2021年咨询工程师继续教育讲义-地源热泵.doc

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1、地源热泵可再生清洁能源-地源热泵1概述2定义和特点3发展历程4我国地源热泵产业发展5相关标准规范6浅层地温能资源勘查7习题人类社会的发展过程是一部开发、利用能源的历史：原始时代：四五十万年前,火的利用 揭开了人类利用能源的序幕；化石能源时代：18世纪蒸汽机的发明,引起世纪性的工业革命；电能时代：19世纪电能的广泛使用,将人类社会推进到现代文明时代；多能源时代：20世纪初太阳能、核能发明和利用,为人类的明天描绘出了灿烂的蓝图。概述能源是国民经济的命脉，也是制约人类社会持续、稳定发展的最关键因素之一。自20世纪50年代以来，人类所面临的人口猛增、粮食短缺、能源紧张、资源破坏和环境污染等问题日益恶化

2、，导致“生态危机”逐步加剧。20世纪70年代，由于世界范围内能源危机的爆发、自然环境的日益恶化和传统能源储量日渐衰减，人们逐渐认识到把经济和社会的发展与环境割裂开来，只能给地球和人类社会带来毁灭性的灾难。能源危机和环境问题凸显！因此为有效地解决能源问题，除了要尽可能节约利用能源和提高现有能源的利用效率之外，最根本的途径是不断地谋求新的可再生能源。为了解决能源危机和环境问题，能源结构的调整势在必行！发展可再生能源，促进可再生能源的开发利用，增加能源供应，是改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持续发展的重要途径。2005年2月28日由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会

3、第十四次通过了中华人民共和国可再生能源法。2009年12月26日由中华人民共和国第十一届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议审议通过全国人民代表大会常务委员会关于修改中华人民共和国可再生能源法的决定，自2010年4月1日起施行。中华人民共和国可再生能源法的通过实施大力促进了可再生能源利用发展。中华人民共和国可再生能源法所称可再生能源，是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。地热能传统意义上的地热能是指从地壳抽取的天然热能，来自于自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。浅层地（温）能区别于地球

4、深部的地热资源，人们把分布在地表浅层，包括土壤、地下水、河流、湖泊中的低品位热能（25）称之为浅层地温能。浅层地能是指在太阳辐射和地心热产生的大地热流的综合作用下，存在于地壳下近表层数百米内的恒温带中的土壤、砂岩和地下水里的低品位（25）的可再生能源。地球内的温度浅层地（温）能的能量资源一年内地球受太阳辐射量平均为7.031021KJ/a，其中地球获太阳辐射份额可达60%。地球地表面积5.1108km2，其中陆地占29.2%，海洋占70.8%，地下深400米以内土壤砂石固体份额约1.291017m3，地下深100米以内土壤砂石固体份额约0.321017m3，可见这么大的恒温体积内蕴藏的低温能量

5、相当于几十万亿吨标准煤。定义最早于2005年发布的地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）规定地源热泵系统以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。特点（1）地源热泵技术属可再生能源利用技术，是清洁的可再生能源一种形式。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、无处不在。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一种形式。（2）地源热泵属经济有效的节能技术。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%

6、以上的电能或7090%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1025，其制冷、制热系数可达3.54.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的5060%。水源热泵系统与其他系统的运行费用比较（3）地源热泵环境效益显著。其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，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。系统组成及工作原理地源热泵是一种利用地表浅层低温位能（地能）既可供热又可制冷的高效节能空调系统。热泵实质上是

7、一种热量提升装置，通过消耗少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。地源热泵系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机主要有两种形式：水水式或水空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵机房地源热泵的分类及特点地表水地源热泵系统以地表水作为冷热源，由潜在水面以下的、多重并联的换热管组成的热交换器，直接抽取或者

8、间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。优点：系统简便易行，初投资较低，水泵能耗较低，可靠性高，低维修要求、低运行费用。缺点：地表水地源热泵系统受到自然条件的限制，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，环境温度越低热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。地下水地源热泵系统以地下水作为热泵系统提取地下地能的介质。采用井的方式抽取和回灌地下水，地下水的使用采用封闭循环方式，抽取的地下水经过与系统交换能量后，又通过回灌系统回灌到地下，整个过程仅以地下水作为热交换介质，不消耗地下水资源。根据提取和回灌的方式不同又可分为“单井抽灌”和“抽灌分离”2种方式

9、。“单井抽灌”方式，是在同一口井内完成抽水和回灌两种功能。优点：所需水井数量少，占地面积小等优点。缺点：由于采用同井抽灌，回灌水在地层中运移路径短，在不同结构的含水层地区，回灌水的温度对抽水的温度影响程度不同。抽水段温度在系统运行一段时间后通常将发生热突破现象，进而影响到热泵机组的功效。“抽灌分离”方式，也叫“多井方式”，通过建造抽水井和回灌井，采用1眼井抽水，1眼或多眼井回灌的方式，来完成采集和回灌地下水。优点：（1）可以针对供暖和制冷两种不同的模式采用两口井季节性交替的工作方式，从而有效地提高热泵机组的功效；（2）采用季节性交替的抽灌方式，达到回灌井定期反扬的目的，能有效地提高回灌井的回灌

10、率；（3）可以根据实际的地质条件，合理布局两口井的井位，预防采、灌井对之间强烈的温度干扰。缺点：相对于“单井抽灌”方式而言，“多井方式”具有所需水井数量多、占地面积大、前期费用高等缺点。地埋管地源热泵系统以土壤作为冷热源，也叫土壤源热泵系统，采用地下埋管的方式，通过土壤耦合地热交换器提取和利用土壤中的低品位能。这是一闭式系统方式，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。根据埋管方式不同，又可分为水平埋管和垂直埋管2亚类。水平埋管地源热泵系统在地表浅部通过开挖水平沟槽方式埋设水平管或螺旋管，主要提取

11、和利用地表浅层土壤中的能量作为空调系统的冷热源。垂直埋管的地源热泵系统采用竖井的方式埋设螺旋盘管套管或U形管，竖井中的热交换器成并联连接，再通过集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接地埋管地源热泵系统的形式水平埋管占地面积较垂直埋管大，效率较垂直埋管低。故现在大多采用垂直埋管。根据埋入换热孔内U形管的数量，系统又可分为单U和双U埋管系统，与周围岩土体换热方式传导；为避免换热孔之间的相互干扰和节省占地，地埋管孔设计间距一般4-6m；根据设计要求的不同，地埋管内的循环液（换热介质）可以是水或防冻液。单U竖直埋管地源热泵换热系统双U竖直埋管地源热泵换热系统地源热泵根据水的循环方式不同，分为开式回路和

12、闭式回路两类：1）、开式回路：是将地下水（或地表水）直接供应到每台热泵机组，水与空调系统工质完成热交换后，通过回水系统回灌到地下（或水库中）。2）、闭式回路：地下水（或地表水）与空调系统循环工质之间是用板式换热器分开1）、开式回路：由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀发生，通常建议在地源热泵系统不直接将地下水供应到每台热泵机组。2）、闭式回路：板式热交换器采取小温差换热的方式运行，根据温度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。为了保护水资源，目前多数水源热泵采用闭式回路。地下水在蒸发器与热泵系统工质进行能量交换，或通过井口直埋的螺旋板式换热器系统工质进行能量交

13、换，完成能量交换后又通过回水系统回灌到地下（或水库中）。地埋管地源热泵系统采用闭式回路方式，中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动。水源热泵机组设置集中式：集中式热泵系统比分散式系统具有更好的节能效果、集中管理更方便、系统运行更为可靠、机组整体、寿命更长。分散式：无须主机房、分户计费、控制灵活等优势，适用于宾馆、酒店、写字楼、商场、医院、体育场馆等功能建筑物，特别适合内外分区建筑物，是环保节能中央空调最优先考虑的系统形式。末端采暖方式低温地板辐射风机盘管3发展历程国外-总体过程国外自19世纪初，热泵开始发展，至1960年，在瑞士、英国等地利用空气、湖水、河水等低温位能供暖热泵有20余项。施

14、工年份国别地点低位热源功率（KW）备注1912瑞士苏黎世河水7000供热1939瑞士苏黎世河水175供热1939瑞士苏黎世空气58空调调节1941瑞士苏黎世河水1500游泳池加热1941瑞士Skeckborn湖水1950供热1941瑞士Landquart空气122供热1943瑞士苏黎世河水1750供热1943瑞士Schoncnwerd河水250空气调节1945瑞士诺里季电力公司河水120240供热1949英国皇家节日大厅河水27001950英国诺里季旅馆混凝土地板3.741951英国伦敦河水2.32.61951英国英国电机及有关工业研究协会河水7151952英国英国电气研究协会污水251973年世界性第一