地源热泵冷热源交换供热制冷的运行原理讲义.doc

地源热泵冷热源交换供热制冷的运行原理
 简介：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"。具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。
    关键字：地源热泵 冷热源 能量利用 系数    
    1.热泵的定义及原理
    在我国《暖通空调术语标准（GB50155-92）》中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”；在《新国际制冷词典（NewInternationalDictionaryofRefrigeration）》中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上是与制冷机相同的，只是运行工况不同。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（CoefficientofPerformance）。
    2.地（水）源热泵机组的工作原理
    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”。具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。
    3地源热泵同空气源热泵相比，有什么优点
    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。
    4.地源热泵系统的分类及其各自的优缺点
    1)Groundwaterheatpumps,GWHPs地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。

    其最大优点是非常经济，占地面积小，但要注意必须符合下列条件：水质良好；水量丰富；回灌可靠；符合标准。
    2)(a)Horizontalground-coupledheatpump水平埋管地源热泵系统(b)Verticalboreholeground-coupledheatpump垂直埋管地源热泵系统。(a)和(b)两种方式都归属于Ground-coupleheatpumpsGCHPs（地下耦合热泵系统），也称埋管式土壤源热泵系统。还有另外一个术语叫Groundheatexchanger地下热交换器地源热泵系统。这一闭式系统方式，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，使中间介质在埋于土壤内部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。
    对于垂直式埋管系统，其优点有：较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高；对于水平式埋管系统，其优点有：安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握，其缺点有：占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。
    3)Surface-waterheatpumps,SWHPs地表水热泵系统。通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。归属于水源热泵方式。
    其优点有：在10米或更深的湖中，可提供10℃的直接制冷，比地下埋管系统投资要小，水泵能耗较低，高可靠性，低维修要求、低运行费用，在温暖地区，湖水可做热源，其缺点有：在浅水湖中，盘管容易被破坏，由于水温变化较大，会降低机组的效率。
    4）Standingcolumnwellheatpumps,SCW单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为"热井"。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。
    该系统适用于岩石地质地区，该地区岩石钻孔费用高，而与岩石直接换热，大大提高换热效率，节省钻孔、埋管费用。须得注意分析具体地质情况，做好隔热、封闭、过滤、实际换热量测算等具体工作。
    5)锅炉/冷却塔与地下埋管相结合的混合型地源热泵系统：适用于空间小，不能单独采用地下埋管换热系统的建筑或内外分区冬季有大量可利用的排热的建筑物，冷却塔和闭环式系统相结合制冷，节省成本；事实证明该系统是高效率、低费用的。
 它的补充热源有水地源、太阳能、电锅炉、城市热网……，额外排热由冷却塔或水地源来解决。其系统的设计需要详细计算各季节的散热与排热及总的中和后的散热或排热量来选择热源和冷却塔。

    下面是有关水源热泵行业的一个小的调查报告：
    一、目前国内市场上销售的水源热泵的生产企业，其中包括国内及国外生产企业
    国内：山东富尔达、清华同方、山东宏力、烟台荏原、泰豪科技、烟台光大、烟台蓝德、青岛澳柯玛、大连奥德、大连葆光、广州威尔、北京清源、杭州西亚特、苏州TRANE、深圳MACQUAY。。。
    美国水源热泵的制造厂商有著名的公司有AddisonProductsCompany、AdvancedGeothermalTechnology、CarrierCorporation、ClimateMasterInc.、EconarEnergySystemsCorporation、FHPManufacturing、MammothInc.、TheTraneCompany、WaterFurnaceInternational等公司。
    二、2004年全国水源热泵机组的市场总容量，其中包括国内企业销售量及国内进口量
    2004市场总容量：3--5亿，富尔达、同方过亿，其它都在几千万－－几百万

    三、国内外主要生产企业在国内的代表性工程简介（可以看各家的网站）
    四、水源热泵机组产品的市场分布情况，主要销售城市及销售数量
    主要产地：山东、北京及周边、广东
    主要销售地：东北、河南、西北五、水源热泵机组设备部分的机组形式及主要参数值；机组形式：国内产品以水－水系统、大机组为主；国外产品以水－空气系统，小产品为主。
    1、目前以螺杆式压缩机机＋壳管式换热器为主；
    2、部分企业以涡旋式压缩机＋板式换热器或套管式换热器的模块式机组为主；
    3、很少有企业用最早的活塞式压缩机做机组了
    机组大小：以50KW--2000KW为主要产品。
    六、国内外水源热泵的技术发展状况，包括地上的设备部分及地下水源部分
    机组发展目标：自动化、远程监视控制化、满液式蒸发器的应用、系统优化提高COP值；

    地源部分：水井形式的回灌问题、埋管形式的换热器的计算问题，混合式系统（如水环热泵系统）的精准计算匹配问题
    七、国内外水源热泵的相关标准
    美国：
    ARI320-98,WATERSOURCEHEATPUMP;ARI325-98,GroundWater-SourceHeatPumps;
    ARI330-98,Ground-SourceClosed-LoopHeatPumps,1998;
    ARI110-97,Air-ConditioningandRefrigeratingEquipmentNameplateVoltages;
    ASHRAE37-1988,MethodsofTestingUnitaryAir-ConditioningandHeatPumpEquipment;
    国内：
    GB/T19409-2003水源热泵机组；
    GB/T10870—2001容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法
    GB/T18430.1—2001蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水（热泵）机组
    GB/T18430.2—2001蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组户用和类似用途的冷水（热泵）机组
    JB/T7227—1994复合热源热泵型螺杆式冷水机组
    GB/T10870-2001:《容积式和离心式冷水(热泵)机组性能试验方法》
    地源热泵供暖空调技术规程－－－建研院空调所正在编制行业标准；
    八、政府对水源热泵技术推广的相关政策
    目前政府政策模糊，与水资源缺乏政策有些抵触，在水资源较好地区容易推广，比如：东北3省、内蒙、河南、北京、天津、山东西南部...
    九、影响水源热泵发展的相关因素等等
    1、政府的地下水政策；
    2、众厂家对回灌技术的重视程度；
    3、向矿山、江河湖海等地表水的推广；
    地下水源热泵与其他几种常用供热方式能量利用系数比较
    热泵虽然有大于1的制热系数，但是仅以此来判断供热的经济性还是不够的。在将电动热泵供暖和其他供暖方式比较时，还应考虑另一个经济指标——能量利用系数E。能源利用系数E的定义为供热量与消耗的初级能源之比【4】。它除反映了制热系数的高低外，还考虑到热泵利用一次能源（燃料）的效率，它包括发电效率和输电效率。
    表3几种供热方式的最大能量利用系数比较【5】

供暖方式
计算条件
E
电加热
热网效率0.98，电厂供电效率0.35
0.34
集中锅炉
锅炉效率0.8，热网效率0.98
0.78
空气源热泵
电厂供电效率0.35，热网效率0.98，热泵火用效率0.45，热泵制热系数为3.0
1.0
水源热泵
供电效率0.35，热网效率0.98，热泵火用效率0.45，15℃地下水为热源，热泵制热系数为4.0
1.4