地源热泵的计算

目录摘要1地然热泵介绍 (1)1.1热源 (5)1.2组成部分 (5)1. 3主要特点 (5)1. 4形式 (6)1.5可再生性 (7)1.6高效节能 (7)1.7优点 (9)1.8工作原理 (10)热泵原理 (11)热泵分类 (11)1.9系统类型 (12)1.10应用方式 (13)1.11制冷原理 (14)1.12制热原理 (14)1.13存在问题 (14)2土壤源热泵系统设计的主要步骤 (13)2.1建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算 (14)2.2地下管道设计 (14)2.21 选择管材 (1)52.22确定管径 (16)2.23 确定竖井管 (1)62.24 确定竖井数目及间距 (17)2.25 计算管道压力损失 (17)2.26 水泵选型 (1)72.27校核管材承压力 (18)3 其它 (1)8 4 设计举例 (19)4.1 设计参数 (2)4.1.1 室外设计参数 (2)14.1.2 室内设计参数 (2)14.2 计算空调负荷及选择主要设备 (2)14.3 计算地下负荷 (2)24.4 确定管材及埋管管径 (2)24.5 确定竖井埋管管长 (2)24.6 确定竖井数目及间距 (2)24.7 计算地埋管压力损失 (22)4.8 校核管材承压能力 (22)5参考文献 (23)摘要随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。

地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。

冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。

相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。

土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。

地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。

地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。

虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。

国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。

目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。

地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源（如电能）实现由低品位热能向高品位热能转移。

通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4.4kWh以上的热量或冷量。

1地然热泵的介绍"地源热泵"的概念，最早在1912 年由瑞士的专家提出，而这项技术的提出始于英、美两国。

北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。

由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义1.1热源地源热泵已成功利用地下水、江河湖水、水库水、海水、城市中水、工业尾水、坑道水等各类水资源以及土壤源作为地源热泵的冷、热源。

1.2组成部分地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。

其中地源热泵机主要有两种形式：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，地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。

3主要特点（1）地源热泵技术属可再生能源利用技术。

由于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。

地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。

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500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，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

（2）地源热泵属经济有效的节能技术。

其地源热泵的COP值达到了4以上，也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量。

[1]（3）地源热泵环境效益显著。

其装置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。

（4）地源热泵一机多用，应用范围广。

地源热泵系统可供暖、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；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、水力平衡分配器（5）地源热泵空调系统维护费用低。

地源热泵的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。

由以上的特点可以看出，地源热泵的技术以后可得到广泛的应用。

然而，地源热泵要实现制冷制热，则需要给它提供动力来输送制冷制热管道中的循环水，传统机房可提供动力，但施工起来比较复杂，难度高，周期长，采购的材料种类多，需库存，漏水隐患大等等问题，针对此，市场上开发了一款新型的动力输配系统设备-----节能空调机房。

此机房系统是将传统机房中的所有部件进行集成模块化，实行一体化安装的模式。

不仅在施工难度上大大降低了，而且无需库存，漏水隐患大大降低了，还能与主机进行无限联动等等，由此可以看出，节能空调机房实为一款为暖通行业提供一整套的解决方案.总而言之，节能空调机房、水力平衡分配器、多功能水箱与地源热泵的结合为整个暖通系统增加亮点，同时在安装上便捷了很多，施工时间、采购周期都大大缩短了，人工成本也将低了等等。

由此可见节能空调机房与地源热泵的配合是未来暖通行业必然的发展趋势。

4形式地源热泵水源/地源热泵有开式和闭式两种。

开式系统：是直接利用水源进行热量传递的热泵系统。

该系统需配备防砂堵，防结垢、水质净化等装置。

闭式系统：是在深埋于地下的封闭塑料管内，注入防冻液，通过换热器与水或土壤交换能量的封闭系统。

闭式系统不受地下水位、水质等因素影响。

1、垂直埋管--深层土壤垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。

垂直埋管通常安装在地下50-150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。

垂直埋管是地源热泵系统的主要方式，得到各个国家的政府部门大力支持。

2、水平埋管--大地表层在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。

水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。

3、地表水江、河、湖、海的水以及深井水统称地表水。

地源热泵可以从地表水中提取热量或冷量，达到制热或制冷的目的。

利用地表水的热泵系统造价低，运行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和国家政策（如取深井水）的限制。

1.5可再生性地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。

地表土壤和水体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）；它又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相对的平衡，地源热泵技术的成功使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为现实。

1.6高效节能地源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为12-22℃，温度比环境空气温度表一高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；土壤或水体温度夏季为18-32℃，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大大提高，可以节约30--40%的供热制冷空调的运行费用，1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，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，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地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，其运行费用为普表二通中央空调的50～60%。

因此，近十几年来，地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，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

表一：地源热泵与其它加热方式相比的能源消耗情况比较：比较后可得出地源热泵是所有加热方式中最节约能源的。

表三表二：地源热泵空调系统与传统的中央空调系统各方面的特点相比：地源热泵空调系统在各方面都比传统空调系统表现优秀。

表三：300平米别墅，供暖季供暖和生活热水运行费用与其它供暖方式相比：注：表三研究对象为北京的一套高档别墅，面积为300平米。

各种价格参数取自市政府相关部门发布的《2004年度北京能源利用报告》，以及《2006年度北京能源利用报告》，2个年度的能源价格变动较大。

本表按用户每天运行15小时，一个采暖季计算。

1.7优点环境和经济效益显著地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。

地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%。

一机多用，应用广泛地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，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。

地源热泵有着明显的优点。

不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

维护费用低并可无人值守地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，其系统不是埋在地下就是安装在室内，不暴露在风雨中，机组紧凑、节省空间，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。

自动控制程度高，可无人值守、远程管理，无需雇佣人员看管。

地源热泵远程监控系统污染小地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少38%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排节能减排是减少能源浪费和降低废气排放更多。