地源熱泵中央空調系統解決方案

  地源熱泵中央空調是一種將熱量排入地表層或從地表層吸收熱量的中央空調，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的系統。它的原理是在高位能的拖動(dòng)下，將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術(shù)。它可以把不能直接利用的低品位熱能(如空氣、土壤、水、太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等)轉化為可利用的高位能，從而達到節約部分高位能(煤、石油、天然氣、電能等)的目的。

 

  能源與環(huán)保是人類(lèi)生存和發(fā)展的兩大主題，是全球關(guān)注的問(wèn)題。節約能源、保護環(huán)境是基本國策，是實(shí)現可持續發(fā)展戰略的重要組成部分，建設節約型社會(huì )已經(jīng)是全社會(huì )的共識。隨著(zhù)我國建筑行業(yè)的持續發(fā)展，減少建筑物采暖造成的大氣污染，降低中央空調系統的能耗，大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源，是21世紀我們追求的目標。

 

  眾所周知：中央空調系統的熱泵效率與建筑物室內和室外環(huán)境的溫差有關(guān)，溫差越小，熱泵的效率越高。有研究表明，從熱泵機組冬季運行中除霜的角度來(lái)看，空氣源熱泵的使用不但與室外溫度有關(guān)，而且與室外大氣的相對濕度有密切關(guān)系，這大大限制了它的使用范圍。采用地源熱泵系統，由于土壤的溫度比室外空氣溫度更接近室內的溫度，因此地源熱泵空調系統可以比空氣源熱泵空調系統具有更高的效率和更好的可靠性。此外，因為相同體積流量水的熱容是空氣的3500倍，水與制冷劑的換熱效果遠好于空氣與制冷劑的對流換熱，因此地源熱泵的換熱盤(pán)管要比空氣源熱泵小得多且地源熱泵系統的構件較少使其運行費用可以降低。

 

  總的來(lái)說(shuō)，地源熱泵中央空調比傳統中央空調相比較有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

 

  1）高效節能，運行費用低。與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70—90%的燃料內能轉化為熱量供用戶(hù)使用，而地源熱泵提供給用戶(hù)的熱量中，70%的能量來(lái)源于土壤，30%的能量來(lái)自電能，因此，它要比電鍋爐加熱節省二分之一以上的電能，比燃料鍋爐節省三分之二以上的能量；由于地源熱泵的熱（冷）源溫度較為穩定，一般為10—25℃（如北京地區約為15℃、上海地區約為18℃），故無(wú)論是制熱還是制冷，與傳統風(fēng)冷空調（家用分體式和中央式）相比，其能源效率要高出40-50%左右，而且，系統自動(dòng)化程度高，可進(jìn)行遠程監控，使能源利用和室內環(huán)境舒適度的協(xié)調達到最優(yōu)，從而在以人為本的前提下更有效地節省能源。

 

  2）利用可再生能源，環(huán)保效益好。地源熱泵空調系統所利用的地熱資源是地表淺層中蘊藏的低溫位熱能，地表淺層通常小于400米深，隨著(zhù)季節的變化而收集了47%的太陽(yáng)能，這種地能超過(guò)人類(lèi)日常利用能量的500倍，是一種不受地域限制的取之不盡的可再生能源。地源熱泵系統在供暖和制冷時(shí)，無(wú)燃燒、無(wú)排煙、無(wú)廢棄物，不用遠距離輸送熱量，也無(wú)任何氣體排放到大氣中，環(huán)境效益顯著(zhù)，如能得到廣泛應用，則可大大降低溫室效應，減緩地球變暖進(jìn)程。

 

  3）運行安全穩定，可靠性高?？捎蓽乜仄骰蜻b控器對熱泵機組進(jìn)行控制，使室內溫度按需要調節在設定的溫度范圍；空調系統送風(fēng)均勻，噪音小、舒適性好；熱泵機組體積不大，可根據建筑物本身結構及用戶(hù)要求安裝在室內或室外，省去了鍋爐房、冷卻塔、室外機等室外設備，無(wú)儲煤、儲油罐等安全及衛生隱患。系統運行可靠，維修量極少，保證嚴寒和酷暑條件下正常運行，熱泵機組使用壽命在20年以上，地耦管壽命可達70年。

 

  4）一機多用、應用范圍廣一套系統可供暖、制冷并供生活用熱水，功能優(yōu)于原來(lái)的鍋爐加空調加熱水等幾套裝置；可針對賓館、飯店、寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、醫院、學(xué)校及住宅小區等建筑物的不同面積和用戶(hù)的不同需要進(jìn)行模塊化設計，可廣泛應用于新建工程或擴建、改建工程項目。地源熱泵中央空調系統包括水循環(huán)系統、土壤換熱裝置（打井或埋設地耦管）、室內換熱裝置（風(fēng)機盤(pán)管或原暖氣片利用）及整個(gè)空調系統的控制裝置，可根據用戶(hù)需要，因地制宜，量身定做，選擇優(yōu)化方案進(jìn)行設計施工；地源熱泵中央空調系統由于比一般普通中央空調多地埋管工程施工，所以一次性投資僅略高于普通中央空調，系統投資價(jià)格一般為600-700元/㎡，但地源熱泵空調系統運行費用僅為普通中央空調的一半左右，2年即可收回前期多投資成本。由于地源熱泵中央空調系統的室外換熱系統全部埋的地表以下，因此，機組幾乎沒(méi)有任何維修成本，系統維護成本低。

 

  地源熱泵中央空調系統一般由土壤熱泵空調機組、室內末端設備和地下埋管換熱器系統三部分組成。地源熱泵空調機組是一種水冷式的供冷/供熱機組。機組由封閉式壓縮機、同軸套管式水/制冷劑熱交換器、熱力膨脹閥（或毛細膨脹管）、四通換向閥、空氣側盤(pán)管、風(fēng)機、空氣過(guò)濾器、安全控制等所組成。機組本身帶有一套可逆的制冷/制熱裝置，是一種可直接用于供冷/供熱的熱泵空調機組。在冬季，地源熱泵系統通過(guò)埋在地下的封閉管道（稱(chēng)為環(huán)路）從大地收集自然界的熱量，而后由環(huán)路中的循環(huán)水把熱量帶到室內。再由裝在室內的地源熱泵系統驅動(dòng)的壓縮機和熱交換器把大地的能量集中，并以較高的溫度釋放到室內。在夏季，此運行程序則相反，地源熱泵系統將從室內抽出的多余熱量排入環(huán)路而為大地所吸收，使房屋得到供冷。尤如電冰箱那樣，從冰箱內部抽出熱量并將它排出箱外使箱內保持低溫。地源熱泵機組采用標準構件,需要時(shí)各部件的修配和更換很方便。因為設計簡(jiǎn)單，并不需要高技術(shù)的操作工程人員的服務(wù)。唯一需要經(jīng)常保養的是空氣過(guò)濾網(wǎng)和凝結水盤(pán)的清潔。系統設計簡(jiǎn)單，靈活、安裝快速。機組己在工廠(chǎng)組裝好并自帶溫度控制裝置，現場(chǎng)工作只是少量低壓風(fēng)管、電氣連接裝置和不需要保溫的水管的連接。管道可采用鋼管、銅管或塑料管。維修方便快捷，機組結構堅固，壽命長(cháng)久。熱泵機組的功率系數(COP)可達到4以上，即1千瓦電輸入，有4千瓦多冷量輸出的高效率。  地下換熱器的設計  豎直埋管的構造豎直式地熱換熱器的構造有多種，主要有豎直U型埋管與豎直套管。豎直U型管埋管的換熱器采用在鉆孔中插入U型管的辦法，一個(gè)鉆孔可以設置一組或二組U型管。然后用封井材料把鉆孔填實(shí)，以盡量減小鉆孔中的熱阻，并防止地面污水流入地下含水層，鉆孔深度一般為60～100米。鉆孔之間的配置應考慮可利用的土地面積，兩個(gè)鉆孔之間的距離可在4～6米之間，管間距過(guò)小會(huì )影響換熱器效能?？紤]到我國人多地少的實(shí)際情況，大多數時(shí)候，豎直埋管方式是唯一選擇。

 

  采用豎直埋管的換熱器前，每個(gè)鉆孔中可設置一組或兩組U形管。盡管單U 形埋管的鉆孔內熱阻比雙U形埋管大30%以上，但實(shí)測與計算結果均表明：雙U形埋管比單U形埋管僅可提高15%～20%的換熱能力，這是因為鉆孔內熱阻僅是埋管傳熱總熱阻的一部分。鉆孔外的巖土層熱阻，對雙U形埋管和單U形埋管來(lái)說(shuō)，幾乎是一致的。雙U形埋管管材用量大，安裝較復雜，運行中水泵的功耗也相應增加。因此一般地質(zhì)條件下，多采用單U埋管。但對于較堅硬的巖石層，選用雙U形埋管比較合適，此時(shí)每米鉆孔費用比每米U形管（包括管件）費用高很多，鉆孔外巖石層的導熱能力較強，埋設雙U形管，有效的減少了鉆孔的內熱阻，使單位長(cháng)度U形管的換熱能力明顯提高，從經(jīng)濟技術(shù)上分析都是合理可行的。另外采用雙U形埋管，也是解決地下埋管空間不足的方法之一。

 

  豎直埋管的連接方式地熱換熱器各鉆孔之間既可采用串聯(lián)方式，也可采用并聯(lián)方式，在串聯(lián)系統中只有一個(gè)流體通道，而在并聯(lián)系統中流體在管路中可有兩個(gè)或更多的流道。

 

  并聯(lián)管路豎直式熱交換器與串聯(lián)管路豎直式的相比，U形管管徑可以更小，從而可以降低管路費用、防凍液費用；由于較小的管徑更容易制作安裝，因此，可以減少人工費用。U形管管徑的減小使鉆孔孔徑也相應減小，從而降低鉆孔費用。  并聯(lián)管路熱交換器中，同一環(huán)路集管連接的所有鉆孔的換熱量基本相同；而串聯(lián)管路熱交換器中，每個(gè)鉆孔的換熱量是不同的，因為串聯(lián)的各個(gè)鉆孔傳熱溫差是不一樣的。采用串聯(lián)還是并聯(lián)取決于系統大小，埋管深淺及安裝成本高低等因素。串聯(lián)系統較并聯(lián)系統采用的管道管徑大，而大直徑管道成本也高。

 

  串聯(lián)系統主要的優(yōu)點(diǎn)是具有單一流體通道和同一型號的管道，由于串聯(lián)系統管路管徑大，因此對于單位長(cháng)度埋管來(lái)說(shuō)串聯(lián)系統的熱交換能力比并聯(lián)系統高。串聯(lián)系統有許多缺點(diǎn)，首先該系統采用大管徑管道，管內體積大，需要較多防凍液，管道成本及其安裝費用高于并聯(lián)系統；管道不能太長(cháng)，否則阻力損失太大以及可靠性降低。

 

  豎直埋管的換熱計算1.工程設計用的半經(jīng)驗公式方法由于地埋管換熱器中的傳熱過(guò)程是三維非穩定的傳熱，影響因素非常復雜，很難用簡(jiǎn)單的公式加以描述和概括，因此在實(shí)際工程中還廣泛采用以半經(jīng)驗公式為主的設計計算方法，主要用來(lái)根據最大冷、熱負荷估算地埋管換熱器所需埋管長(cháng)度。此外，即使是這種最簡(jiǎn)單的以半經(jīng)驗公式為主的設計計算方法，因為其中反復用到指數積分函數，對于工程實(shí)際遇到的多孔的地埋管換熱器，實(shí)際的計算工作量也太大，以至于也必須借助于適當的計算機軟件進(jìn)行。

 

  2.地熱換熱器及其概算概算指標：是指單位負荷（或空調面積）所需的地埋管量，或者單位地埋管量的熱交換能力。地熱換熱器方案設計概算指標  地下深層未受干擾時(shí)的溫度與地理位置和距地面的深度有關(guān)。一般地下15米左右的溫度大致等于當地常年平均氣溫，深度每增加30m，地溫約提高1℃。對豎直單U形埋管，單位孔深的換熱量可按30～60w/m估算。雙U形埋管在此基礎上增大15%左右。地埋管總量一定時(shí)，埋管所需地表面積主要取決于埋管深度和埋管間距。鉆孔深度一般取60～100m。兩個(gè)鉆孔之間的距離一般在4～6m之間。管間距離過(guò)小會(huì )影響換熱器的效能。據此，U形埋管所需地表面積約為建筑空調面積的1/3～1/5。