对地源热泵的综述【文献综述】.doc

1、 毕业设计 文 献综 述 建筑环境与设备工程 对地源热泵的综述 前言： 地源热泵是以大地为热源对建筑进行空气调节的节能新技术。在夏热冬冷地区，应用地源热泵系统可达到夏季制冷、冬季供暖的目的。地源热泵系统适用范围广泛，既可应用于宾馆、写字楼、医院和学校等社会机构，又可应用于居民住宅。由于地源热泵可显著降低运营费用，已受到越来越广泛的关注。尽管还有一些不利因素限制了地源热泵的快速普及，但随着科技的发展，限制地源热泵普及的因素已经或正在得到改善。因而，地源热泵被认为是最有前途的空调系统之一。 正文 全球能量总消耗中有 45%都是建筑物的能量消耗，供暖与空调所消耗的能量是建筑物能量消耗的主要部分，占到

2、 80%左右，所以一般供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%-30%1。建筑是城市的骨架，城市的环保，节能与建筑节能是紧密相关的，只有良好的建筑节能才能达到城市的环保要求，满足可持续发展的需要。 1 地源热泵介绍 地源热泵其实并不是一个新概念，早于 1912 年就由瑞士的 Zoelly 提出 2。地源热泵是一种利用地下浅层的热资源（也称地能，包括地下水，土壤或地表水等），通过输入少量的高位能源（如电能），将低温位能向高温位能转移，以实 现既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵利用地能一年四季温度稳定的特点。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，再

3、通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时，大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。 1.1 地源热泵的特点 地源热泵属于可再生能源利用技术。是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于 400m深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热源可以称之为地能，是指地表土壤，地下水或河流，湖泊中吸收太阳能，地热能 而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了 47%的太阳能量，比人类每年利用能量的 500 倍还多。它不受地域资源等限制，真正是量大面广，这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式 3

4、。在地源热泵系统中，由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使大地热量基本平衡。 地源热泵是经济有效的节能技术。与传统空调系统相比，地源热泵系统在运行费用 (主要包括能耗费用和维护费用 )方面有较大优势。通常地源热泵消耗 1kw 的热量，用户可以得到 4kw 左右的热量或冷量。 传统的空调系统采用风冷换热器或水冷换热器，其换热环境直接或间接为大气，而大气换热不可避免地受到环境条件变换的影响。在夏季，当室外温度达到40时，由于换热效率降低，冷量将下降 20% 40%；在冬季，当室温下降到 -10时，供热量将下降到 15% 30%，而且要反复地冲霜来保证机组的正常运行。对于地源热泵，换热

5、器是介质和大地地表浅层换热，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器。地能不受气候、资源、地域、地质结构限制，大地的换热性能也要远远优于空气 4。地能这种低温位热能是人类可以利用的清洁的可再生能源。冬季通过地源 热泵将大地中的低温位热能提高品位对建筑供热，同时蓄存冷量以备夏季使用；夏季通过地源热泵将建筑物内的热量转移到地下 ,对建筑物进行供冷 ,同时对地能蓄存热量以备冬季使用。其温度大约为年平均气温 ,基本不受外界环境影响。地源的温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高 40%，因此要节能和节省运行费用 40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠稳定，也保证了系统的高效性和经

6、济性。据美国环境 EPA 估计以及国内已安装的工程实例，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户 30%-40%的供热制冷空调费 用 5。 地源热泵的环境效益显著，地源热泵的污染物排放与空气源热泵相比，相当于减少 40%以上，与电供暖相比，相当于减少 25%的充满量，属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此制冷剂泄漏几率大为减少 6。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放染料废物的场地，节约土地资源，且不用远距离输送热能。供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪声及霉菌污染，使我们的环境更加洁净和清新。 另外，地源热泵还有一机多

7、用，应用范围广的特点。地源热泵系统可供暖，空调 ，还有生活热水，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或系统；可用于宾馆商场办公楼学校普通住宅等建筑，更适合于别墅住宅的采暖空调。 2 地埋管的布置形式 土壤源热泵的构成主要包括三套管路系统：室外管路系统、热泵工质循环系统及室内空调管路系统。与一般的热泵系统相比，其不同之处主要在于室外管路系统是由埋设于土壤中的聚乙烯塑料管构成，该盘管作为换热器在冬季作为热源向土壤中取热，相当于常规空调的冷却塔。因而根据埋地换热器的不同可将土壤源热泵分为如下几类： 2.1水平埋管系统 该形式适合于有足 够空闲场地的地方，其埋管深度通常在 1.2 3m

8、。常采用单层或多层串、并联水平平铺埋管。优点是施工方便、造价低；缺点是换热器传热效果差，受地面温度波动影响较大，热泵运行不稳定，同时占地面积也较大（一般为采暖面积的 2 倍左右）。 2.2垂直埋管系统 该形式适合于 10 100m 埋深的 U型垂直埋管或套管。该形式的优点是：占地面积小，深层土壤全年温度比较稳定，热泵运行稳定；缺点是初投资（钻孔、土建及埋管费用等）较高，（一般占到初投资的 50%左右）。 2.3 螺旋型埋管系统 该形式结合了水平埋管和垂直埋管的优点，占地 面积少、安装费用低，但其管路系统复杂，管道加工困难，且系统运行阻力大，能耗偏高。在实际工程中，垂直埋管方式中的 U 型垂直埋

9、管或套管运用得最多。 3 土壤源热泵的缺点及辅助设备 土壤源热泵有诸多的优点，机组性能系数高，节能效果好；利用土壤的蓄热性能，冬夏能量互为补偿；土壤源热泵冬季蒸发器不结霜；保护环境；绿色空调。但它也有缺点，如地下换热器的传热性能受土壤性质影响较大；土壤源热泵连续运行时，热泵的冷凝温度、蒸发温度受土壤温度变化的影响而波动，导致热泵效率的下降；由于土壤的热导率较低，地下换热器与周围土壤的传热 量较少，因此所要求的换热器面积较大；初投资也比较高，一般来讲比空气源热泵以及水源热泵要高。正是由于土壤源热泵的这些缺点阻碍了它的广泛的应用，而借助于辅助热源可以减少初投资以及补偿土壤的温度变化的影响 7。一般

10、来讲，南方地区夏天制冷比冬天制热的负荷要大，因而主要补偿夏季制冷负荷，可以通过设置冷却塔补偿来减少土壤源热泵的埋管尺寸。通过一个换热器，冷却塔将进埋地换热器流体冷却，这样降低了埋管换热器的负荷，相应的就降低了埋管换热器的面积，据实际工程所得数据，一般土壤源热泵的埋管换热器的投资要占到总投资的 50%,采 用冷却塔辅助系统，如果减少一半的埋管换热器，就相当于减少了 25%的投资，这种系统已经用在了很多商业建筑中。北方地区气候比较寒冷，冬季供热负荷要大于夏季制冷负荷，采用太阳能板可以减少埋地换热器的面积，可以直接接到环路中，也可以通过板式热交换器换热 8。 4 地源热泵发展前景 地源热泵系统由于运

11、行费用较低及其他多种优点，在欧美发达国家已有很多应用实例，目前较多应用在商业系统。我国见于文献的地源热泵的最早应用是在 1987 年，用于上海的一幢六层办公楼的制冷与供热。这个地源热泵系统是由美国设计制造、运抵上海后安装的 9。我国淮河以南的广大地区建筑一般没有冬季采暖装置，而这些地区冬季气温较低。为改善冬季室内热环境，主要措施是采用局部采暖装置，如小型传统空调或电加热器等。前文已经提及，传统空调的运行费用要高于地源热泵系统；而电加热器则效率低且取暖面积十分有限。当前，我国经济高速增长，社会购买力大大增强，地源热泵的高初投资对其应用的影响将越来越小。随着科技的发展，地源热泵的技术将更加成熟而其

12、使用成本将下降。 总结 现代建筑倡导环保节能的设计理念，突出环保节能的特点，符合 21 世纪人们生活的需要。虽然存在各种困难，地源热泵技 术作为一项有效的暖通空调节能技术，因其自身的清洁、节能等特点，存在一定的推广价值。在国外，由于起步较早，此技术已经基本成熟，并开始逐步应用于各种建筑中，并且针对不断出现的问题进行调整。随着暖通空调技术的发展，对地源热泵的一些制约因素将会被逐步克服，甚至可能会转化为促进这项技术发展有利的条件。我国地域辽阔，各地的气候条件和土壤条件各不相同，其中大部分地区夏热冬冷，适合地源热泵的使用范围。此外，根据地源热泵系统的特点，还可考虑在其它需要供热的行业使用：如现代设施

13、农业中温室需要提供的热水温度一般比空调系统低，夏季 降温的要求也比空调建筑低，利用地源热泵系统可以降低运行成本，很好地发挥其优点；在养殖行业，需要提供合适的水温，也可以充分采用地源热泵系统 10。总之，只要扬长避短，正确定位，地源热泵系统是有很大发展空间的。 参考文献 1 周亚素等 .土壤源热泵系统的研究现状与发展前景 J.新能源 11999,21(12):37 421. 2 Hughes P J. Survey of water-source heat pump system configurations incurrent practice J.ASHRAE Transactions,19

14、90:1021 1028. 3 范萍萍 .土壤源热泵的发展与研究现状 J.煤气与热力 ,2005， 24（ 10） :66-69. 4卢继龙 ， 彭建国，杨光 .土壤源热泵的研究与现状 制冷与空调 J.2007,(12):92 95. 5 Fleming William S. Ground-source h1U eat pump design and operation experience within an Asian country J.ASHRAE Transactions,1998,771-775. 6李爱彦 , 荣文涛 .太阳能 -地源热泵应用探讨 J.工程建设与设计 ,2005,

15、(12): 8-9. 7 陆耀庆 .供暖通风设计手册 K.北京：中国建筑工业出版社， 1993. 8杨昭 ,张世钢 ,刘斌 . 燃气热泵及其他供热空调系统的能源利用分析评价 J.太阳能学报 ,2001.22 (2):171-175. 9SWARDT D . A performance comparison between an air-source and a ground source reversible heat pump J. International J of Energy Research,2001,25(10):899-910. 10姜宝成 ,王永镖 ,李炳熙 .地源热泵的技术经济性评价 .哈尔滨工业大学学报 J.2003. 195-202.