地源热泵毕业设计

1.绪论

随着国民经济的增长城市建设的发展和人民生活水平的提高及房地产业的升温,我国空调业己得到空前的发展。空调己成为季节性能源消耗的大户,并成为建筑节能的关注问题。大力发展新能源与可再生能源,已成为我国21世纪发展国民经济的刻不容缓的战略目标。

热泵技术是应用低位可再生能源的重要技术措施之一。热泵系统是利用低温热源进行制热,制冷的新型能源利用方式。与使用常规能源供热方式相比,具有许多不可替代的特点。因地制宜的发展地源热泵系统,有利于优化能源结构,促进多种资源的有效利用,提高能源利用率。

目前常规使用的热泵系统多为空气源,它受环境温度影响很大。夏季不利于冷凝器的散热,冬季蒸发器得热难,犹其是冬季融霜难。地源热泵几乎不受环境气候影响,可以产生良好的节能效益,且不用除霜。主要内容包括:地源热泵的形式与基本原理,地源热泵机组,新乡本地工程应用实例,对传统地源热泵的改进设想等。

2.地源热泵简介

2.1地源热泵的发展

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内夏季再把地下的冷量转移到建筑物内一个年度形成一个冷热循环。

地源热泵的起源

地源一词是从英文“ground source”翻译而来，汉语的内涵则十分广泛，应包括所有地下资源的含义。但在空调业内，目前仅指地壳表层（小于400米）范围内的低温热资源，它的热源主要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能。

"地源热泵"的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。

1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统。但是这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术、理论上都没有太大的发展。

20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到20世纪70

年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。这一时期，欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵，主要用于冬季供暖。虽然欧洲是世界上发展地源热泵最成熟的地区，但是它也曾因为热泵专家不懂安装技术，安装工人又不懂热泵原理等因素，致使地源热泵的发展走了一段弯路。

随着科技的进步，关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格，地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地源热泵供暖和制冷技术。政府采取了相应的补贴政策和保护政策，使得地源热泵生产和使用范围迅速扩大。上世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10％。美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。

2.2地源热泵系统与传统空气源热泵的对比

市场上现有的户式中央空调的形式可归纳为以下几类：

1、制冷剂直接蒸发式一拖多系统。亦即使用一个室外机多个室内机组，分布在不同的房间内供暖空调。该系统安装方便，各居室温度可自由调节，管线占用空间小，但制冷剂管路长且复杂，氟利昂用量大，泄漏的危险也加大了；该系统受气候条件的制约，在-5℃以下使用时必须安装辅助加热器；该系统难以解决新风供应与冬季加湿问题；该系统价格相对较高。

2、室外机为空气-水热泵机，制备冷（热）水供应分布在不同房间内的多台风机盘管。该系统结构紧凑、安装方便，与全空气系统比较占用建筑空间较少，也易与建筑装修融为一体；风机盘管容易控制，各房间可独

立控制、方便使用，较易实现节能运行，便于节电。但是该系统无新风供应，风机盘管集水盘内容易滋生细菌，水管入户，存在漏水危险，对施工要求严格；该系统也受气候条件制约，低于-5℃时无法正常工作，需安装辅助加热装置。

3、室外机为空气-空气热泵，制备冷（热）风，通过风管送到每个房间。其优点是采用全空气系统，没有漏水危险；可引入新风，可对室内空气进行过滤、加湿、除臭等处理，空气品质好，是最为接近中央空调的系统形式。其缺点是风管管径较大，占用空间较多；各个房间温度不好单独进行大幅度调节；户外温度小于-5℃时，室外机能效低，产热量低，技术安全性差。

其中，2、3种方式都使用了热泵技术，具有节能效果，但是我们不提倡使用空气源热泵，因为还存在如下一系列问题：

1、存在热岛效应，使得外界局部空间环境条件恶化

2、当空气温度低于零度时，机组效率下降，并且当温度低于-5℃时，机组效率极低，甚至无法开机，需要附加辅助热源

3、冬季室外机组需要除霜，浪费能源

有研究表明，地表5m一下的土壤年平均温度恒定，在夏热冬冷地区，地温平均温度为15~20℃全年温度波动较小，且具有不同程度的延迟和衰减。因此土壤比空气和水更适合作为热泵装置的冷、热源。

2.3地源热泵定义

在1952年当热泵系统第一次被正式提出时，被称为“热量倍增器”。这也从另一方面说明了热泵节能高效的特点。

“热泵”这一术语是借鉴水泵一词而来。热泵装置消耗一定的机械能，将低温位的热能泵送到高温位。

从热力学或工作原理上说，本质上热泵就是制冷机。

在我国《暖通空调术语标准》中，对“热泵”的解释是：能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机。

热泵是以制冷剂在冷凝器中释放的热量实现供热的制冷装置。

地热热泵是以岩土体、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.

地源热泵：也叫地下耦合热泵系统，还被称为：地热热泵、地能系统、地源系统，1997正式定名为地源热泵(GSHP)

2.4热泵系统分类组成

作为利用周围环境热源的热泵来说，热泵按换热器所用热源的不同可分：

地埋管地源热泵系统包括竖直埋管、水平埋管和螺旋埋管三种，如下图所示：

图2-1常见地埋管的形式

1水平埋管式分为单回路水平埋管和多回路埋管。

2竖直埋管地源热泵系统，负荷小时直接接入机房，负荷较大时接入集水器。特殊形式：桩基换热器。

3螺旋埋管式，常见的有以下几种，如图：

图2-2 螺旋管式换热器

地源热泵在设计中，根据换热过程的不同，一种是将几组制冷剂盘管直接埋在地下的直接系统，另一种是借助于换热介质，如水、防冻水溶液等，把热量从地下转移到热泵机组换热器，这种称为地源闭环系统。

热泵空调系统根据循环介质与环境换热介质的不同，主要分为：空气和水换热两种形式。分为：水—水式、水—空气式、空气水式、空气空气式四类。

热泵系统主要由三部分组成：室外地源热泵系统水源热泵机组和室内空调采暖末端系统

2.5地源热泵空调的优点：

1.高效节能，稳定可靠。地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，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比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40％－50％左右。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。冬季运行时，COP约为4，即投入1KW电能，可得到4KW左右的热能，夏季运行时，COP可达到投入1KW电能，可得到4KW以上的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且理管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗。

表2-1不同热量提供方式的能量利用率

2.无环境污染。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70％以上，真正的实现了节能减排。

3.一机多用。地源热泵系统可供暖、制冷，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或系统。

4.维护费用低。地源热泵系统运动部件要比常规系统少，不需要占用专门的机房，并且无需安装冷却塔及泵房，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。

5.使用寿命长。地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。要比普通空调高35年使用寿命。其未端既可以使用风机盘管，也可以与地板采暖联合使用，不仅可以单独控制和随意调节各个房间温度，并且地板采暖舒适性更好。

6.节省空间。没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。

7.可再生：土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证了大地热量的平衡。

总之，地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。

2.6影响制约地源热泵发展的因素：

?1、地埋式换热器的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究还不够深入,无法为设计提供最简介的方法；

2、土壤源热泵自身存在的缺点：地埋换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小，使地埋换热器的面积较大等；

3、关于埋地盘管的数学模型和土壤热场特点的理论研究还不够深入，仍处于试验阶段；由于它涉及钻探工程，使施工困难，系统投资比较大。因此在热泵技术开发应用中，应通过热泵的批量生产和技术改进来降低成本，使热泵技术的优越性更加突出；

4、我国有关地源热泵的现成技术资料不多，缺少这方面的设计、生产、安装和维护人员，而且生产相关设备的厂家少，需加强相关技术人才的培养；

5、需向世界上热泵技术比较发达的国家学习，但应注意：由于我国气候条件不同，因此不能照搬外国的技术成果，而应注意吸收国外正反经验，合理布局，稳步发展，在条件相对成熟的地区多进行试验和总结；

6、地下情况远比地上的复杂，需要进行详细的勘察。提供正确可靠供工程设计参考的技术数据；

8、开发成熟的可供工程设计参考的设计计算方法；现有的设计只有专业公司会做，一般设计人员基本不会，严重制约了该技术的推广；

9、现有的产品规格、品种还不够齐全，影响使用；

10、地下换热器的安装、施工技术还没有普及，一般的施工队伍无法保证质量。

2.7地源热泵的工作原理:

地源热泵系统主要由三部分组成：室外地源换热系统、水源热泵机组、和室内采暖空调末端，其循环原理如图所示：

图2-3热泵能量循环图

制冷模式：

在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量

吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13℃以下的冷风的形式为房间供冷。

制热模式：

在供暖状态下，压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。

图2-4地埋管式地源热泵工作原理图

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。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源