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地源热泵户式空调系统的应用与设计探讨(上)
地源热泵户式空调系统的应用与设计探讨(上)
来源:中制冷设备网    2009-6-3
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    【摘要】文章对地源热泵的优点、应用情况进行了简单的介绍,对地源热泵户式空调系统设计的几个关键问题:系统选择、热泵和土壤热交换器进行了讨论,对系统的设计方法和运行控制技术进行了分析。  


    1前言 
    地源热热泵(Ground-sourceheatpump)是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温热源向高温热源的转移。地源热泵的闭合回路部分由埋于地下的长塑料管组成,该管道埋在地下与土壤耦合,管内的流体与土壤之间进行换热。热泵在闭合回路和室内负荷之间传递热量。该系统由闭式埋管系统、水源热泵和室内分配系统组成。其中分配系统用来对加热和冷却的空气和水在房间内进行分配。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,远高于冬季的室外温度,又低于夏季的室外温度,因此地源热泵可以克服空气源热泵的技术障碍,且能效比大大提高。 
    地源热泵由于其技术上的优势,推广这种技术有明显的节能和环保效益,主要具有以下优点:(1)节能、运行费用低。深层土地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,是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高约40%。(2)一机多用,节约设备用房。地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置。(3)保护环境。开发推广地源热泵空调技术可彻底废除中小型燃煤锅炉房,该装置没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,没有任何污染,不会影响城镇的环境质量。(4)利用再生能源,可持续发展。地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源,进行能量交换的采暖空调系统。地表浅层地热资源量大面广,无处不在,它是一种清洁的可再生能源。因此,利用地热的地源热泵,是一种可持续发展的“绿色装置”。  


    2地源热泵应用概况 
    2.1国外发展情况 
    地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能,因此被称之为一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。这项起始于1912年的技术(瑞士提出的一个专利,应用始于英、美两国),美国从1946年开始对GSHP系统进行了十二个主要项目的研究,并在俄勒冈州的波特兰市中心区安装了美国第一台地源热泵系统。近十年来地源热泵在欧美工业发达国家取得了迅速的发展,已成为一项成熟的应用技术。到2000年底,美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用,每年约提供8000-11000Gwh的终端能量。地源热源在工程上的应用主要为地下耦合热泵系统(GCHPS)和地下水热泵系统(GWHPS)、地表水热泵系统(SWHPS)。 
    2.2国内发展应用情况 
    2.2.1能源消费现状 
    到2040年,我国一次能源的总消费量将达38.6亿吨标准煤,是现在能源消费量的3倍。我国已探明的能源总体储量、煤炭储量约占世界储量的11%,原油占2.4%,天然气仅占1.2%,我国人口约占世界人口的20%,人均能源占有量不到世界平均水平的一半。
我国是煤炭大国,但世界七大煤炭大国中其余六国的的储量比都在200年以上,只有我国的储量不足百年。石油的储量比为四十年,并且中国石油、天然气的平均年度值也仅为世界平均水平的57%和45%。面对如此严峻的能源形势,国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并重,因此,地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。 
    2.2.2地源热泵应用情况 
    地源热泵空调系统的设计,主要包括两大部分:一是建筑物内的水环路空调系统的设计;二是地源热泵空调系统的地下部分的设计,即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地表水热泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系统的设计。地下耦合热泵系统最早应用在89年10月投入运行的上海闵行开发区办公楼(4305m2,冷负荷4532KW,热负荷231KW),其技术和设备均由美国提供,使用情况良好。135个深35m的垂直竖管井,埋管为聚丁烯管。国内的大专院校均进行了相关的垂直或水平埋地管的试验研究和小型的工程应用,并建立了地埋管的传热模型。各地的地质条件不同,土壤的温度和热物性参数都不一样,因此,地下耦合热泵的应用还有待进一步的实验验证和实验数据的积累。目前在我国来说,技术上比较成熟、利用可行性较大、实施的工程项目较多的还是地下水热泵系统。目前国内生产水源热泵机组的厂家也已达到二、三十家。因为国内还没有颁布水源热泵机组的生产技术标准,国内厂家生产的产品质量差别较大,从有些厂家的产品样本来看,技术参数不完整、不准确。  


    3地源热泵空调系统设计 
    3.1地源热泵系统循环简介及选择 
    地源热泵系统按其循环形式可分为:闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。 
    3.1.1闭式循环系统 
    封闭循环系统是指冷(热)源侧的循环水在机组室外换热器与地源换热器间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋入地下150-200英尺深,或水平埋入地下4-6英尺处,也可以置池塘的底部。在冬天,管中的流体从地下抽取热量,带入建筑物中,而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存;所用管道为高密度聚乙烯管或其他防腐管道作为输送和地源热交换器材料。大部分地源热泵冷(热)源侧换热系统是采用封闭循环。 
    3.1.2开式循环系统 
    开式循环系统是其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源,在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后,水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点。 
    3.1.3混合循环系统 
    对于混合循环系统,地下换热器一般按热负荷来计算,夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。 
    3.1.4循环系统选择 
    闭式循环系统是一中比较稳定可靠的常规循环系统,对地下水、地下环境没有污染,一般设计应优先考虑该循环系统。对于地下设计热交换空间不够充分,或垂直埋管困难等地下特殊情况,可考虑设计混合循环系统。
 

来源:国际地源热泵协会

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