水—空气式。

三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。

冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。

（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。

（3）地源有较好的蓄能作用。

地源分类
地源按照室外换热方式不同可分为三
类：1.土壤埋盘管系统，2.地下水系统，3.
地表水系统。

根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为
闭环和开环系统。

闭环系统如埋盘管方式
（垂直埋管或水平埋管），地表水安置换热
器方式。

开环系统如抽取地下水或地表水方
式。

此外，还有一种“直接膨胀式”，它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器（蒸发器）埋入地下进行换热。

各种环路形式
立埋式环路系统
立埋式环路系统由长度可达400英尺（122米）的聚乙烯管环路组成，这些环路放在直径100至150mm的垂直管孔中形成与土地的热交换器。

所有垂直管孔要用粘土灌浆。

可有两种系统类型：并联式系统和串联式系统。

并联式系统所用管径较小，管环长度较短，所需水泵扬程较低，可用较小的水泵，运行费用少。

一般说来，大多数业主都选择并联式系统。

立埋式系统是小城镇地区和商业用途中最常用的系统形式。

平埋式环路系统
平埋式环路系统是将环路安放在深度约为1.68至1.83m的水平管沟内。

由于受地表温度年波动的影响，环路长度需增加15%至20%。

尽管如此，平埋式比立埋式仍可节省费用25%至30%。

因为立埋式的管孔要用钻井机械钻孔，而平埋式的管沟只要用反向铲开挖即可。

平埋式系统通常安装在有较大园地的住宅和场地很大的建筑物。

圈状环路系统
圈状环路是由涨开的管卷构成，每个管环与下一个管环搭接。

圈状环路可装在用挖沟机挖出的狭沟内，也可平放在用反向铲挖出的宽沟内。

如果工程设计恰当，将与立埋式或平埋式一样有效。

水池环路系统
水池环路系统安装在池塘或湖泊内。

一般说来，为使住宅系统运行良好，池塘的大
小必须在4000平方米以上，深度超过4.6m。

这类系统的安装费不高。

管环为盘管状，连接到公共联箱上，然后将它漂浮到池塘或湖泊中，充水后即会沉入水底。

这种系统即使水面冬季结冰，其运行仍将十分令人满意。

开式环路系统
开式环路系统是将水从水井、湖泊或河流等水源抽出送入热泵中。

从热泵排出的水又排回到水井、湖泊或河流中去。

根据系统是在吸热还是排热，排出的水温将比水源水温冷一些或热一些。

由于水温的改变，开式系统对环境的影响便引起了许多争议，地方法规也常常对开式系统加以限制。

另外一个潜在问题是热交换器表面结垢，因为水通常是不经处理的。

尽管存在这些问题，开式系统还是在一些工程项目中进行了合理应用。

4.2 地源热泵节能特性
地源热泵是一种较低的费用向房屋供暖、供冷和加热生活热水的优异空调系统。

美国环境保护局已经宣布，地源热泵是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。

它比空气热泵系统可节省能源40%以上，比电采热节少能源70%以上。

它比最好的燃气炉的效率平均提高48%，比燃油炉的效率高出75%。

地源热泵系统的优越性
低维护
地源热泵系统的运动部件要比常规系统少，因而减少了维护，并且更加可靠。

由于系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，延长了寿命。

安全
地源热泵系统在运行中没有燃烧，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气集结在家中或商业建筑内。

也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险。

运行费低
地源热泵系统的效率比燃烧矿物燃料、燃油、天然气和丙烷的设备都高。

它只用一点电，运行费用较低。

舒适
由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。

这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区。

可靠
如果安装适当，系统将可使用25至30年。

住宅地源热泵系统一般仅有一台电动风机、一台小型循环水泵、一台压缩机，如有需要可增设一台生活热水器的循环水泵。

设备简单，运行可靠。

易于改建
建筑物中现有的供热、供冷风管通常可直接连接到地源热泵系统上。

环路系统可安装在诸如房屋前、后园地中。

改善环境
比较典型的，是将地源热泵系统安装在车库或其他室内场所，使设备不暴露在恶劣的气候中，并使其运行安静，甚至使用户感觉不出设备正在运行。

第五章 地源热泵应用方式
地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

家用系统
用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

集中系统
热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

分散系统
用中央水泵，采用水环路方式将
水送到各用户作为冷热源，用户单
独使用自己的热泵机组调节空气。

一般用于办公楼、学校等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。

混合系统
将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。

北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。

这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。

分散系统或混合系统实质上是一种水环路
热泵空调系统形式。

水环路热泵空调系统
水环路热泵(Water-Loop Heat Pump，简称WLHP)空调系统，它由许多台水源热泵空调机(WSHP)组成。

这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源。

水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。

夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量由水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。