地源热泵技术概述
GSHP地源热泵大致分为三类,即地源热泵、地水源热泵和地水源热泵
地表水源热泵。地源热泵是一种人工冷热源,可替代锅炉或城市供热管网等系统。冬天,它从土壤、地下水或地表水获取热量来给建筑物供暖。在夏天,它将普通空调系统携带的热量释放到土壤、地下水或地表水,从而实现建筑物的制冷。同时,它还可以供应生活用水,可以说一举实现了三个目标。这是一种有效的利用能源的方法。
地源热泵的工作原理
在制冷条件下,压缩机4对制冷剂做功,使其进行逆卡诺循环的汽液转换。制冷剂在蒸发器7中蒸发,以将建筑物中由空调系统携带的热量吸收到制冷剂中。当制冷剂循环时,它在冷凝器3中被制冷剂冷凝。制冷剂携带的热量被水路循环吸收,并最终通过地下盘管1由水路循环转移到地下水或土壤中。在室内热量持续传递到地面的过程中,房间由空调系统的终端装置8以低于13的冷空气的形式冷却.
当空调系统回路、热泵机组和地源水系统回路分离时,形成的系统为地源热泵空调系统。当空调系统回路和热泵机组合二为一,并且地源水系统回路延伸到建筑物内时,形成的系统就是地源水回路热泵空调系统。
地源热泵系统的形式
1狭义地源热泵热源系统——土壤热交换器
土壤换热器的热源系统是一种利用地下岩土中热量的封闭循环的地源热泵系统,俗称“封闭地源热泵”。它通过封闭地下埋管中循环液体(水或以水为主要成分的防冻液)的流动,实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统的结构特征是由地下埋管组成的地热换热器。地热换热器主要有两种类型:水平埋管和垂直埋管。水平埋管形式为地下1-2m深的管沟,每个管沟埋2、4或6根塑料管。垂直埋管的形式是在地层中钻一个直径为0.1 ~ 0.15米的孔,并在孔中设置一组(2)或两组(4)U形管,并用填井材料填充。钻井深度通常为40 ~ 200米,现场可用表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。垂直埋管地热换热器比水平埋管地热换热器节省大量土地面积,更适合中国少地多人的情况。管沟或竖井中的热交换器并联,然后通过集管进入建筑物,与建筑物中的水回路连接。当液体温度较低时,应在系统中加入防冻剂,并应特别注意在北方地区的应用。
2地下水地表水换热器
2.1地下水热源系统
从水井或废弃矿井中提取的地下水可以排入地表水系统
在实际工程中,更多地使用闭环热泵循环水系统,即使用板式换热器将地下水与通过热泵的循环水分离,以防止地下水中的沉积物和腐蚀性杂质影响热泵。通常,该系统包括一个带潜水泵的取水井和一个补给井。板式换热器采用小温差换热方式,根据温度和地下水埋深的不同,可以很大程度上抵消开放系统的性能优势。由于地下水温一年四季基本恒定,夏季低于室外气温,冬季高于室外气温,且热容量较大,地下水热泵系统的效率高于空气源热泵,COP值一般为3-4.5,且不存在结霜等问题。近年来,地下水源热泵系统在我国发展迅速。
深井水和地下热水都是热泵良好的低位热源。地下水位于更深的地方。由于地层的隔热作用,其温度随气温波动很小,特别是深井水的水温基本上全年不变,这对热泵的运行非常有利。
2.2地表水热源系统
潜在水面下由多根平行塑料管组成的热交换器取代了土壤热交换器,土壤热交换器与土壤热交换地源热泵一样,与建筑物相连,需要在北部地区进行防冻处理。
地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河流中的地表水。值得考虑将这些天然水体作为河流、湖泊、海洋等天然水体附近热泵的低温热源。热泵和地表水之间的热交换可以是开式循环或闭式循环。开式循环利用水泵将地表水泵入热交换器,与热泵循环液体进行热交换,然后排入水体。然而,当水质不好时,热交换器中会产生污垢,这将影响传热甚至系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环,即多组塑料盘管沉入水体,热泵循环液通过盘管与水体换热,避免了水质不良造成的结垢和腐蚀问题。
在实际工程中,有大量的应用特性可以帮助我们决定上述哪个系统是最合适的选择。
这包括可用地下水含量、可用地表水面积、场地土地面积、潜在热回收能力、建筑高度和规模、计算机房面积和当地规划要求。
地源热泵系统的优势
地源热泵与传统空调技术相比具有明显的优势。
1高效节能,实现能源循环利用
夏季高温差的散热和冬季低温差的散热使得地源热泵系统的换热效率非常高。因此,当产生相同的热量或冷量时,只需要一台小功率的压缩机就能实现节能的目的,耗电量仅为普通中央空调和锅炉系统的40%-60%。地球表面的浅层是一个巨大的太阳能收集器,它收集了太阳向地球释放的47%的能量,是人类每年使用能量的500多倍。它不受地域和资源的限制,真正做到了数量大、范围广、无处不在。这种能量储存在地球表面的浅层,类似于无限的可再生能源,使地球能源成为一种清洁的可再生能源。研究结果表明,仅在供暖季节,采用地源热泵技术可节约30% ~ 50%的能源。
2绿色、环保、无污染的
与空气源热泵相比,地源热泵的污染物排放量减少了40%以上,与电加热相比减少了70%以上。如果与其他节能措施相结合,节能减排将更加明显。冬季供暖时,地源热泵系统不需要锅炉,不燃烧。
燃烧产物的排放可以大大减少二氧化碳的排放
舒适100调查结果表明,地源热泵系统的初始投资成本比常规燃煤锅炉供热系统高1-3倍,比热电联产集中供热系统高34-150%。然而,这种比较没有计算传统供暖和运输基础设施的投资,也没有量化地源热泵系统带来的成本节约,该系统不仅提供供暖,还提供制冷,并提供新鲜空气和热水。据专家初步测算,采用地源热泵技术,投资增量回收期约为4 ~ 10年。
舒适100调查结果显示,63%的地源热泵项目低于燃煤集中供热的供热价格,所有调查项目均低于燃油、燃气和电锅炉的供热价格。
地源热泵系统应用中需要解决的问题
(1)地源热泵系统对土壤换热器的材料要求较高,埋置换热器需要较大的场地,系统投资比其他方法高。因此,该系统一般适用于面积相对较小的住宅单体建筑,在大型工程中应用相对困难。
(2)对土壤环境的影响。地埋管热泵系统的运行将不可避免地导致其影响范围内土壤环境温度和土壤微生物环境的剧烈变化。土壤换热器的埋置深度将影响建设投资,也决定着该系统对植物根系、土壤微生物和建筑基础的影响程度。还应研究地下水源热泵系统和地表水水源热泵系统对水系统环境的影响。
(3)地源热泵系统应有丰富稳定的地下水资源。在使用地下水热泵系统之前,应进行详细的水文地质调查,并应首先钻取调查井,以获得地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。如果地下水位低,不仅完井成本会增加,而且泵运行的能耗也会大大增加。此外,虽然理论上抽取的地下水将被补给到地下水层,但目前我国地下水补给技术还不成熟。在某些水文地质条件下,回灌速度远远低于抽水速度。从地下抽取的水经过热交换器后,很难完全补充到含水层,导致地下水资源的损失。
(4)地表水水源热泵系统受丰枯等自然条件影响较大。由于地表水温度受气候影响很大,与空气源热泵相似,环境温度越低,热泵的供热量越小,热泵的性能系数也会降低。某一地表水体所能承受的冷热负荷与面积、深度、温度等多种因素有关,需要根据具体情况进行计算。
地源热泵技术在建筑供暖和空调中的应用,可以有效提高一次能源的利用率,减少温室气体二氧化碳和其他燃烧产生的污染物的排放。它是一种高效、节能、无污染的可再生能源系统,是建筑节能可持续发展的新技术。地源热泵技术的推广要求政府制定经济政策,鼓励使用新的可再生能源。电力供应不足和人民消费水平低曾经是热泵技术在供暖和空调中应用的主要制约因素。改革开放以来,随着中国经济的发展和人民生活水平的提高,上述两个制约因素已经不复存在。空调和供暖已经成为普通人的需求,并正在逐步向农村和南方扩展,具有良好的市场前景。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,并借鉴国外的成功经验,地源热泵在我国的应用将得到迅速推广和发展。
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地源热泵技术概述
GSHP地源热泵大致分为三类,即地源热泵、地水源热泵和地水源热泵
地表水源热泵。地源热泵是一种人工冷热源,可替代锅炉或城市供热管网等系统。冬天,它从土壤、地下水或地表水获取热量来给建筑物供暖。在夏天,它将普通空调系统携带的热量释放到土壤、地下水或地表水,从而实现建筑物的制冷。同时,它还可以供应生活用水,可以说一举实现了三个目标。这是一种有效的利用能源的方法。
地源热泵的工作原理
在制冷条件下,压缩机4对制冷剂做功,使其进行逆卡诺循环的汽液转换。制冷剂在蒸发器7中蒸发,以将建筑物中由空调系统携带的热量吸收到制冷剂中。当制冷剂循环时,它在冷凝器3中被制冷剂冷凝。制冷剂携带的热量被水路循环吸收,并最终通过地下盘管1由水路循环转移到地下水或土壤中。在室内热量持续传递到地面的过程中,房间由空调系统的终端装置8以低于13的冷空气的形式冷却.
当空调系统回路、热泵机组和地源水系统回路分离时,形成的系统为地源热泵空调系统。当空调系统回路和热泵机组合二为一,并且地源水系统回路延伸到建筑物内时,形成的系统就是地源水回路热泵空调系统。
地源热泵系统的形式
1狭义地源热泵热源系统——土壤热交换器
土壤换热器的热源系统是一种利用地下岩土中热量的封闭循环的地源热泵系统,俗称“封闭地源热泵”。它通过封闭地下埋管中循环液体(水或以水为主要成分的防冻液)的流动,实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统的结构特征是由地下埋管组成的地热换热器。地热换热器主要有两种类型:水平埋管和垂直埋管。水平埋管形式为地下1-2m深的管沟,每个管沟埋2、4或6根塑料管。垂直埋管的形式是在地层中钻一个直径为0.1 ~ 0.15米的孔,并在孔中设置一组(2)或两组(4)U形管,并用填井材料填充。钻井深度通常为40 ~ 200米,现场可用表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。垂直埋管地热换热器比水平埋管地热换热器节省大量土地面积,更适合中国少地多人的情况。管沟或竖井中的热交换器并联,然后通过集管进入建筑物,与建筑物中的水回路连接。当液体温度较低时,应在系统中加入防冻剂,并应特别注意在北方地区的应用。
2地下水地表水换热器
2.1地下水热源系统
从水井或废弃矿井中提取的地下水可以排入地表水系统
在实际工程中,更多地使用闭环热泵循环水系统,即使用板式换热器将地下水与通过热泵的循环水分离,以防止地下水中的沉积物和腐蚀性杂质影响热泵。通常,该系统包括一个带潜水泵的取水井和一个补给井。板式换热器采用小温差换热方式,根据温度和地下水埋深的不同,可以很大程度上抵消开放系统的性能优势。由于地下水温一年四季基本恒定,夏季低于室外气温,冬季高于室外气温,且热容量较大,地下水热泵系统的效率高于空气源热泵,COP值一般为3-4.5,且不存在结霜等问题。近年来,地下水源热泵系统在我国发展迅速。
深井水和地下热水都是热泵良好的低位热源。地下水位于更深的地方。由于地层的隔热作用,其温度随气温波动很小,特别是深井水的水温基本上全年不变,这对热泵的运行非常有利。
2.2地表水热源系统
潜在水面下由多根平行塑料管组成的热交换器取代了土壤热交换器,土壤热交换器与土壤热交换地源热泵一样,与建筑物相连,需要在北部地区进行防冻处理。
地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河流中的地表水。值得考虑将这些天然水体作为河流、湖泊、海洋等天然水体附近热泵的低温热源。热泵和地表水之间的热交换可以是开式循环或闭式循环。开式循环利用水泵将地表水泵入热交换器,与热泵循环液体进行热交换,然后排入水体。然而,当水质不好时,热交换器中会产生污垢,这将影响传热甚至系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环,即多组塑料盘管沉入水体,热泵循环液通过盘管与水体换热,避免了水质不良造成的结垢和腐蚀问题。
在实际工程中,有大量的应用特性可以帮助我们决定上述哪个系统是最合适的选择。
这包括可用地下水含量、可用地表水面积、场地土地面积、潜在热回收能力、建筑高度和规模、计算机房面积和当地规划要求。
地源热泵系统的优势
地源热泵与传统空调技术相比具有明显的优势。
1高效节能,实现能源循环利用
夏季高温差的散热和冬季低温差的散热使得地源热泵系统的换热效率非常高。因此,当产生相同的热量或冷量时,只需要一台小功率的压缩机就能实现节能的目的,耗电量仅为普通中央空调和锅炉系统的40%-60%。地球表面的浅层是一个巨大的太阳能收集器,它收集了太阳向地球释放的47%的能量,是人类每年使用能量的500多倍。它不受地域和资源的限制,真正做到了数量大、范围广、无处不在。这种能量储存在地球表面的浅层,类似于无限的可再生能源,使地球能源成为一种清洁的可再生能源。研究结果表明,仅在供暖季节,采用地源热泵技术可节约30% ~ 50%的能源。
2绿色、环保、无污染的
与空气源热泵相比,地源热泵的污染物排放量减少了40%以上,与电加热相比减少了70%以上。如果与其他节能措施相结合,节能减排将更加明显。冬季供暖时,地源热泵系统不需要锅炉,不燃烧。
燃烧产物的排放可以大大减少二氧化碳的排放
舒适100调查结果表明,地源热泵系统的初始投资成本比常规燃煤锅炉供热系统高1-3倍,比热电联产集中供热系统高34-150%。然而,这种比较没有计算传统供暖和运输基础设施的投资,也没有量化地源热泵系统带来的成本节约,该系统不仅提供供暖,还提供制冷,并提供新鲜空气和热水。据专家初步测算,采用地源热泵技术,投资增量回收期约为4 ~ 10年。
舒适100调查结果显示,63%的地源热泵项目低于燃煤集中供热的供热价格,所有调查项目均低于燃油、燃气和电锅炉的供热价格。
地源热泵系统应用中需要解决的问题
(1)地源热泵系统对土壤换热器的材料要求较高,埋置换热器需要较大的场地,系统投资比其他方法高。因此,该系统一般适用于面积相对较小的住宅单体建筑,在大型工程中应用相对困难。
(2)对土壤环境的影响。地埋管热泵系统的运行将不可避免地导致其影响范围内土壤环境温度和土壤微生物环境的剧烈变化。土壤换热器的埋置深度将影响建设投资,也决定着该系统对植物根系、土壤微生物和建筑基础的影响程度。还应研究地下水源热泵系统和地表水水源热泵系统对水系统环境的影响。
(3)地源热泵系统应有丰富稳定的地下水资源。在使用地下水热泵系统之前,应进行详细的水文地质调查,并应首先钻取调查井,以获得地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。如果地下水位低,不仅完井成本会增加,而且泵运行的能耗也会大大增加。此外,虽然理论上抽取的地下水将被补给到地下水层,但目前我国地下水补给技术还不成熟。在某些水文地质条件下,回灌速度远远低于抽水速度。从地下抽取的水经过热交换器后,很难完全补充到含水层,导致地下水资源的损失。
(4)地表水水源热泵系统受丰枯等自然条件影响较大。由于地表水温度受气候影响很大,与空气源热泵相似,环境温度越低,热泵的供热量越小,热泵的性能系数也会降低。某一地表水体所能承受的冷热负荷与面积、深度、温度等多种因素有关,需要根据具体情况进行计算。
地源热泵技术在建筑供暖和空调中的应用,可以有效提高一次能源的利用率,减少温室气体二氧化碳和其他燃烧产生的污染物的排放。它是一种高效、节能、无污染的可再生能源系统,是建筑节能可持续发展的新技术。地源热泵技术的推广要求政府制定经济政策,鼓励使用新的可再生能源。电力供应不足和人民消费水平低曾经是热泵技术在供暖和空调中应用的主要制约因素。改革开放以来,随着中国经济的发展和人民生活水平的提高,上述两个制约因素已经不复存在。空调和供暖已经成为普通人的需求,并正在逐步向农村和南方扩展,具有良好的市场前景。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,并借鉴国外的成功经验,地源热泵在我国的应用将得到迅速推广和发展。
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