地源热泵技术.docx

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地源热泵技术

水/地源热泵技术

一、热泵的原理介绍及能量转换分析

　　所谓热泵，就是一种利用人工技术将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。

热泵由低温热源（如周围环境的自然空气、地下水、河水、海水、污水等）吸热能，然后转换为较高温热源释放至所需的空间（或其它区域）内。

这种装置即可用作供热采暖设备，又可用作制冷降温设备，从而达到一机两用的目的。

。

   热泵机组的能量转换，是利用其压缩机的作用，通过消耗一定的辅助能量（如电能），在压缩机和换热系统内循环的制冷剂的共同作用下，由环境热源（如水、空气）中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质（如水、空气）中成为高温热源输出。

在此因压缩机的运转做工而消耗了电能，压缩机的运转使不断循环的制冷剂在不同的系统中产生的不同的变化状态和不同的效果（即蒸发吸热和冷凝放热）从而达到了回收低温热源制取高温热源的作用和目的。

   二、热泵的发展和在我国的应用

   欧洲第一台热泵机组是在1938年间制造的。

它以河水低温热源，向市政厅供热，输出的热水温度可达60oC。

在冬季采用热泵作为采暖需要，在夏季也能用来制冷。

1973年能源危机的推动，使热泵的发展形成了一个高潮。

目前，欧洲的热泵理论与技术均已高度发达，这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发达国家业已广泛使用。

   80年代来，我国热泵在各种场合的应用研究有了许多发展。

针对我国地热资源较丰富的情况，若把一次直接利用后或经过降温的地下热水作为热泵的低位热源使用，就可增大使用地下水的温度差，并提高地热的利用率，这在京津地区早已有过应用实践。

而这种设备同时对于我国能源使用效率不高、分配不均匀的现状也提出了一个有效的解决方法。

   三、热泵的技术性分析：

   1．热泵机组可以达到一机两用的效果，即冬季利用热泵采暖，夏季进行制冷。

既节约了制冷机组的费用，有节省了锅炉房的占地面积，同时达到了环保。

   2．如业主已有地热井，则可利用热泵装置进行梯级转换，能大大便于热资源的充分有效地利用。

   3．用于生活采暖和生活水加热等需要的能源消耗，如果依靠直接电热会造成能源再浪费，是不可取的，采用热泵供热和加温才能更有效的利用电能。

   4．使用热泵技术供热采暖对大气及环境无任何污染，而且高效节能，属于绿色环保技术和装置，符合目前我国能源、环保的基本政策，对用户本身也无形中起到自我宣传的作用。

   四、热泵供热的经济性分析

   热泵的经济性是由多方面来确定的，它与锅炉房供热相比，显然具有以下特点：

   1．运行附加费较小，这是因为：

（1）热泵装置不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等；

（2）检修周期较长，因锅炉设备与高温烟气接触，构件极易受损；而热泵系统只有两个部件运动，磨损少，平时无需任何检修。

   （3）管理人员与劳动强度均可减少，节省工资开支。

   2．运行直接费用（电费）一般比燃煤锅炉大，这是热泵的主要开支。

   3．热泵初投资费用常大于锅炉房设备（指单纯为冬季供热而设）。

相同容量的制热设备比锅炉设备为贵。

此外，初投资与装置规模，机房土建规模投资亦有关。

   热泵的能量利用分析：

   地下水的差温蓄能量大，属于低位热源，通过热泵的转换即可成为生活和生产过程的有用热量。

而热泵拥有大于1（1：

3.2—5.4以上）的能效，对能量的利用远远优于其他方式的采暖方式。

   五、热泵与能源价格的关系

   热泵供热比锅炉供热是先进的，将热泵与煤、燃气、油等多种方式采暖时，以加热为10000kcal热量所需的费用做一个综合比较，我们可以得出：

   1．用热泵机组：

设热泵的COP（指其制热量与所消耗的电能的比值，即机组的性能系数）值为4，则耗电量为2.91kW，若电费平均价格为0.5元/kWh（北京地地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种,热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备.地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方.通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的.地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环.

    地源热泵的由来

    "地源热泵"的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。

    1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统。

但是这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术、理论上都没有太大的发展。

    20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。

直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。

这一时期，欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵，主要用于冬季供暖。

虽然欧洲是世界上发展地源热泵最成熟的地区，但是它也曾因为热泵专家不懂安装技术，安装工人又不懂热泵原理等因素，致使地源热泵的发展走了一段弯路。

    随着科技的进步，关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格，地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。

欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地源热泵供暖和制冷技术。

政府采取了相应的补贴政策和保护政策，使得地源热泵生产和使用范围迅速扩大。

上世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。

地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10％。

美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。

    从地源热泵应用情况来看，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。

    地源热泵原理

    一、制冷原理

    在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。

通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。

在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空气热交换器，以13℃以下的冷风的形式为房供冷。

  二、制热原理

    在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。

由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。

在地下的热量不断转移至室内的过程中，以强制对流、自然对流或辐射的形式向室内供暖。

  三、地源热泵技术的特点

1地源热泵技术及概念

地源热泵技术又称地热泵技术，是一种利用浅层常温土壤中的能量作为能源的先进的高效节能、无污染、低运行成本的既可供暖又可制冷的新型空调技术

　　地热泵技术是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水与建物内部完成热交换的装置。

它完全不需要任何的人工热源，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。

冬季它代替锅炉从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季它代替普通空调向土壤排热给建筑物制冷。

同时，它还能供应生活热水，被称为二十一世纪的“绿色空调技术”。

2地源热泵的技术路线

目前国际上有两种地源热泵技术路线：

土--气型地源热泵技术和水--水型地源热泵技术

　　土--气型地源热泵技术以美国的技术为代表，水--水地源热泵技术以北欧的技术为代表。

二者的差别是：

前者从浅层土壤或地下水中取热或向其排热，通过分散布置于各个房间的地源热泵机组直接转换成热风或冷风为房间供暖或制冷。

后者是从地下水中取热或向其排热，经过热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过布置在各个房间的风机盘管转换成热风或冷风给房间供暖或制冷。

由于美国的土--气型地源热泵技术，可以不用地下水，采用埋设垂直管、水平管或向地表水抛设管路等多种方式，直接从浅层土壤取效或向其排热，不受地下水开采的限制，推广的范围更大、更灵活。

另外由于美国技术减少了地热转换成热水和冷水的过程其热损失减少，能源效率更高，供暖、制冷运行费用更低。

3地热泵技术特点

　　由于地热泵供暖时70％以上的能源来源于土壤中的能量，30％以下的能源来源于电能，所以用它替代冬季采暖锅炉，至少可减排温室气体70％以上。

如能大面积推广，可明显减排温室气体。

另外，土--气型地热泵技术所利用的能源是常温土壤中的能量，并不需要特殊的地热田或地下热水。

它只要有足够进行热交换的浅层土壤（-3．5℃以上的土壤或地下水）就可满足地热泵所要求的技术条件。

中国城市中约有30－50％的建筑物具备此条件，可以使用地热泵。

从气候区上看，从寒冷的黑龙江到炎热的海南岛都可使用。

世界上绝大多数国家也具备应用地热泵技术的条件。

同时它不消耗也不污染地下水。

在利用地下水时，地热泵只向水中排热或吸热，并不用水，所抽取的地下水要全部回灌地下。

4地热泵利用的可再生能源性

地热泵从浅层常温土壤中取热或向其排热，浅层土壤之热能来源于太阳能，它永无枯竭，是一种可再生能源。

所以，当使用地热泵时，其土壤热源可自行补充，持续使用，不存在资源枯竭问题。

5经济性

　　在供暖时，地热泵技术可将土壤中的能“搬运”至室内，其能量70％以上来自土壤，制热系数高达3．5-4．5，而锅炉仅为0．7-0.9，可比锅炉节省70％以上的能源和40%一60％运行费用；制冷时要比普通空调节能40％-50％，运行费用降低40％以上。

高节能、低运行费用，为商业推广创造了条件。

   在美国、加拿大和北欧国家和地区，地热泵技术已得到广泛地应用，推广速度以每年15％的速度递增，形成了从制造商、工程商到培训机构、技术开发机构、专业管理机构等一整套完整的产业体系。

国际地热泵协会（IGSHPA）、美国地热泵协会（GHPC）已建立，他们己完全实现了商业化。

   由于美国的土--气型地源热泵是分散布置在各户或各室的，它和普通家用空调一样，实行单独电费计量，克服了锅炉采暖和中央空调制冷时的分户计量难题。

正由于它是分散安装的，可分期分批投资，解决了中央空调机组必须一次投资到位的要求，从而降低了融资成本。

地源热泵空调，没有室外机和冷却塔，建筑物立面更清洁、更美观。

区），则电费为：

2.91x0.5元=1.75元

   2．用煤：

煤大约能够产生70%的热量，则所需的燃料为2.13kg。

若煤价为0.35元/kg，则费用为：

2.13x0.35元=0.75元

   3.用燃气：

燃气大约能够产生75%的热量，则所需的的燃气量为3.81m3。

若燃气价格为0.8元/m3，则费用为：

3.81x0.8元=3.05元

   4．用燃油：

燃油大约能够产生80%的热量，所需的油量为1.16kg。

若油价为2.4元/kg，则费用为：

1.16x2.4元=2.78元

   由此可见，用煤取暖是最便宜的，而用燃气最贵。

利用热泵的动力费用与电价由直接的关系，与其他加热方式相比还要视其他燃料的价格而定。

但是：

随着能源政策的进一步落实和实施，在实际工程中，虽然热泵供暖运行费用率略高于燃煤的直接成本费用、整体配套工程初投资稍多些，但具有能量利用率高、环保等特点，只要完善系统相关技术的配套，就具有很好的广泛推广应用价值。

水源热泵是一种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式，它具有中央空调合理利用能源，设备能效系数高，运行成本低和安全、可靠等优点。

又具有分散空调调节灵活、方便，便于管理和收费等优点。

因此，从我国南方的深圳、广州到过渡地区的上海、南京直到北方采暖地区的北京、大连等城市的公共建筑（办公楼、商住楼、商场等），住宅建筑上得到了广泛的应用。

    近几年来，水源热泵得以发展的主要推动力是它能够以量大面广的低位热能，如井水、地下水、江、河、湖水、电厂冷却循环水、矿井水及工业余热等为能源，而且具有热回收功能，即可利用供冷空调房间排放的冷凝热来加热供热空调房间，从而提高了建筑物内部的能源利用系数。

    一、水源热泵系统的节能性

    以采暖运行为例，目前采暖方式有集中锅炉房供热方式、热电厂供热方式、分户燃气采暖方式，水源热泵方式有利用井水、江、河、湖泊水及工业余热的形式；也有利用自来水的冬季要辅助加热的方式。

它们的耗能量见表1。

    耗能量的比较表1

采暖方式

现有住宅建筑

节能建筑

耗能量

折算至标准煤

耗能量

折算至标准煤

集中锅炉房

25.08Kg/m2.年

25.08Kg/m2.年

12.41Kg/m2.年

12.41Kg/m2.年

热电厂

13.96Kg/m2.年

13.96Kg/m2.年

9.03Kg/m2.年

9.03Kg/m2.年

分户燃气采暖

10.6Nm3/m2.年

13.02Km3/m2.年

6.86Nm3/m2.年

8.43Kg/m2.年

水源热泵（井水、河、湖水）

22.46kwh/m2.年

9.16Kg/m2.年

14.54kwh/m2.年

5.93Kg/m2.年

水源热泵（加辅助热源）

22.46kwh/m2.年4.34Kg/m2.年

13.5Kg/m2.年

14.54kwh/m2.年2.81Kg/m2.年

8.74Kg/m2.年

    表1的计算依据：

    ①住宅建筑为北京市多层住宅，现有建筑耗热量指标qH为31.82W/m2，设计热负荷指标为q为43.82W/m2，节能建筑qH为20.6W/m2，q为28.37W/m2。

采暖全年需热量：

现有建筑为95.46kwh/m2年，节能建筑为61.80kwh/m2年。

    ②集中锅炉房：

现有供热系统热网输配效率η1为0.85，锅炉效率η2为0.55，节能供热系统η1为0.9，η2为0.68，

    ③热电厂供电标准煤耗为0.408Kg/kwh，供热标准煤耗为40.7Kg/GJ。

    ④水源热泵采暖COP=4.25。

    从表1可知，水源热泵采暖方式全年耗能量均低于集中锅炉房和热电厂，节能效益比较明显。

    利用井水、江、河水或工业余热为热源的水源热泵的节能性十分明显，当水源热泵的能效系数4.0时，与热电联产供热方式比，采暖的节能性率约为40%。

当采用辅助加热热源时，水源热泵的节能性是有条件的，主要的影响因素是：

水源热泵的能效系数；辅助热源的加热容量。

    ①水源热泵能效系数的影响（见表2）

/

COP=4

COP=4.5

节能率

（%）

辅助加热量

耗能（kg标煤）

3×860/7000×0.9=0.409

3×860/7000×0.9=0.409

/

压缩机耗能

（kg标煤）

1×0.408=0.408

0.88×0.408=0.363

/

合计

0.817

0.771

5.6

    制热容量为4KW时的能耗*表2

    *辅助加热容量为总供热量的75%。

    从表2可知，COP从4提高到4.5后，节能率约为5.6%，相当于减少加热容量0.3296KW，即约相当于减少热负荷10%。

    ②辅助加热器加热容量的影响（见表3）

/

辅助加热容量/总供热量0.75

辅助加热容量/总供热量0.5

节能率（%）

辅助加热量耗能（kg标煤）

0.409

2×860/7000×0.9=0.273

/

压缩机耗能（kg标煤）

0.408

1×0.408=0.408

/

合计

0.817

0.681

16.6

    制热容量为4KW时的能耗*表3

    *COP=4

    从表3可知，当辅助加热容量为总供热量的比从0.75降到0.5时，节能率约为16.6%。

    ③节能的条件

    制热容量为4KW的热电联产的能耗为：

    （4×860）/（7000×0.83×0.85）=0.697kg/4kwh

    由此可知：

    当COP=4.0，辅助加热容量为总供热量的0.5时，与热电联产供热方式比，它的节能率约为2%。

    当COP=4.5，辅助加热容量为总供热量的0.5时，与热电联产供热方式比，水源热泵的节能率约为8%。

    但当COP=4.0，辅助加热容量为0.75总供热量时，热电联产将比水源热泵节能，节能效率约为15%。

当COP=4.5时，其节能率约为10%。

    节能的主要因素如下：

    ①水源热泵机组直接安放在户内，热网输配损失可忽略不计。

    ②水源热泵机组采暖能效系数COP大于4，部分负荷时，COP值仍很稳定。

    ③以井水，江、河、湖水及工业余热的低温热作为热泵热源的水源热泵系统，采暖耗热量仅为全年需热量的1/4。

    ④以自来水为热源的冬季需加辅助热源的水源热泵系统，由于考虑压缩机发热量，住宅同时使用系数及夜间调节温度等措施后辅助加热容量约为热负荷的1/2～1/3，加热量约为全年需热量的1/2～1/3。

  二、水源热泵系统的经济性

    经济性指的是各种空调采暖方式的初投资、运行费和热价。

    目前国内外已采用的采暖空调联供方案有：

    ①热电冷三联供：

夏季，热电厂抽汽+蒸汽吸收式制冷

    冬季，热电厂抽汽+汽水换热器供热

    ②热电冷三联供：

夏季，热电厂热水+热水吸收式制冷

    冬季，热电厂热水+汽水换热器供热

    ③直燃式冷热水机组：

夏季、冬季，直燃式冷热水机组制冷、供热

    ④燃气-蒸汽联合循不

    ⑤电制冷+燃气（油）锅炉采暖

    ⑥电动水源热泵。

这类机组运行性能稳定，性能系数COP值较高，理论计算可达7，实际运行时约为5，且由于可充分利用江河、湖、海水等自然能源，冬季供暖耗能少，是一种节能性好的冷热源设备。

    ⑦空气源热泵。

冷热源兼用，整体性好，安装方便，可露天安装，采用风冷，省却了冷却塔及冷却水系统，缺点是当室外温度较低时，需增加辅助热源。

各种方案的投资和成本（不包括户内系统）见表4。

    各方案的投资和成本比较*表4

项目

热电冷

（蒸汽）

热电冷（热水）

直燃式

电制冷锅炉供热

集中式电动水源热泵

分体式空气源热泵

燃气-蒸汽联合循环

投资（万元/KW）

0.197

/0.223

（含源网）

0.275

/0.302

（含源网）

0.207

0.206

0.335

0.199

0.436

成本（元/KWH）

0.139

0.151

0.214

0.207

0.167

0.220

0.081

    *为《住宅区三联供系统的研究》中提供的数据，成本为年运行成本。

    下面以兴降矿十八层单身职工宿舍为例，说明水源热泵采暖空调联供方案的经济性。

    十八层单身宿舍建筑形状为Y形，总采暖空调建筑面积为9564m2，2～18层为标准层，标准层面积为562.6m2，设计冷热负荷为573.84KW。

表5为采暖空调联供方案，表6为各方案初投资的比，表7为各方案运行费的比较，表8为各方案的综合比较。

    采暖空调方案表5

序号

方案

采暖空调方式

备注

方案1

以地下水为冷热源水源热泵（水-空气）

冬天：

热泵产生热风送至户内夏天：

热泵产生冷风送至户内

每户设热泵一台将风送至各房间

方案2

以地下水为冷热源水源热泵（水-水）

冬天：

热泵产生热水送至风机盘管夏天：

热泵产生冷水送至风机盘管

热（冷）源集中、每户设风机盘管

方案3

电制冷+热电厂采暖

冬天：

热电厂蒸气+汽水换热器夏天：

中央空调机送冷水至风机盘管

热（冷）源集中、每户设风机盘管

对比方案

分体空调+锅炉房采暖

冬天：

锅炉房（热电厂）供热，户内散热器夏天：

每户安装分体空调机

热源集中、冷源分散空调品质较差

    各方案初投资的比较表6

方案1（进口）

方案2

方案3

对比方案

进口

国产

初投资*（万元）

237.4

305.8

238.2

236.6

267.15

单位建筑面积投资（元/m2）

248

319.7

249.1

247.4

279

    *计算时包括安装费15%，运行调试费5%，税及管理5%，设计费2%和利润10%。

各方案运行费的比较（元/m2）

表7

方案1

方案2

方案3

对比方案

采暖

空调

采暖

空调

采暖

空调

采暖

空调

不考虑同时使用系数，热回收系数

19.25

19.25

9.5

6.2

9.5

7.2

合计

19.25

19.25

15.7

16.7

考虑修正系数

10.78

10.78

9.5

4.34

9.5

7.2

合计

10.78

10.78

13.84

16.7

    〖BG）F〗兴隆矿地处兖州市，根据兖州市气象资料，该地区冬季采暖期天数106天，延时小时数2544小时，最大负荷小时数2544*（20-0.4）/［20-（17）］=1847小时。

夏季空调期天数90天，延时小时数2160小时，根据济南、淄博三联供实际测试资料，取夏季最大负荷小时数为720小时。

则单位建筑面积，采暖期需供热量60W/m2*1847=110.5kwh,空调期需冷量60W/m2*720=43.2kwh。

    各方案综合比较表8

方案

单位供热（冷）量能耗（kg标煤/kwh）

单位供热（冷）量系统投资（万元/KW）

单位供热（冷）量设备全年运行费（元/kwh）

方案1

0.057

0.414（进口）

0.07

方案2

0.057

0.533（进口）/0.415（国产）

0.07

方案3

0.133

0.412

0.12

对比方案

0.148

0.465

0.11

    从表6、表7、表8的对比可知，兴隆矿实施采暖空调，以方案1为佳。

    前面提到的方案1水源热泵（水-空气），方案2水源热泵（水-水）在技术与经济上都是可采用的方案。

但方案2中大型水源热泵是一种集中冷（热）源的方式，目前，国内尚无大型水源热泵厂家，进口设备较贵，而国产水源热泵系列不全，单台容量较小，只有将多台设备集中放置在机房时，才能形成集中冷（热）源形式，投资较大，安装运行维护不便。

    无论是从单位供热（冷）量所需能耗，还是从投资和运行费上看方案1都具有明显的优越性。

其中进口热泵机组的价格与方案2中国产设备的投资相近，但比方案2进口设备价格低得多，且不要另建机房。

因此，十八层楼单身宿舍拟采用方案1为实施方案。

   水源热泵采暖空调联供方案投资偏低的主要原因：

    ①不设专用机房。

中央空调的机房面积（包括空调装置、电气及其它）约为空调建筑面积的5～8%，其中空调装置约占4～5%，以10层建筑物为例，其中机房约占一层。

水源热泵将空调装置分散设在每户，不仅减少了机房的建设费用，在寸土寸金的地区，增加的办公面积，营业面积的作用就更大了。

    ②封闭水管不要保温，对竖井没有特殊要求。

中央空调系统的竖井占有较多建筑物的有效面积，全空气系统的竖井面积更大。

竖井布置的是否恰当，不