浅谈地源热泵空调系统的应用

浅谈地源热泵空调系统的应用

【内容提要】秦皇岛数谷大厦是以办公为主的综合办公楼。介绍了该工程的冷、热媒负荷，空调形式等。着重探讨了地源热泵系统的组成、特点，工作原理、发展趋势。

【关键词】办公楼、地源热泵、压缩机、冷凝器、膨胀器、调节阀、分类、应用等。

1 工程概况

数谷大厦建于秦皇岛市经济开发区内，占地面积为96.79亩，总建筑面积为 46496m2。本建筑的地下一层为设备用房及非机动车库，一层除大堂外为办事大厅，银行，商务，休息,二层至十四是以办公用房为主,夹层以上是以物业办公用房为主,十五层是以多功能厅，会议，休息为主。屋顶为设备用房。

数谷大厦的空调系统采用地源热泵方式。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。

随着当今传统能源的日趋枯竭及环境污染的加剧，在“节能减排”的国策指导下，地源热泵系统因其显著的节能、环保、高效益用等特点而愈加受到人们的重视。自上世纪90年代国内展开地源热泵技术研究以来，已经过了约二十年的发展历程。吸收了国外的应用研究成果，地源热泵技术在国内已取得了一定的研发进展。

2 空调设计参数及负荷

本工程的夏季冷负荷为4465kW，冬季热负荷为3600kW，依据场地形式及地质条件，采用地源热泵系统，冷水供/ 回水温度7℃／12℃。经DOE-2模拟分析，设计建筑能耗为3584206kWh，参考建筑能耗为5066711 kWh，可节省1482505kWh。

本工程的地源热泵系统。地埋管形式为垂直双U，埋管深度为120米，间距5米，孔径150毫米，经热工测量实验后确定井数量为530口。管道采用同程方式连接，室外分5个检查井，经汇集至机房地埋集分水器。地埋管采用专用土壤源热泵专用PE管，管径De32。室外地埋水平管深为2.0米，供回水管均采用岩棉管壳保温，保温厚度为30mm。

本工程采用集中热泵空调，热泵机房采用3台LWP99－420X地源热泵机组。其性能参数如下：

夏季制冷量为1440kW，耗电量245kW，蒸发器7－12℃，冷凝器25－30℃冬季制热量为1595kW，耗电量346 kW，蒸发器10－5℃，冷凝器45－50℃地源热泵空调系统主要设备见表1：

表1 地源热泵空调系统主要设备

3 地源热泵的组成

地源热泵主要由四个部件组成:即压缩机、冷凝器、膨胀器和调节阀,其中压缩机是地源热泵的最主要部件,是热传导的动力源;冷凝器和膨胀器是地源热泵吸热和放热的部件;调节阀是地源热泵的控制部件。

地源热泵内部热转换如图1所示。

图1地源热泵内部热转换

3.1、压缩机

压缩机是用于压缩气体借以提高气体压力的机械。根据其工作原理和构造,压缩机可分为容积型和速度型两大类。容积型压缩机包含有活塞式和回转式;速度型压缩机有离心式和轴流式两种。

3.2、冷凝器

冷凝器的作用是将高压、过热的制冷剂蒸气凝结为液体,同时将热量传导给周围的冷却介质。在地源热泵供暖的场合,与冷凝器连接的是地上传热系统,即室内采暖循环,冷凝器从制冷剂中吸取热量, 加温循环的采暖水,完成地源热泵整个热传导过程。在制冷场合, 冷凝器连接着地下循环系统, 从制冷剂中吸取的热量传导给地下循环水,将热量带至地下,完成地源热泵的整个热传导过程。

根据冷却介质和冷却方式的不同,冷凝器可分为三类:水冷式冷凝器、空气式冷凝器和蒸发式冷凝器。地源热泵全都采用水冷式冷凝器,其特点是传热效率高,结构紧凑。水冷式冷凝器有立式壳管式、卧式壳管式和套管式,工作原理和效率相差不大,可根据需要选取。

3.3、膨胀器

膨胀器的作用是使制冷剂汽化,从循环水系统中吸取热量,同时使循环介质的温度降低。其工作原理是:在供暖场合,由地下循环系统抽到膨胀器中的循环水经过膨胀器而释放能量,使得制冷剂由液态蒸发(沸腾) 成为气态,同时循环水温度降低,重新注入地下。在此过程中,热量从地下循环系统传递到地源热泵制冷循环的制冷剂中,完成了热传导的第一步。在制冷

场合,地上循环系统的传热液体进入膨胀器,将建筑物内的热量传导至制冷剂中,也完成了热传导的第一步。根据被冷却介质种类的不同,膨胀器可分为冷却液体的膨胀器和冷却空气的膨胀器。地源热泵采用的都是前者。常用于地源热泵的有壳管卧式膨胀器、干式膨胀器和沉浸式膨胀器,其中沉浸式膨胀器又有立管式、双螺旋管式和盘管式三种。

3.4、调节阀

调节阀是制冷装置的制冷剂节流机构,是实现制冷循环不可缺少的部件。调节阀的主要功能有:对高压液态制冷剂节流降压,保证冷凝器和膨胀器之间的压力差,使进入膨胀器的制冷剂在要求的低压下蒸发、吸热,从而达到热传导的目的;调整进入膨胀器中的制冷剂流量,以适应膨胀器的热负荷变化,保证制冷装置正常运行。调节阀的种类比较多,有手动调节阀、浮球调节阀、热力膨胀阀和热电膨胀阀等。目前浮球调节阀和热力膨胀阀应用较多,手动调节阀已被淘汰;而热电调节阀与变频压缩机组成的制冷系统是比较先进的技术,能够得到最佳的匹配。

4 地源热泵特点

4.1、属可再生能源利用技术

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。

4.2、属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的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%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，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。设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。

4.3、环境效益显著

系统运行没有任何污染，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。