地源热泵中央空调系统解决方案

地源热泵中央空调是一种将热量排入地表层或从地表层吸收热量的中央空调，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的 系统。它的原理是在高位能的拖动下，将热量从低位热源流向高位 热源的技术。它可以把不能直接利用的低品位热能 （ 如空气、土壤、 水、太阳能、工业废热等 ） 转化为可利用的高位能，从而达到节约部 分高位能 （ 煤、石油、天然气、电能等 ） 的目的。能源与环保 是人类生存和发展的两大主题，是全球关注的问题。节 约能源、保护环境是基本国策，是实现可持续发展战略的重要组成 部分，建设节约型社会已经是全社会的共识。随着我国建筑行业的 持续发展，减少建筑物采暖造成的大气污染，降低中央空调系统的 能耗，大力推广使用包括可再生能源的清洁能源，是 21 世纪我们追 求的目标。众所周知：中央空调系统的热泵效率与建筑物室内和室外环境的温 差有关，温差越小，热泵的效率越高。有研究表明，从热泵机组冬 季运行中除霜的角度来看，空气源热泵的使用不但与室外温度有关， 而且与室外大气的相对湿度有密切关系，这大大限制了它的使用范 围。采用地源热泵系统，由于土壤的温度比室外空气温度更接近室 内的温度，因此地源热泵空调系统可以比空气源热泵空调系统具有 更高的效率和更好的可靠性。 此外，因为相同体积流量水的热容是 空气的 3500 倍，水与制冷剂的换热效果远好于空气与制冷剂的对流换热，因此地源热泵的换热盘管要比空气源热泵小得多且地源热泵 系统的构件较少使其运行费用可以降低。总的来说，地源热泵中央空调比传统中央空调相比较有以下几点优 势：1 ）高效节能，运行费用低。 与锅炉（电、燃料）供热系统相 比，锅炉供热只能将 90% 以上的电能或 70 90% 的燃料内能转化 为热量供用户使用，而地源热泵提供给用户的热量中， 70% 的能量 来源于土壤， 30% 的能量来自电能，因此，它要比电锅炉加热节省 二分之一以上的电能，比燃料锅炉节省三分之二以上的能量；由于 地源热泵的热（冷）源温度较为稳定，一般为 10 25 C （如北京地 区约为15 G上海地区约为18 C）,故无论是制热还是制冷，与传 统风冷空调（家用分体式和中央式）相比，其能源效率要高出 4050% 左右，而且，系统自动化程度高，可进行远程监控，使能源利 用和室内环境舒适度的协调达到最优，从而在以人为本的前提下更 有效地节省能源。2）利用可再生能源，环保效益好。 地源热泵空调系统所利用的地热 资源是地表浅层中蕴藏的低温位热能，地表浅层通常小于 400 米深， 随着季节的变化而收集了 47% 的太阳能，这种地能超过人类日常利 用能量的 500 倍，是一种不受地域限制的取之不尽的可再生能源。 地源热泵系统在供暖和制冷时，无燃烧、无排烟、无废弃物，不用 远距离输送热量，也无任何气体排放到大气中，环境效益显著，如 能得到广泛应用，则可大大降低温室效应，减缓地球变暖进程。3 ）运行安全稳定，可靠性高。 可由温控器或遥控器对热泵机组进行 控制，使室内温度按需要调节在设定的温度范围；空调系统送风均 匀，噪音小、舒适性好；热泵机组体积不大，可根据建筑物本身结 构及用户要求安装在室内或室外，省去了锅炉房、冷却塔、室外机 等室外设备，无储煤、储油罐等安全及卫生隐患。 系统运行可靠， 维修量极少，保证严寒和酷暑条件下正常运行，热泵机组使用寿命 在 20 年以上，地耦管寿命可达 70 年。4 ） 一机多用、应用范围广 一套系统可供暖、制冷并供生活用热水， 功能优于原来的锅炉加空调加热水等几套装置；可针对宾馆、饭店、 写字楼、商场、医院、学校及住宅小区等建筑物的不同面积和用户 的不同需要进行模块化设计，可广泛应用于新建工程或扩建、改建 工程项目。 地源热泵中央空调系统包括水循环系统、土壤换热装置 （打井或埋设地耦管） 、室内换热装置（风机盘管或原暖气片利用） 及整个空调系统的控制装置，可根据用户需要，因地制宜，量身定 做，选择优化方案进行设计施工；地源热泵中央空调系统由于比一 般普通中央空调多地埋管工程施工，所以一次性投资仅略高于普通 中央空调，系统投资价格一般为 600-700元/ ，但地源热泵空调 系统运行费用仅为普通中央空调的一半左右， 2 年即可收回前期多投 资成本。由于地源热泵中央空调系统的室外换热系统全部埋的地表 以下，因此，机组几乎没有任何维修成本，系统维护成本低。 地源 热泵中央空调系统一般由土壤热泵空调机组、室内末端设备和地下 埋管换热器系统三部分组成。 地源热泵空调机组是一种水冷式的供 冷/ 供热机组。机组由封闭式压缩机、同轴套管式水 /制冷剂热交换 器、热力膨胀阀（或毛细膨胀管） 、四通换向阀、空气侧盘管、风 机、空气过滤器、安全控制等所组成。机组本身带有一套可逆的制 冷/ 制热装置，是一种可直接用于供冷 /供热的热泵空调机组。 在冬 季，地源热泵系统通过埋在地下的封闭管道（称为环路）从大地收 集自然界的热量，而后由环路中的循环水把热量带到室内。再由装 在室内的地源热泵系统驱动的压缩机和热交换器把大地的能量集中， 并以较高的温度释放到室内。在夏季，此运行程序则相反，地源热 泵系统将从室内抽出的多余热量排入环路而为大地所吸收，使房屋 得到供冷。尤如电冰箱那样，从冰箱内部抽出热量并将它排出箱外 使箱内保持低温。 地源热泵机组采用标准构件 ,需要时各部件的修配 和更换很方便。因为设计简单，并不需要高技术的操作工程人员的 服务。唯一需要经常保养的是空气过滤网和凝结水盘的清洁。 系统 设计简单，灵活、安装快速。机组己在工厂组装好并自带温度控制 装置，现场工作只是少量低压风管、电气连接装置和不需要保温的 水管的连接。管道可采用钢管、铜管或塑料管。维修方便快捷，机 组结构坚固，寿命长久。热泵机组的功率系数 （COP） 可达到 4 以上， 即1 千瓦电输入，有 4千瓦多冷量输出的高效率。 地下换热器的设计 竖直埋管的构造 竖直式地热换热器的构造有多 种，主要有竖直 U 型埋管与竖直套管。竖直 U 型管埋管的换热器采用 在钻孔中插入 U 型管的办法，一个钻孔可以设置一组或二组 U 型管。 然后用封井材料把钻孔填实，以尽量减小钻孔中的热阻，并防止地面污水流入地下含水层，钻孔深度一般为 60100米。钻孔之间的 配置应考虑可利用的土地面积，两个钻孔之间的距离可在46米之间，管间距过小会影响换热器效能。考虑到我国人多地少的实际情 况，大多数时候，竖直埋管方式是唯一选择。 采用竖直埋管的换热器前，每个钻孔中可设置一组或两组 U 形管。 尽管单 U 形埋管的钻孔内热阻比双 U 形埋管大 30% 以上，但实测与 计算结果均表明：双U形埋管比单U形埋管仅可提高15%20%的 换热能力，这是因为钻孔内热阻仅是埋管传热总热阻的一部分。钻 孔外的岩土层热阻，对双 U 形埋管和单 U 形埋管来说，几乎是一致的。 双U形埋管管材用量大，安装较复杂，运行中水泵的功耗也相应增 加。因此一般地质条件下，多采用单 U 埋管。但对于较坚硬的岩石 层，选用双 U 形埋管比较合适，此时每米钻孔费用比每米 U 形管（包 括管件）费用高很多，钻孔外岩石层的导热能力较强，埋设双 U 形 管，有效的减少了钻孔的内热阻，使单位长度 U 形管的换热能力明 显提高，从经济技术上分析都是合理可行的。另外采用双 U 形埋管， 也是解决地下埋管空间不足的方法之一。竖直埋管的连接方式 地热换热器各钻孔之间既可采用串联方式，也 可采用并联方式，在串联系统中只有一个流体通道，而在并联系统 中流体在管路中可有两个或更多的流道。并联管路竖直式热交换器与串联管路竖直式的相比， U 形管管径可 以更小，从而可以降低管路费用、防冻液费用；由于较小的管径更 容易制作安装，因此，可以减少人工费用。 U 形管管径的减小使钻 孔孔径也相应减小，从而降低钻孔费用。并联管路热交换器中，同一环路集管连接的所有钻孔的换热量基本 相同；而串联管路热交换器中，每个钻孔的换热量是不同的，因为 串联的各个钻孔传热温差是不一样的。采用串联还是并联取决于系 统大小，埋管深浅及安装成本高低等因素。串联系统较并联系统采 用的管道管径大，而大直径管道成本也高。串联系统主要的优点是具有单一流体通道和同一型号的管道，由于 串联系统管路管径大，因此对于单位长度埋管来说串联系统的热交 换能力比并联系统高。串联系统有许多缺点，首先该系统采用大管 径管道，管内体积大，需要较多防冻液，管道成本及其安装费用高 于并联系统；管道不能太长，否则阻力损失太大以及可靠性降低。 竖直埋管的换热计算 1 .工程设计用的半经验公式方法 由于地埋管换 热器中的传热过程是三维非稳定的传热，影响因素非常复杂，很难 用简单的公式加以描述和概括，因此在实际工程中还广泛采用以半 经验公式为主的设计计算方法，主要用来根据最大冷、热负荷估算 地埋管换热器所需埋管长度。此外，即使是这种最简单的以半经验 公式为主的设计计算方法，因为其中反复用到指数积分函数，对于 工程实际遇到的多孔的地埋管换热器，实际的计算工作量也太大， 以至于也必须借助于适当的计算机软件进行。2.地热换热器及其概算概算指标：是指单位负荷(或空调面积)所 需的地埋管量，或者单位地埋管量的热交换能力。地热换热器方案设计概算指标地下深层未受干扰时的温度与地理位置和距地面的深度有关。一般 地下15米左右的温度大致等于当地常年平均气温，深度每增加30m，地温约提高C。对竖直单U形埋管，单位孔深的换热量可按30 60w/m 估算。双U形埋管在此基础上增大15%左右。地埋管 总量一定时，埋管所需地表面积主要取决于埋管深度和埋管间距。钻孔深度一般取60100m。两个钻孔之间的距离一般在 46m之 间。管间距离过小会影响换热器的效能。据此，U形埋管所需地表面积约为建筑空调面积的1/31/5。项目与数值每米孔深换热量/ (w/m )建筑面积与地埋管面积之比土层岩土层岩石层土层岩土层岩石层竖直埋 管单U形 管3040405050603 : 14 : 15 : 1双U形 管3648486060724 : 15 : 16 : 1