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地源熱泵原理簡述

地源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)改造施工，為自然現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫，用*的熱力學第二定律準確表述：“熱量不可能自發(fā)由低溫傳遞到高溫”。但人們可以創(chuàng)造機器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以地源熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這就是地源熱泵節(jié)能的原理。

地源熱泵屬于*空調(diào)的一種，但地源熱泵區(qū)別于傳統(tǒng)*空調(diào)，地源熱泵原理主要是通過與地能進行換熱，是一種十分節(jié)能環(huán)保的*空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵已受到了*、住房城鄉(xiāng)建設部大力支持，許多城市和地區(qū)都在積極推廣地源熱泵地源熱泵原理-夏季制冷

地源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)改造施工在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將室內(nèi)空氣循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，zui終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過冷媒-空氣熱交換器，以13℃以下的冷風的形式為房供冷。

地源熱泵原理-冬季制熱

在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，并通過四通閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量，通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由空氣循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以強制對流、自然對流或輻射的形式向室內(nèi)供暖。

地源熱泵設備選型：分區(qū)水源熱泵機組選擇

一旦確定了地源熱泵系統(tǒng)類型，就可以選擇每個分區(qū)的水源熱泵機組。首先根據(jù)機組在分區(qū)中所要安裝的位置，選擇合適的機組形式，例如：落地式機組可以安裝在外墻窗下；水平式機組可以安裝在吊頂內(nèi)；垂直式機組適合安裝在壁櫥或機房里等。

地源熱泵系統(tǒng)設計：地埋管地源熱泵系統(tǒng)設計

地源熱泵系統(tǒng)設計主要包括兩大部分：一是建筑物內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)設計，主要有空氣處理方案確定及設備選擇，水源熱泵機組的選擇、室內(nèi)整個空調(diào)系統(tǒng)的風系統(tǒng)和水系統(tǒng)設計；二是室外地能換熱系統(tǒng)的設計，即地埋管地源熱泵系統(tǒng)中的地埋管換熱器、地下水熱泵系統(tǒng)中的水井系統(tǒng)以及地表水熱泵系統(tǒng)中的地表水換熱器的設計，這部分是地源熱泵系統(tǒng)有別于其他系統(tǒng)之所在。

地源熱泵設備選型：地埋管換熱器管理形式選擇

地埋管換熱器的埋管主要有兩種形式，即水平埋管和垂直埋管。換熱器管路埋置在水平管溝內(nèi)的地埋管換熱器為水平埋管。換熱管路埋置在垂直鉆孔內(nèi)的地埋管換熱器為垂直埋管。

地源熱泵設備選型：地埋管換熱器環(huán)路形式選擇

地埋管換熱器中流體流動的環(huán)路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。在串統(tǒng)中，幾個井（水平管為管溝）只有一個流動通路；并聯(lián)方式是一個井（管溝）有一個流動通路，數(shù)個井有數(shù)個流動通路。

地源熱泵設備選型：地埋管換熱器埋管選擇

由于地埋管的使用場所特殊、施工較復雜，所選管材必須符合特定的性能才能保證施工順利進行、系統(tǒng)才能正常運行，對管材特殊性要求如下：

對管材質(zhì)量的要求；選擇地埋管規(guī)格；選擇地埋管管徑；確定地埋管管子長度?；窘榻B

地球表面的淺層地下水溫度常年保持基本恒定，不受外部環(huán)境干擾。這個溫度夏季低于環(huán)境溫度，冬季高于環(huán)境溫度，非常適于水源熱泵從其中提取冷量或熱量供人們使用。尤其是，這部分地下水溫度被提取后再回灌入地下，能夠很快從地層環(huán)境中重新恢復溫度，將地層中取之不竭的低位能量不斷輸出。

水井取能的方式就是將淺層地下水用潛水泵自出水井中抽出，通過管道輸送到主機站，經(jīng)過水源熱泵換熱器進行取能，滿足主機正常運轉(zhuǎn)，然后再經(jīng)過管道輸送到回水井，回灌到地下。

基本介紹

地埋管取能方式是利用深埋在地下的閉式循環(huán)水管路系統(tǒng)與地層巖土進行換熱，換熱后的循環(huán)水將能量傳給水源熱泵主機，實現(xiàn)能量供給。通常也稱這個系統(tǒng)為：“閉式地源熱泵系統(tǒng)”或“地耦合地源熱泵系統(tǒng)”；埋在地下的封閉循環(huán)管路稱為“地熱換熱器”，它的形式有兩種：水平埋管、豎直埋管。水平埋管是在地面挖出1-2米深的溝，每個溝內(nèi)埋設2、4或者6根塑料管，并連形成封閉網(wǎng)狀系統(tǒng)；豎直埋管是在地層中鉆直徑為0.1—0.15米的鉆孔，鉆深30—150米，在每個孔中設置一組或兩組U型塑料管并用灌漿材料灌實，再整個連成封閉網(wǎng)狀系統(tǒng)。

技術(shù)要點

A、科學合理計算建筑物需要的能量，減少富余量，避免造成過于龐大的地埋管施工量。

B、充分對當?shù)氐貙舆M行了解，如有條件要對地層巖土的傳熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)進行測量，科學計算或估算所需地熱換熱器的管長。

C、平埋時應根據(jù)當?shù)貎鐾翆雍穸却_保合理的埋管深度，以免受地面溫度的影響；豎直埋管時每孔間距要大于3--4米，水平連接總管的埋深也要保證在當?shù)貎鐾翆雍穸纫韵隆?/span>

D、閉式系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)連接時，要注意同程原理。

E、施工設計時合理設計檢修點，便于將來故障排查。

F、注意施工過程中的回填工藝質(zhì)量，過程中保證zui少三次試壓。

地埋管取能方式適用于缺乏水源的項目，雖然前期投資相對較大，但建成后一勞永逸，系統(tǒng)可以正常使用50年左右。采用地埋管取能方式，前期需要注意計算建筑物周邊是否具有足夠的埋管場地。如果冬夏冷熱負荷量差距較大，還需考慮采用冷卻塔或備用熱源進行負荷調(diào)節(jié)。

污水/中水水源的取能方式

1、基本介紹

污水水源熱泵是通過提取城市原生污水中的溫差，將污水中低品質(zhì)的恒溫能量“汲取”出來，實現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖、生活熱水全年保障的“三聯(lián)供”，創(chuàng)造性的化污為“寶”，變成可利用的再生能源，是節(jié)能減排的一個新途徑。污水水源中含有固態(tài)雜質(zhì)，需要加裝污水全自動除污設備進行處理，由于水質(zhì)具有一定的腐蝕性，污水不直接進主機，要增加換熱裝置，或采用防腐型污水水源熱泵機組。

中水是指生活污水處理后，達到規(guī)定的水質(zhì)標準，可在一定范圍內(nèi)重復使用的非飲用水。中水水溫一般夏季在27--32℃左右，冬季在7—12℃左右（北方寒冷地區(qū)需實際了解）。這些中水一般通過直埋大口徑混凝土管道輸送到城內(nèi)河道、水景湖等處，所以在輸送過程中溫度受外界環(huán)境影響不大。一個中等規(guī)模的城市污水處理廠日處理生活污水可達10萬噸，所以，管道沿途的建筑物可以利用中水源熱泵系統(tǒng)對該水源中的量加以利用，實現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖、生活熱水全年保障的“三聯(lián)供”。中水的取用一般是經(jīng)過市政管理部門同意或合作，在建筑物附近對中水管道進行開口，在管道上對接一個取水口，在取水口下游對接一個入水口，以便將一定量的中水引入主機站通過水源熱泵加以利用，再排回中水管道。

2、技術(shù)要點

A、中水水質(zhì)潔凈，可以直接進入主機進行換熱，工藝簡單、方便。根據(jù)中水的實際溫度設計計算合適的中水取用量，安裝相應合理口徑的管道及水泵。

B、因為中水管道一般為混凝土管道，取水管道一般用鋼管，所以，在中水管道上開口以及實現(xiàn)兩種材質(zhì)管道的無泄漏對接是一個關(guān)鍵技術(shù)。一般采用相應口徑的鋼制承插管件，該管件與混凝土管連接時，采用石棉水泥、膨脹水泥等措施對邊縫進行密封。

C、污水處理廠一般每年都有一個停產(chǎn)檢修階段，對中水管道的施工要在這個時期抓緊進行。

D、在機房內(nèi)中水回水管路上，安裝一臺合適的增壓循環(huán)泵，主要是為了補充所取用的中水在機房內(nèi)管路上的壓力損失，以便于回到中水主管路時能順利匯入。

污水、中水水源熱泵系統(tǒng)必須確保穩(wěn)定、連續(xù)的充足水源供應，不能因上游管道的堵塞或污水處理廠的臨時停運而造成水源的間斷供應，從而造成系統(tǒng)不能正常運行。工業(yè)尾水取能方式

1、基本介紹

在很多工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱能，在保證生產(chǎn)工藝需要后，很多熱量需要快速排出或直接排放。比如：化工廠的冷凝工段、鋼鐵廠的冷卻工段、熱電廠的冷卻工段、焦化廠的燒制工段等都有大量的余熱排出。這些余熱排出的形式一般有熱水和熱氣兩種形式，對這部分能量的回收取用可以通過板換、熱管等技術(shù)，把熱量換取到二次能源水中，再使用水源熱泵技術(shù)加以提取利用。采用這種技術(shù)既可以達到廢熱利用，節(jié)約能源的目的，又可以與生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合，實現(xiàn)工藝目的，降低生產(chǎn)成本。

2、技術(shù)要點

A、要仔細研究工廠生產(chǎn)工藝流程，有機結(jié)合原有管道系統(tǒng)，必須做到不影響正常生產(chǎn)，有利于正常生產(chǎn)。

B、水溫在5℃以上的各種水源均可有效利用，根據(jù)熱水溫度、熱水成分、特點，設計合理的取能工藝技術(shù)方案。

C、采用熱管等科學合理的技術(shù)手段，將多種形式的生產(chǎn)廢熱回收并用水作為介質(zhì)輸出，達到節(jié)能降耗的目的，實現(xiàn)生產(chǎn)、供暖雙功能。

D、提取熱能后的工業(yè)尾水水溫可降至4--8℃，可循環(huán)用于工業(yè)冷卻，達到節(jié)約用水的目的。地熱尾水取能方式

分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。

水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)

它由許多臺水源熱泵空調(diào)機組成。這些機組由一個閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調(diào)工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。

夏季運行：全部或大多數(shù)機組為供冷，熱量由水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。

春季/秋季運行：對有內(nèi)區(qū)與周邊區(qū)的建筑物，會出現(xiàn)內(nèi)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱，內(nèi)區(qū)的熱量就可被周邊區(qū)所利用，即內(nèi)區(qū)空調(diào)的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時，室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移，運行費用zui少，節(jié)能效果明顯。

地源熱泵原理-夏季制冷

在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將室內(nèi)空氣循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，zui終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過冷媒-空氣熱交換器，以13℃以下的冷風的形式為房供冷。

地源熱泵原理-冬季制熱

在制熱狀態(tài)下，地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，并通過四通閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量，通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由空氣循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以強制對流、自然對流或輻射的形式向室內(nèi)供暖。

地源熱泵的工作原理

地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（電能），將熱能實現(xiàn)由低品位向高品位轉(zhuǎn)移。土壤（或地下水、地表水、污水等，下同）分別在冬季作為地源熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把土壤中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到土壤中去。在供暖、制冷的同時可以將土壤或室內(nèi)的熱量提高溫度后，用來制備、供應生活熱水，特別是在夏季，熱水的制備幾乎是免費的。

通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量，節(jié)能*。

比較地源熱泵和水源熱泵區(qū)別：  

水源熱泵和地源熱泵都是從地位熱源的選取來定義的，水源熱泵通常指地位熱源來源于地表水、地下水、海水、污水；地源熱泵有時也被稱為土壤源熱泵，但是地下水作為低位熱源的也可稱為地源熱泵。此外，水環(huán)熱泵也可稱為水源熱泵。  

水源熱泵和地源熱泵以前確實叫法很亂，已經(jīng)出臺的地源熱泵相關(guān)規(guī)范，其中對叫法范圍作了明確說明： 

地源熱泵指所有使用大地作為冷熱源的熱泵全部稱為地源熱泵，包括土壤熱泵（即地耦合熱泵），地下水熱泵，地表水熱泵（包括江河湖海的水）等，這是為區(qū)別水環(huán)熱泵而說的。   水源熱泵則是總稱，包括所有以水作為冷熱源的熱泵，當然也包括土壤熱泵和水環(huán)熱泵了，這是為區(qū)別空氣源熱泵（風冷熱泵）而說的。所以從大分類來說，水源熱泵包括地源熱泵和水環(huán)熱泵還有一些特殊的利用低位熱水能量的熱泵（比如利用工業(yè)廢水或發(fā)電廠冷卻循環(huán)水梯級利用等）。

從分類和優(yōu)點上比較地源熱泵和水源熱泵區(qū)別：  

1) 地下水熱泵系統(tǒng)，也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。  

其優(yōu)點是占地面積小，在初投資方面比土壤源熱泵略經(jīng)濟一些，，水泵耗電量大，但要注意必須符合下列條件：水質(zhì)良好；水量豐富；回灌可靠；符合標準。  

對于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：較小的土地占用，管路及水泵用電少，其缺點是鉆井費用略高；對于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應用廣泛，使用者易于掌握，其缺點有：占地面積大。地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點   地埋換熱管技術(shù)參數(shù)為：管外徑32mm、管壁厚3mm、承壓能力1.6MPa。其具有接口穩(wěn)定可靠、抗應力開裂性好、耐化學腐蝕性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化、使用壽命長達50年等多種優(yōu)點；此外地埋管部分換熱效果要優(yōu)于水源熱泵。*，地表水都會含有細沙，會不同程度的減少機組的壽命，而且水井的使用壽命zui多能到達13年；地埋管方式的水源是自來水，這樣幾乎可以忽略水源對于機組壽命的衰減。雖然地源熱泵的初投資費用要高于水源熱泵，但是長遠考慮，地源熱泵要優(yōu)于水源熱泵。水源熱泵機組是一種通過利用地表水、地下水以及吸收太陽能和地熱能等低品位熱資源，并采用熱泵原理，輸入少量高品位電能，實現(xiàn)低品位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的空調(diào)裝置。   

通常，根據(jù)所使用的熱源，應用上通常分為三種，分別是： 

1. 封閉環(huán)路式：水源采用循環(huán)流動于公共管路中的水或鹽水(或類似功能的液體,如乙二醇等），通常稱為水環(huán)熱泵； 

2. 地下水式：從水井、湖泊、海洋或河流中抽取的水或在地管中循環(huán)流動的鹽水（或類似功能的液體）為冷（熱）源，制取冷（熱）風或冷（熱）水的設備，又稱為水源熱泵； 

3.  地下環(huán)路式：從地管中循環(huán)流動的鹽水（或類似功能的液體）為冷（熱）源，制取冷（熱）風或冷（熱）水的設備，又稱為地源熱泵水源熱泵是利用了循環(huán)水或地表水作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。水溫在16~30℃之間通常不需要輔助棄熱或加熱設備；如果采用地下水，供熱時可省去燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時省去冷卻塔，*是環(huán)保的空調(diào)形式系統(tǒng)供水溫度為24℃，機組A為制冷模式，排出熱量到回水中，回水溫度30℃，機組B為制熱模式，從水中吸收熱量，使得回水溫度降低到24度，當一定比例的機組同時制冷制熱時，水循環(huán)溫度達到平衡，建筑物內(nèi)部分區(qū)域多余的熱量被轉(zhuǎn)移到需要熱量的地方，*無須使用輔助熱源，達到的使用效果。水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜、制熱不穩(wěn)定等難點問題。小型的水源熱泵每一臺都可與用戶電表連接，費用容易計算，對于寫字樓、商鋪、公寓等場所非常適用。而大型的*空調(diào)系統(tǒng)通常是公攤計算，無論空調(diào)是否，一樣計算費用將大型的冷水機組小型化，開發(fā)商不需要準備昂貴的機房，機房位置可以作為停車場；循環(huán)水管路溫度是常溫，無須考慮管路保溫的費用；此外，通風管道也大大縮小，機組控制器也是制造商配套供應系統(tǒng)中不同的功能區(qū)可以同時制冷或制熱，大大提高了人體的舒適性，滿足現(xiàn)代群體個性要求，如綜合建筑內(nèi)區(qū)發(fā)熱大，通常冬季還要制冷，水源熱泵系統(tǒng)很容易做到。常規(guī)的*空調(diào)系統(tǒng)必須采用四管制的末端才可以滿足要求。