1、浅谈地源热泵空调系统的应用【内容提要】 秦皇岛数谷大厦是以办公为主的综合办公楼。介绍了该工程的冷、热媒负荷，空调形式等。着重探讨了地源热泵系统的组成、特点，工作原理、发展趋势。【关键词】办公楼、地源热泵、压缩机、冷凝器、膨胀器、调节阀、分类、应用等。1 工程概况数谷大厦建于秦皇岛市经济开发区内，占地面积为 96.79 亩，总建筑面积为 46496m2。本建筑的地下一层为设备用房及非机动车库，一层除大堂外为办事大厅，银行，商务，休息,二层至十四是以办公用房为主,夹层以上是以物业办公用房为主,十五层是以多功能厅，会议，休息为主。屋顶为设备用房。数谷大厦的空调系统采用地源热泵方式。地源热泵是一种利用
2、地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能） ，实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。随着当今传统能源的日趋枯竭及环境污染的加剧，在“节能减排”的国策指导下，地源热泵系统因其显著的节能、环保、高效益用等特点而愈加受到人们的重视。自上世纪 90年代国内展开地源热泵技术研究以来，已经过了约二十年的发展历程。吸收了国外的应用研究成果，地源热泵技术在国内已取得了一定的研发
3、进展。2 空调设计参数及负荷本工程的夏季冷负荷为 4465kW，冬季热负荷为 3600kW，依据场地形式及地质条件，采用地源热泵系统，冷水供/ 回水温度 712。经 DOE-2 模拟分析，设计建筑能耗为3584206kWh，参考建筑能耗为 5066711 kWh， 可节省 1482505kWh。本工程的地源热泵系统。地埋管形式为垂直双 U，埋管深度为 120 米，间距 5 米，孔径 150 毫米，经热工测量实验后确定井数量为 530 口。管道采用同程方式连接，室外分 5个检查井，经汇集至机房地埋集分水器。地埋管采用专用土壤源热泵专用 PE 管，管径De32。室外地埋水平管深为 2.0 米，供回
4、水管均采用岩棉管壳保温，保温厚度为 30mm。本工程采用集中热泵空调，热泵机房采用 3 台 LWP99420X 地源热泵机组。其性能参数如下：夏季制冷量为 1440kW，耗电量 245kW，蒸发器 712，冷凝器 2530冬季制热量为 1595kW，耗电量 346 kW，蒸发器 105，冷凝器 4550地源热泵空调系统主要设备见表1：表1 地源热泵空调系统主要设备编号 名 称 格 及 参 数 数量 单位 安放位置螺杆式地源热泵机组 QL=1440kW Qr=1595KW 制冷剂 HFC-134a W=10710kg 设减震基础外型参考尺寸mm:426024502255冷冻水参数： T=712
5、G=250m/h H=60kPa 蒸发器接管：DN200冷却水参数： T=3035 G=298m/h H=65kPa 冷凝器接管：DN200A-1 地源热泵机组用电量参数：制冷： N=245kW/3380V,50HZ制热： N=346kW/3X380V,50HZ3 台 热泵机房内空调循环泵 SLW200-315G 设计参数：G=262m/h H=380kPa 参考电量：N=45kW/3380V,50HZ P=1.6MPa 设减震基础 控制尺寸 mm:20001000A-2 冷冻水泵三用一备 并提供并联运行选型曲线 系统内介质为水4 台 热泵机房内空调循环泵 SLW200-400G 设计参数：G
6、=310m/h H=320kPa 参考电量： N=45kW/3380V,50HZ P=1.6MPa 设减震基础 控制尺寸 mm: 20001000A-3 冷却水泵三用一备 并提供并联运行选型曲线 系统内介质为水4 台 热泵机房内A-4 冷冻水分水器 L=3100mm D700 P=1.6Mpa 1 台 热泵机房内A-5 冷冻水集水器 L=3100mm D700 P=1.6Mpa 1 台 热泵机房内A-6 冷却水分水器 L=3350mm D800 P=0.6Mpa 1 台 热泵机房内A-7 冷却水集水器 L=3350mm D800 P=0.6MPa 1 台 热泵机房内A-8 全程水处理器SLWQ
7、-350A 处理水量 G=750m/h 功能：杀菌，灭藻，防垢，防腐，超净过滤。 N=450W/1X220V,50HZ P=1.6MPa1 台 热泵机房内A-9 全程水处理器SLWQ-400A 处理水量 G=900m/h 功能：杀菌，灭藻，防垢，防腐，超净过滤。 N=450W/1220V,50HZ P=1.6MPa1 台 热泵机房内A-10 冷却水变频 定压补水装置变频补水机组 配置 2 台立式多级离心泵参数G=10m/h H=350Kpa N=3kW/3380V,50HZ P=1.6MPa1 套 热泵机房内A-11 冷冻水变频 变频补水机组 配置 2 台立式多级离心泵参数 1 套 热泵机房内
8、定压补水装置 G=10m/h H=900kPa N=5.5kW/3380V,50HZ P=1.6MPa 缓冲罐1 个1000mm2000mm 调节水容积 500LA-12 软化水箱 不锈钢组合式水箱 V=30m 4m3m2.5m 1 台A-13 全自动 软化水装置 SLWRS-8 处理水量 79.2m/h 1 套热泵机房内A-14 空气处理机 LCAC-3 3000 m/h P=190Pa N=0.55KW/3380V,50HZ 1 台 消防控制室A-15 空气处理机 LCAC-6 6000m3/h P=200Pa N=1.5kW/3380V,50HZ 1 台 配电控制室A-16 新风机组 X
9、F-01 15000m3/h P=400PaN=4.0kW/3380V,50HZ 1 台 地下室走道A-17 新风机组 XF-02 20000m3/h P=400PaN=5.5kW/3380V,50HZ 1 台 热泵机房内A-18 热回收式 新风机组 PAU-3 2500 m/h N=0.5+0.4kW/3380V,50HZ 1 台 楼层走廊A-19 热回收式 新风机组 PAU-1 3000 m/h N=1.1+0.4kW/3380V,50HZ 33 台 楼层走廊A-20 风机盘管 FP-006 Q=930kg/h P=30Pa N=97W/220V,50HZ 721 台 办公房内A-21 风
10、机盘管 FP-007 Q=1040kg/h P=30PaN=120W/220V,50HZ 45 台 办公房内A-22 风机盘管 FP-008 Q=1260kg/h P=30Pa N=138W/220V,50HZ 195 台 办公房内A-23 风机盘管 FP-010 Q=1490kg/h P=30PaN=163W/220V,50HZ 16 台 办公房内3 地源热泵的组成地源热泵主要由四个部件组成:即压缩机、冷凝器、膨胀器和调节阀,其中压缩机是地源热泵的最主要部件,是热传导的动力源;冷凝器和膨胀器是地源热泵吸热和放热的部件;调节阀是地源热泵的控制部件。地源热泵内部热转换如图 1 所示。图1 地源热
11、泵内部热转换3.1、压缩机压缩机是用于压缩气体借以提高气体压力的机械。根据其工作原理和构造,压缩机可分为容积型和速度型两大类。容积型压缩机包含有活塞式和回转式;速度型压缩机有离心式和轴流式两种。3.2、冷凝器冷凝器的作用是将高压、过热的制冷剂蒸气凝结为液体,同时将热量传导给周围的冷却介质。在地源热泵供暖的场合,与冷凝器连接的是地上传热系统,即室内采暖循环,冷凝器从制冷剂中吸取热量, 加温循环的采暖水,完成地源热泵整个热传导过程。在制冷场合, 冷凝器连接着地下循环系统, 从制冷剂中吸取的热量传导给地下循环水,将热量带至地下,完成地源热泵的整个热传导过程。根据冷却介质和冷却方式的不同,冷凝器可分为
12、三类:水冷式冷凝器、空气式冷凝器和蒸发式冷凝器。地源热泵全都采用水冷式冷凝器,其特点是传热效率高,结构紧凑。水冷式冷凝器有立式壳管式、卧式壳管式和套管式,工作原理和效率相差不大,可根据需要选取。3.3、膨胀器膨胀器的作用是使制冷剂汽化,从循环水系统中吸取热量,同时使循环介质的温度降低。其工作原理是:在供暖场合,由地下循环系统抽到膨胀器中的循环水经过膨胀器而释放能量,使得制冷剂由液态蒸发(沸腾) 成为气态,同时循环水温度降低,重新注入地下。在此过程中,热量从地下循环系统传递到地源热泵制冷循环的制冷剂中,完成了热传导的第一步。在制冷场合,地上循环系统的传热液体进入膨胀器,将建筑物内的热量传导至制冷
13、剂中,也完成了热传导的第一步。根据被冷却介质种类的不同,膨胀器可分为冷却液体的膨胀器和冷却空气的膨胀器。地源热泵采用的都是前者。常用于地源热泵的有壳管卧式膨胀器、干式膨胀器和沉浸式膨胀器,其中沉浸式膨胀器又有立管式、双螺旋管式和盘管式三种。3.4、调节阀调节阀是制冷装置的制冷剂节流机构,是实现制冷循环不可缺少的部件。调节阀的主要功能有:对高压液态制冷剂节流降压,保证冷凝器和膨胀器之间的压力差,使进入膨胀器的制冷剂在要求的低压下蒸发、吸热,从而达到热传导的目的;调整进入膨胀器中的制冷剂流量,以适应膨胀器的热负荷变化,保证制冷装置正常运行。调节阀的种类比较多,有手动调节阀、浮球调节阀、热力膨胀阀和
14、热电膨胀阀等。目前浮球调节阀和热力膨胀阀应用较多,手动调节阀已被淘汰;而热电调节阀与变频压缩机组成的制冷系统是比较先进的技术,能够得到最佳的匹配。4 地源热泵特点4.1、属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于 400 米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，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、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
15、的可再生能源一种形式。4.2、属经济有效的节能技术地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，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%，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济性。设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户 3040的供热制冷空调的运行费用。4.3、环境效益显著系统运行没有任何污染，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。4.4、一机多用，应用
16、范围广地源热泵系统可供冷、暖空调，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；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外，机组使用寿命长，均在 15 年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。5 地源热泵工作原理地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，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” 。其工作原理是:利用地壳浅层的恒温特性,在冬季采
17、暖时,低温地热加热人工注入的采热媒体(一般为水或水和防冻液的混合物) ,经过地源热泵释放能量,再循环注入地下加温;在夏季制冷时,地上循环系统将建筑物内的热量经过地源热泵交换到地下循环系统中,通过封闭循环将热导至地壳内。地源热泵机组其原理如图 2 所示。图 2 地源热泵机组原理地源热泵机组实际为单级蒸气压缩式制冷循环，它由四大件组成：压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。低温低压的气态制冷剂经过压缩机压缩后变为高温高压的气体，该气体到达冷凝器中冷凝为液体，同时放出大量的热。冷凝后的制冷剂高压液体通过节流阀使自身压力降低，这时已经有一部分液体汽化，剩余的低温低压气液两相混合状态进入蒸发器，在蒸发器中完全
18、蒸发成气体，同时吸收热量（也可理解为放出冷量） 。这就是整个制冷循环的过程，制冷剂的变化过程如图 3 所示。图 3 制冷循环中制冷剂的变化过程6 地源热泵空调系统施工工艺地源热泵空调系统主要分三部分：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。地源热泵机组和室内采暖空调末端系统的施工与人们常用的施工方法相同，本文不作介绍，主要介绍室外地埋管的施工。地埋管道的施工主要包括 2 部分，分别为垂直埋管和水平埋管。水平埋管是在地沟中埋管，地沟深为 2 m。垂直埋管是在地下钻机成孔，孔中下管，灌浆回填。钻孔深度为 120 m，使用双 u 形管。地埋管均采用专用地源热泵专用 PE 管，热熔连接。
19、使用寿命长达 50 a以上，可与建筑物寿命相当。垂直埋管为 De32 ，水平埋管为 De100。6.1、垂直埋管系统的施工：6.1.1、钻孔。垂直埋管的钻孔深度为 120 m，间距为 5 m，孔径为 150。施工中使用钻机钻孔，钻孔完毕后孔壁必须保持完整，施工要求钻孔深度误差不大于 5 cm，垂直度小于 l孔深，根据地层的不同，采用不同的钻进工艺，直至达到设计要求的孔深。6.1.2、下 u 型管。由工人操作将试完压（将连接好的管道，在下管前进行打压试验）的管线向井内敷设。下管时注意保护管道，防止管道与地面、钻机架及其它粗糙面发生摩擦，以免管道划伤。同时要求保证管道不扭曲、变形。连接钻杆下管时，
20、确保连接处结实，下到孔底提钻杆时，禁止回钻转，以免钻杆连接处断开，造成损失。6.1.3、回灌填充材料。填充材料用以填充 u 型管与钻孔孔壁间的间隙，要求其具有更好的传热性能。选用水泥砂浆作为回灌材料，每立方米砂浆配合比为：砂子 l450 kg，水泥 300 kg，膨胀剂 UAE 替代 10水泥。水泥砂浆回灌时使用砂浆搅拌机进行砂浆搅拌，砂浆注浆泵回灌，回灌时使用尼龙导管从井底向上进行，直至水泥砂浆密实填满管井为止。6.2、水平埋管系统的施工：6.2.1、放线定位。根据施工图纸的位置，结合现场实际安装孔的位置情况和地下管网及管井位置的情况，现场确定水平管线的位置，并做好标记。6.2.2、管沟开挖
21、。根据现场的实际放线及定位，挖上宽为 1200、下宽为 600、深度根据图纸标定确定的梯形管沟。沟底须进行清理，如沟底情况恶劣，硬物较多，应将管沟内硬物清除干净。6.2.3、管道敷设。管沟挖好后进行管道敷设。热熔管材时的环境温度不应低于 5，如低于 5要进行预热，使其达到热熔要求。敷设完成后进行水压试验，试验合格后进行回填。7 地源热泵技术的发展趋势地源热泵与中央空调相连接的供热/ 制冷系统是目前的发展趋势。综合利用低品位热能、高效率利用热能、简单化和一体化的地源热泵系统等都是目前地源热泵系统技术的前沿课题。根据地源热泵 20 年来的发展趋势,其系统技术的发展大致有如下三个方向:1) 综合利用
22、热能的趋势。将来的地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和制冷,更趋向于将供热的废弃能量(冷能) 和制冷的废弃能量(热能) 综合利用,比如用供热的废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等,用制冷的废弃热能供应温室养殖、种植和生活热水等。2) 一体化趋势。随着新材料和新工艺的开发,将来的地源热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化,使采热和传热的效率更高。3) 实地建造的趋势。随着人们对居住和生活环境要求的不断提高,越来越多的建筑物需要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此,充分利用建筑物的空间和周边的自然环境和自然能源,因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热泵系统也将是一个发展方向。8 结束语地源热泵系统是我国近年来迅速发展的新型空调系统，是一种环保、节能的能源利用方式。我们必须积极引进国外成熟的先进技术和经验，并结合当地的水文，气象，经济等情况而逐步推广应用。地源热泵系统的设计理论还需要在实践中不断完善。相信随着我国可持续发展战略的实施和国家对环保、节能的高度重视，地源热泵系统必将有着广阔的发展前景。
