地源热泵空调系统技术与设计介绍

地源热泵空调系统技术与设计介绍GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM TECHOLOGY AND DESIGN

二OO 四年十二月

目录

第一部分、地源热泵工作原理第二部分、

地源热泵系统的分类与应用方式第三部

分、地源热泵的方案设计

一、地源热泵（GSHP）的系统选型设计

二、土壤热泵系统（GCHP）的方案设计

三、水源热泵系统（GWHP）的方案设计

四、地表水热泵系统（SWHP）的方案设计附1、地源热泵工程的常用技术手段

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一、热泵工作原理

第一部分、地源热泵工作原理

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，用著名的 热力学第二定律准确表述是：“热量不可能自发由低温传递到高温”。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（Compressor ）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(Evaporator)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(Condenser)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(Expansion Valve)或节流阀(Throttle Valve)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。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低 温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。

二、热泵机组的分类

热泵机组是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。

蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵机组或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。

利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用范围远不及空气源热泵。

三、地源热泵工作原理及分类地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热

交换来作为热泵的冷热源，

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。其中地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。

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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。

四、地源应用分类

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。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，是热泵很好的供热热源和 供冷冷源。

月平均温度随深度的变化情况 不同深度土壤温度季节波动情况 根据 ASHRAE Handbook: HVAC Applications.（1995）的分类，地源热泵属 于地热能资源（Geothermal Energy Sourse ） 利用的一个大类，地源热泵按照室外换热方 式不同又可分为四类：1. 埋管式土壤源热泵

系统，2. 地下水热泵系统，3.单井换热热井

4.地表水热泵系统。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。 北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热 以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调，这些国家更为关注地下季节性蓄能应用，地源 热泵又可以归类于地下季节性蓄能（Underground Thermal Energy Storage ，UTES ）应用领域， 其中最重要的、占有绝大部分的一个应用分支是地下埋管式蓄能（DTES or BTES ）与热泵机组

（Heat Pump，HP）相结合的地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumps GCHPs，埋管式土壤源热泵系统），如下图所示的分类：

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第二部分、地源热泵系统的分类与应用方式

一、地源热泵系统的分类

1、埋管式土壤源热泵系统

也称地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumps GCHPs ）或土壤热交换器地源热泵（Ground heat exchanger heat pumps ），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中， 或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为 热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器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。

1）水平埋管地源热泵系统（Horizontal ground-coupled heat pump ） 比较简单的方式是,当室内负荷比较小,土壤换热器长度比较短,可以把与单回路管子随开挖土 方施工直接埋入地下

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当室内负荷比较大,土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器的布置问题,常有的布置方式有 以下两种. （a ）串联式水平埋管

（b ）并联式水平埋管