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熱泵型商用空調(diào)實訓考核裝置
熱泵型商用空調(diào)實訓考核裝置的原理及主要特點
一、熱泵與建筑空調(diào)
（一）熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點
1. 熱泵原理
熱泵（制冷機）是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。熱泵與制冷機的工作原理和過程是完全相同的，從熱力學的觀點看都是熱機工作過程的反循環(huán)。熱泵與制冷機在名稱上的差別只是反映了在應用的目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵，反之則稱為制冷機。
熱泵式空調(diào)器主要包含：室內(nèi)換熱器、室外換熱器、壓縮機、毛細管、氣液分離器和四通閥等部件。
當熱泵型空調(diào)器運行于制冷工況時，四通閥換向使圖中實線接通。這時，室內(nèi)換熱器成為蒸發(fā)器，而室外換熱器成為冷凝器。從室內(nèi)換熱器來的低溫低壓過熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進入氣液分離器．分離出液體后，干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出，氣體經(jīng)四通閥進入室外換熱器放熱冷凝，成為過冷液。過冷液經(jīng)毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體，進入室內(nèi)換熱器蒸發(fā)吸熱(此時室內(nèi)空氣被降溫)，再一次經(jīng)四通閥和氣液分離器進入下一循環(huán)。
當熱泵型空調(diào)機運行于制熱工況時，四通閥換向線接通。這時室內(nèi)換熱器成為冷凝器，室外換熱器成為蒸發(fā)器。從室外換熱器來的低溫低壓過熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進入氣液分離器，分離出液體后，干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出，氣體經(jīng)四通閥進入室內(nèi)換熱器放熱冷凝(此時，室內(nèi)空氣被加熱)．成為過冷液，過冷液經(jīng)毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體．進入室外換熱器蒸發(fā)吸熱，隨后過熱氣經(jīng)四通閥和氣液分離器進入下一循環(huán)。
為防止制熱時因除霜導致室內(nèi)舒適性下降，采用了熱氣旁通不間斷制熱除霜方式。除霜時，運行原理基本與制熱相同，只是將融霜電磁閥打開。從壓縮機出來的高溫高壓的過熱氣有一部分被分流到室外換熱器的人口，迅速把室外換熱器的溫度提高到O℃以上，融掉室外換熱器上的霜層，使換熱器保持良好的換熱效率。
2. 主要特點
建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設置冷源（制冷機）和熱源（鍋爐）。燃煤鍋爐是*主要的大氣污染源，中小型燃煤鍋爐在城市中已被逐步淘汰；
燃油和天然氣的鍋爐雖然減輕了對大氣的污染，但排放的溫室效應氣體（CO2）仍造成環(huán)境問題，而且運行費用很高。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了很大的初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，徹底解決了大氣污染的問題。
此外，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)還可以兼顧生活熱水供應，特別在制冷（空調(diào)）工況下可利用制冷的廢熱加熱熱水，
不需額外消耗能量。采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產(chǎn)生熱量，并通過若干個傳熱環(huán)節(jié)*終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比）不可能超過100%。如果先利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫熱能發(fā)電，然后利用電能驅(qū)動熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性
能系數(shù)，即供熱量與消耗的電能之比，現(xiàn)在可達到3~4；火力發(fā)電站的效率可達35~58%（高為燃氣聯(lián)合循環(huán)電站）。采用燃料發(fā)電再用熱泵供熱的方式，在現(xiàn)有先進技術(shù)條件下一次能源利用率也可以達到200%以上。用電熱設備（例如電暖氣、電鍋爐，電輻射采暖）也可以把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，為什么還要用熱泵呢？由于用電阻加熱設備把電能轉(zhuǎn)化為熱能的性能系數(shù)(COP) 為1，而在火力發(fā)電廠中由燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能總的效率約為32-50%；因此這種電阻加熱方式總的一次能源利用率很低，是不經(jīng)濟的。
（二）空調(diào)熱泵的分類及其優(yōu)缺點
以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)，其一個熱源就是建筑物內(nèi)部的環(huán)境，就其另一個熱源的性質(zhì)來分，現(xiàn)在常用的有空氣源熱泵、地下水源熱泵和地源熱泵等幾大類。在冬季供熱工況下，
室外空氣、水或大地中的低品位熱量通過熱泵做功而提高溫度以對建筑物供熱。
1． 空氣源熱泵空氣源熱泵利用室外的空氣作為低溫熱源，系統(tǒng)*為簡單，因而初投資*省，現(xiàn)有的家用冷暖空調(diào)器就是這樣的空氣源熱泵?？諝庠礋岜玫娜秉c是室外空氣溫度越低時供熱量越小，特別是當空氣溫度低于-5℃時熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱，熱泵的效率大大降低。此外，
空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜，也損失相當大一部分能量。
2． 地下水源熱泵自上世紀90年代以來山東省等地開發(fā)了“地下水源熱泵”空調(diào)技術(shù)，也稱“地溫空調(diào)”
。它抽取地下水在熱泵中放出熱量后再回灌到地下水層。在熱量的來源上它可歸屬于開式的地源熱泵。推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和保護大氣環(huán)境的效益，對宣傳和推動熱泵技術(shù)在空調(diào)中的應用也起到了積極的作用。但是，這種“地下水源熱泵”技術(shù)也存在明顯的先天缺陷。首先，這種抽取地下水的辦法需要有豐富的地下水為先決條件，如果地下水位較低，水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水資源的流失。即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。水資源是當前*緊缺、*寶貴的資源，任何對水資源的浪費或污染都是絕對不可允許的。因此，對大面積推廣這種技術(shù)應采取慎重的態(tài)度。
3． 地源熱泵 另一種熱泵利用大地作為熱泵系統(tǒng)的熱源的技術(shù)，可以稱之為“地源熱泵”，或“地埋管地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。據(jù)測算，采用地源熱泵供熱時在北方地區(qū)的住宅在一個采暖季節(jié)的供熱費用可在10元/m2以下，約為采用電鍋爐或天然氣鍋爐供熱時的費用的1/3。夏季空調(diào)的電耗也大大減少。簡要的說，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要優(yōu)點是：環(huán)保節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展；一機多用，節(jié)省建筑空間，無需冷卻塔和室外風冷部分，對建筑外觀影響??；運行費用低，投資回報快；全年運行，均衡用電負荷。 現(xiàn)在在國外得到較為廣泛應用的地源熱泵系統(tǒng)采用介質(zhì)流經(jīng)埋在地下的管子與大地（土壤、地層、地下水）進行換熱的模式。地源熱泵（Ground-Source Heat Pump）的概念*早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份*文獻中，在20世紀50年代就已在一些北歐國家的供熱中得到實際應用。由于石油危機的影響，地源熱泵在上世紀70年代得到較大的發(fā)展，但此時主要采用水平埋管的方式。水平埋管占地面積大，而且水平埋管的地熱換熱器受地表氣候變化的影響，效率較低。因此這種水平埋管的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)不適合中國人多地少的國情。自上世紀80年代以來在北美也形成了利用地源熱泵對建筑進行冷熱聯(lián)供的研究和工程實踐的新一輪高潮，技術(shù)逐漸趨于成熟。這一階段的地源熱泵主要采用豎直埋管的換熱器，埋管的深度通常達60～200米，因此占地面積大大減小，應用范圍也從單獨民居的空調(diào)向較大型的公共建筑擴展。國外在開發(fā)豎直埋管換熱器時對保護地下水資源不受污染給予了高度的重視。在鉆孔、下管以后，再用水泥、膨潤土等材料把井筒密封，杜絕了地面污染物進入地下水層或各地下水層之間互相貫通的可能性。 二、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成及主要型式
（一） 系統(tǒng)組成 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般由三個必需的環(huán)路組成，必要時可增加第四個預熱生活熱水環(huán)路。如圖1所示。 1．地熱換熱器環(huán)路 由高強度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質(zhì)為水或防凍液。冬季從周圍土壤（地層）吸收熱量，夏季向土壤（地層）釋放熱量，其循環(huán)有一臺低功率的循環(huán)泵來實現(xiàn)。 2．制冷劑環(huán)路 即在熱泵機組內(nèi)部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣－制冷劑換熱器換成水－制冷劑換熱器，其它結(jié)構(gòu)基本相同。 3．室內(nèi)環(huán)路 室內(nèi)環(huán)路在建筑物內(nèi)和熱泵機組之間傳遞熱量，傳遞熱量的介質(zhì)有空氣、水或制冷劑等，因而相應的熱泵機組分別應為水—空氣熱泵機組、水—水熱泵機組或水—制冷劑熱泵機組。 4．生活熱水環(huán)路 將水從生活熱水箱送到冷凝器去進行循環(huán)的封閉加熱環(huán)路，是一個可供選擇的環(huán)路。對于夏季工況，該循環(huán)可充分利用冷凝器排放的熱量，不消耗額外的能量而得到熱水供應；在冬季或過渡季，其耗能也大大低于電熱水器。供熱循環(huán)和制冷循環(huán)可通過熱泵機組的四通換向閥，使制冷劑的流向改變而實現(xiàn)冷熱工況的轉(zhuǎn)換，即內(nèi)部轉(zhuǎn)換。也可通過互換冷卻水和冷凍水的熱泵進出口而實現(xiàn)，即外部轉(zhuǎn)換。
（三） 主要型式 地源熱泵的地下環(huán)路中的介質(zhì)是水或防凍液溶液，根據(jù)其供熱（冷）介質(zhì)（承擔室內(nèi)負荷的介質(zhì)）的組合方式不同，地源熱泵主機可分為： 水－水系統(tǒng)、水－冷劑系統(tǒng)、水－空氣系統(tǒng)熱泵。與此相應的空調(diào)系統(tǒng)型式主要有三種：
1．水－水系統(tǒng) 水－水系統(tǒng)熱泵主機的制冷工況與普通冷水機組的功能相同，即它是空調(diào)系統(tǒng)的冷源，為各種空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置提供冷凍水（二次冷媒）。不同的是它所具有的供熱工況－熱泵運行方式，能夠為空調(diào)系統(tǒng)提供45～550C的熱水。在選用該型主機時，應著重注意兩點：一是空調(diào)系統(tǒng)供熱工況或供暖方式末端裝置的選擇、設計應與熱媒參數(shù)相匹配；二是該型主機制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換一般是通過機外二次冷媒水與地熱換熱器循環(huán)水流道切換實現(xiàn)的。因此水系統(tǒng)的設計應滿足這一要求。
2．水－冷劑系統(tǒng) 水－冷劑系統(tǒng)熱泵主機與冷、熱兩用的家用分體式空調(diào)的工作原理基本相同。不同的是它利用地熱換熱器循環(huán)水作為熱泵制冷工況的冷卻水和供熱工況的低溫熱源。家用分體空調(diào)中體積龐大、噪聲污染嚴重的室外機被兩根循環(huán)水管所取代。由該型熱泵主機組成的空調(diào)系統(tǒng)與風機盤管系統(tǒng)基本相同。只是前者承擔室內(nèi)負荷的是制冷劑，而后者是冷凍（熱）水。因此，該型熱泵主機的選擇、設計、安裝與控制可參照風機盤管系統(tǒng)進行。
3．水－空氣系統(tǒng) 水－空氣系統(tǒng)熱泵主機與全空氣系統(tǒng)中空調(diào)機組的作用相同。不同的是前者自身具備冷熱源，其蒸發(fā)器（或冷凝器）相當于空調(diào)機組的表冷器（或加熱器）。因此，該型熱泵主機的熱效率高于水－水系統(tǒng)熱泵主機。在不需要二次冷（熱）媒的情況下，宜優(yōu)先考慮選用這種主機。該機組的選擇設計方法與空調(diào)機組的基本相同。應注意的是二者的熱媒參數(shù)有所不同，在確定加熱器（冷凝器）面積時應區(qū)別對待。三、地源熱泵空調(diào)技術(shù)研究開發(fā)的主要成果
（一）主要研究成果 地熱換熱器設計是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性和運行的可靠性。地熱換熱器所需埋管的總長度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負荷的情況作詳細的計算才能確定。設置地熱換熱器的費用，其中主要是鉆孔的費用，構(gòu)成地源熱泵系統(tǒng)初投資的1/4 ~ 1/3，因此正確設計地熱換熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性十分重要。由于影響因素很多、數(shù)學模型復雜，建議采用地熱換熱器設計計算軟件進行設計計算，可以避免盲目估算帶來的失誤。其中地下巖土的熱物性對傳熱能力的影響很大，建議采用現(xiàn)場實測的方法確定地下巖土的熱物性。 山東建筑大學地源熱泵研究所取得的成果包括地熱換熱器傳熱分析、技術(shù)開發(fā)和工程應用三部分。主要成果“地熱綜合利用關(guān)鍵技術(shù)”獲2004年山東省科技進步二等獎，并被列入“建設部節(jié)能省地型建筑推廣應用技術(shù)”。主要創(chuàng)新點和研究成果包括：
1、在國際上首次求得地熱換熱器中傳熱過程三個重要問題的解析解：求得了半無限大介質(zhì)中有限長線熱源非穩(wěn)態(tài)導熱的解析解；提出了鉆孔內(nèi)傳熱的準三維模型，對單U型管和雙U型管換熱器中流體溫度分布和相應的熱阻求得了解析解；有地下水均勻滲流時線熱源引起的非穩(wěn)態(tài)溫度場的解析解。這些成果突破了傳熱學經(jīng)典專著中相關(guān)問題的解析解的深度，是重要的理論創(chuàng)新。
2、開發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的地熱換熱器設計和模擬軟件“地熱之星”,并已開始推廣應用。該軟件以可視化圖形界面和對話框的形式面向用戶,使用戶使用起來簡單明了。
3、進行了深層巖土熱物性測試的理論研究,并開發(fā)了深層巖土熱物性測試儀,已投入實際應用?，F(xiàn)正在申請發(fā)明*。
4、進行了適合于地源熱泵系統(tǒng)應用的熱泵主機的研究,開發(fā)了熱泵主機與地熱換熱器聯(lián)合工作的計算模擬軟件。
5、結(jié)合我國國情開發(fā)了地源熱泵系統(tǒng)的施工技術(shù)、工具和配件,取得“U型彎頭”和“地熱彈簧”兩項*。
6、地源熱泵技術(shù)的工程應用。研究所在進行理論研究和技術(shù)開發(fā)的同時,十分重視工程實際應用。首先利用研究成果在我校學術(shù)報告廳中進行了地源熱泵空調(diào)工程示范。該工程于2001年5月投入運行,是我國第一個地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實際工程。隨后又在省內(nèi)外陸續(xù)進行了十多個地源熱泵空調(diào)工程的設計與施工,并對其中的一些項目正在進行長期的運行測試,以對理論研究成果進行必要的檢驗與驗證,同時也為地源熱泵技術(shù)的推廣積累經(jīng)驗和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2005年投入運行的濟南市西區(qū)建設指揮部辦公樓工程采用了地埋管地源熱泵系統(tǒng),取得了良好的效果,在濟南市起到了很好的示范作用。
四、地源空調(diào)經(jīng)濟技術(shù)比較及應用展望冷、暖兩用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、清潔、使用長久是毋庸置疑的。也應當指出:由于增加了鉆孔費用,地源熱泵空調(diào)的初投資將增加,同時,埋管也需要占用一些地下空間。那么,地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在初投資和運行費方面比其它空調(diào)方式究競增加多少、減少多少呢?下面根據(jù)濟南地區(qū)現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)定和政策,以建筑面積在300m2~5000m2的中、小型空調(diào)系統(tǒng)為測算對象,對現(xiàn)行常用的幾個空調(diào)系統(tǒng)作一比較,詳見表1、表2,地源熱泵系統(tǒng)用一套設備實現(xiàn)了建筑物的供熱與空調(diào)的兩種要求,取消了鍋爐房,消除了大氣污染,提高了一次能源的利用率,減少了. C02的排放。供熱時比直接電熱方式節(jié)電60%以上;比燃油或燃氣鍋爐的運行費用也大大降低。增加的初投資一般可在3-5年內(nèi)收回。合理確定空調(diào)冷、熱源是空調(diào)方案的主要組成部分。而空調(diào)冷、熱源的選擇常常受到當?shù)噩F(xiàn)有冷、熱源類型、燃料供應及建筑周邊條件等具體情況的制約。合理確定空調(diào)冷、熱源方案,需要設計單位、建設單位及政府有關(guān)部門等各方面的努力和協(xié)作。同時,每種空調(diào)冷、熱源都有其應用條件和適用范圍,應因工程制宜,因地制宜,通過經(jīng)濟技術(shù)分析比較,合理選用。但鼓勵發(fā)展太陽能、地熱等可再生能源應用技術(shù)及空調(diào)制冷節(jié)能技術(shù)是我國政府歷來倡導的并已明文規(guī)定的政策。在條件允許的情況下,使用地源熱泵空調(diào),無疑是一種利國利民的選擇。
在供熱空調(diào)中應用熱泵技術(shù)的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應不足和人民群眾消費水平較低。隨著改革開放以來我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,以上兩個制約因素已不復存在,空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求,并逐漸向農(nóng)村和南方擴展,市場前景很好。而地源熱泵由于其技術(shù)上的優(yōu)勢和節(jié)能的優(yōu)點,將成為中小型建筑空調(diào)冷熱源合理可行的選擇方案之一。用一席之地,得冷暖兩機,將成為越來越多的建筑業(yè)主的共識。表1幾種空調(diào)冷熱源方案的技術(shù)比較方案序號123 4冷源與熱源電壓縮制冷機電熱水鍋爐電壓縮制冷機集中供熱空氣源熱泵供暖設輔助熱源地源熱泵(空調(diào)、供暖兩用)初投資比1 1.151.20 1.30年運行費比1 0.65 0.60 0.48系統(tǒng)主要特點初投資少;運行可靠,需設鍋爐房及冷卻塔;但耗電量太大,浪費高品質(zhì)能源,運行費用高鍋爐房由換熱站取代,符合供熱發(fā)展趨勢,在無入網(wǎng)費時,初投資少;但供暖受外網(wǎng)制約,供暖運行費用較高。節(jié)約設備用房,施工周期短,但室外機影響建筑立面,運行費用較高,不利于環(huán)保、節(jié)能。可省去鍋爐房、冷卻塔等設備;運行費用低;安全可靠;節(jié)能、環(huán)保;維修量小。但初投資較大,占用地下空間。表2地源熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)方式初投資及運行費用比較冷熱源方式及序號項目1234地源熱泵冷水機組與燃氣鍋爐配套冷水機組與城市熱網(wǎng)配套直燃式溴化鋰冷熱水機組冷熱水機組(元/kw冷量) 560~700 560-700 560-700 850-1200燃氣鍋爐(元/kW熱量) 400~550城市熱網(wǎng)(元/m2采暖面積) 100冷卻塔(元kw冷量)無40~60地下鉆孔及埋管(元kW) 800-1200無機房水泵、管道、控制基本相同(20~40元/m2)建筑物空調(diào)末端基本相同(70~110元/m2)初投資概算比較(熱指標100W/m2)初投資(元/m2) 320 240 280 240運行費用比較(熱指標60W/m2,冷指標100W/m2)季節(jié)夏季冬季夏季冬季夏季冬季冬、夏兩季能源形式電電天然氣電供熱網(wǎng)天然氣輕柴油單位kw.h kW.h m3 kwh /m2m3升價格(元) 0.6 0.6 2.5 0.6 22.5 2.5 3熱值1000W 1000W 28480kW 1000W 28480kW 34400kw率5.0 3.5 5.0 0.88 5.0 0.88 0.燃料耗量/m2.h 0.020 0.0172 0.020 0.0086 0.020 /.12.6 26.97 12.6 13.52 12.6 22.57 19.9料費用(元/m2.季) 7.56 16.20 7.56 33.81 7.56 22.5 56.40 67機房運行費用(元/m2.季) 4.5元/m2.兩季冷卻塔運行費用(元/m2.季)無2元/m2.季全年運行費合計(元/m2) 28.26 47.8736.56 62.9 74.21費用比例1 1.69 1.29 2.23 2.6說明: 1、冬、夏季運行天數(shù)分別按140天和90天計,冬季每天運行16小時,夏季每天運行10小時,運行負荷系數(shù)取0.7, 2、機房運行費用和冷卻塔運行費用均指水泵等用電設備運行費用,表中為概算值。3、集中供暖按濟南現(xiàn)行收費標準計。4、單位空調(diào)面積鉆孔費用的高低主要取決于單位空調(diào)面積負荷的大小和當?shù)氐牡刭|(zhì)情況,即單位面積鉆孔的多少和鉆孔的難易程度。
一、熱泵與建筑空調(diào)
（一）熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及主要特點
1. 熱泵原理
熱泵（制冷機）是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。熱泵與制冷機的工作原理和過程是完全相同的，從熱力學的觀點看都是熱機工作過程的反循環(huán)。熱泵與制冷機在名稱上的差別只是反映了在應用的目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵，反之則稱為制冷機。
熱泵式空調(diào)器主要包含：室內(nèi)換熱器、室外換熱器、壓縮機、毛細管、氣液分離器和四通閥等部件。
當熱泵型空調(diào)器運行于制冷工況時，四通閥換向使圖中實線接通。這時，室內(nèi)換熱器成為蒸發(fā)器，而室外換熱器成為冷凝器。從室內(nèi)換熱器來的低溫低壓過熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進入氣液分離器．分離出液體后，干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出，氣體經(jīng)四通閥進入室外換熱器放熱冷凝，成為過冷液。過冷液經(jīng)毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體，進入室內(nèi)換熱器蒸發(fā)吸熱(此時室內(nèi)空氣被降溫)，再一次經(jīng)四通閥和氣液分離器進入下一循環(huán)。
當熱泵型空調(diào)機運行于制熱工況時，四通閥換向線接通。這時室內(nèi)換熱器成為冷凝器，室外換熱器成為蒸發(fā)器。從室外換熱器來的低溫低壓過熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進入氣液分離器，分離出液體后，干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出，氣體經(jīng)四通閥進入室內(nèi)換熱器放熱冷凝(此時，室內(nèi)空氣被加熱)．成為過冷液，過冷液經(jīng)毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體．進入室外換熱器蒸發(fā)吸熱，隨后過熱氣經(jīng)四通閥和氣液分離器進入下一循環(huán)。
為防止制熱時因除霜導致室內(nèi)舒適性下降，采用了熱氣旁通不間斷制熱除霜方式。除霜時，運行原理基本與制熱相同，只是將融霜電磁閥打開。從壓縮機出來的高溫高壓的過熱氣有一部分被分流到室外換熱器的人口，迅速把室外換熱器的溫度提高到O℃以上，融掉室外換熱器上的霜層，使換熱器保持良好的換熱效率。
2. 主要特點
建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設置冷源（制冷機）和熱源（鍋爐）。燃煤鍋爐是*主要的大氣污染源，中小型燃煤鍋爐在城市中已被逐步淘汰；
燃油和天然氣的鍋爐雖然減輕了對大氣的污染，但排放的溫室效應氣體（CO2）仍造成環(huán)境問題，而且運行費用很高。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了很大的初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，徹底解決了大氣污染的問題。
此外，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)還可以兼顧生活熱水供應，特別在制冷（空調(diào)）工況下可利用制冷的廢熱加熱熱水，
不需額外消耗能量。采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產(chǎn)生熱量，并通過若干個傳熱環(huán)節(jié)*終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比）不可能超過100%。如果先利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫熱能發(fā)電，然后利用電能驅(qū)動熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性
能系數(shù)，即供熱量與消耗的電能之比，現(xiàn)在可達到3~4；火力發(fā)電站的效率可達35~58%（高為燃氣聯(lián)合循環(huán)電站）。采用燃料發(fā)電再用熱泵供熱的方式，在現(xiàn)有先進技術(shù)條件下一次能源利用率也可以達到200%以上。用電熱設備（例如電暖氣、電鍋爐，電輻射采暖）也可以把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，為什么還要用熱泵呢？由于用電阻加熱設備把電能轉(zhuǎn)化為熱能的性能系數(shù)(COP) 為1，而在火力發(fā)電廠中由燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能總的效率約為32-50%；因此這種電阻加熱方式總的一次能源利用率很低，是不經(jīng)濟的。
（二）空調(diào)熱泵的分類及其優(yōu)缺點
以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)，其一個熱源就是建筑物內(nèi)部的環(huán)境，就其另一個熱源的性質(zhì)來分，現(xiàn)在常用的有空氣源熱泵、地下水源熱泵和地源熱泵等幾大類。在冬季供熱工況下，
室外空氣、水或大地中的低品位熱量通過熱泵做功而提高溫度以對建筑物供熱。
1． 空氣源熱泵空氣源熱泵利用室外的空氣作為低溫熱源，系統(tǒng)*為簡單，因而初投資*省，現(xiàn)有的家用冷暖空調(diào)器就是這樣的空氣源熱泵?？諝庠礋岜玫娜秉c是室外空氣溫度越低時供熱量越小，特別是當空氣溫度低于-5℃時熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱，熱泵的效率大大降低。此外，
空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜，也損失相當大一部分能量。
2． 地下水源熱泵自上世紀90年代以來山東省等地開發(fā)了“地下水源熱泵”空調(diào)技術(shù)，也稱“地溫空調(diào)”
。它抽取地下水在熱泵中放出熱量后再回灌到地下水層。在熱量的來源上它可歸屬于開式的地源熱泵。推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和保護大氣環(huán)境的效益，對宣傳和推動熱泵技術(shù)在空調(diào)中的應用也起到了積極的作用。但是，這種“地下水源熱泵”技術(shù)也存在明顯的先天缺陷。首先，這種抽取地下水的辦法需要有豐富的地下水為先決條件，如果地下水位較低，水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水資源的流失。即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。水資源是當前*緊缺、*寶貴的資源，任何對水資源的浪費或污染都是絕對不可允許的。因此，對大面積推廣這種技術(shù)應采取慎重的態(tài)度。
3． 地源熱泵 另一種熱泵利用大地作為熱泵系統(tǒng)的熱源的技術(shù)，可以稱之為“地源熱泵”，或“地埋管地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。據(jù)測算，采用地源熱泵供熱時在北方地區(qū)的住宅在一個采暖季節(jié)的供熱費用可在10元/m2以下，約為采用電鍋爐或天然氣鍋爐供熱時的費用的1/3。夏季空調(diào)的電耗也大大減少。簡要的說，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要優(yōu)點是：環(huán)保節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展；一機多用，節(jié)省建筑空間，無需冷卻塔和室外風冷部分，對建筑外觀影響??；運行費用低，投資回報快；全年運行，均衡用電負荷。 現(xiàn)在在國外得到較為廣泛應用的地源熱泵系統(tǒng)采用介質(zhì)流經(jīng)埋在地下的管子與大地（土壤、地層、地下水）進行換熱的模式。地源熱泵（Ground-Source Heat Pump）的概念*早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份*文獻中，在20世紀50年代就已在一些北歐國家的供熱中得到實際應用。由于石油危機的影響，地源熱泵在上世紀70年代得到較大的發(fā)展，但此時主要采用水平埋管的方式。水平埋管占地面積大，而且水平埋管的地熱換熱器受地表氣候變化的影響，效率較低。因此這種水平埋管的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)不適合中國人多地少的國情。自上世紀80年代以來在北美也形成了利用地源熱泵對建筑進行冷熱聯(lián)供的研究和工程實踐的新一輪高潮，技術(shù)逐漸趨于成熟。這一階段的地源熱泵主要采用豎直埋管的換熱器，埋管的深度通常達60～200米，因此占地面積大大減小，應用范圍也從單獨民居的空調(diào)向較大型的公共建筑擴展。國外在開發(fā)豎直埋管換熱器時對保護地下水資源不受污染給予了高度的重視。在鉆孔、下管以后，再用水泥、膨潤土等材料把井筒密封，杜絕了地面污染物進入地下水層或各地下水層之間互相貫通的可能性。 二、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成及主要型式
（一） 系統(tǒng)組成 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般由三個必需的環(huán)路組成，必要時可增加第四個預熱生活熱水環(huán)路。如圖1所示。 1．地熱換熱器環(huán)路 由高強度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質(zhì)為水或防凍液。冬季從周圍土壤（地層）吸收熱量，夏季向土壤（地層）釋放熱量，其循環(huán)有一臺低功率的循環(huán)泵來實現(xiàn)。 2．制冷劑環(huán)路 即在熱泵機組內(nèi)部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣－制冷劑換熱器換成水－制冷劑換熱器，其它結(jié)構(gòu)基本相同。 3．室內(nèi)環(huán)路 室內(nèi)環(huán)路在建筑物內(nèi)和熱泵機組之間傳遞熱量，傳遞熱量的介質(zhì)有空氣、水或制冷劑等，因而相應的熱泵機組分別應為水—空氣熱泵機組、水—水熱泵機組或水—制冷劑熱泵機組。 4．生活熱水環(huán)路 將水從生活熱水箱送到冷凝器去進行循環(huán)的封閉加熱環(huán)路，是一個可供選擇的環(huán)路。對于夏季工況，該循環(huán)可充分利用冷凝器排放的熱量，不消耗額外的能量而得到熱水供應；在冬季或過渡季，其耗能也大大低于電熱水器。供熱循環(huán)和制冷循環(huán)可通過熱泵機組的四通換向閥，使制冷劑的流向改變而實現(xiàn)冷熱工況的轉(zhuǎn)換，即內(nèi)部轉(zhuǎn)換。也可通過互換冷卻水和冷凍水的熱泵進出口而實現(xiàn)，即外部轉(zhuǎn)換。
（三） 主要型式 地源熱泵的地下環(huán)路中的介質(zhì)是水或防凍液溶液，根據(jù)其供熱（冷）介質(zhì)（承擔室內(nèi)負荷的介質(zhì)）的組合方式不同，地源熱泵主機可分為： 水－水系統(tǒng)、水－冷劑系統(tǒng)、水－空氣系統(tǒng)熱泵。與此相應的空調(diào)系統(tǒng)型式主要有三種：
1．水－水系統(tǒng) 水－水系統(tǒng)熱泵主機的制冷工況與普通冷水機組的功能相同，即它是空調(diào)系統(tǒng)的冷源，為各種空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置提供冷凍水（二次冷媒）。不同的是它所具有的供熱工況－熱泵運行方式，能夠為空調(diào)系統(tǒng)提供45～550C的熱水。在選用該型主機時，應著重注意兩點：一是空調(diào)系統(tǒng)供熱工況或供暖方式末端裝置的選擇、設計應與熱媒參數(shù)相匹配；二是該型主機制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換一般是通過機外二次冷媒水與地熱換熱器循環(huán)水流道切換實現(xiàn)的。因此水系統(tǒng)的設計應滿足這一要求。
2．水－冷劑系統(tǒng) 水－冷劑系統(tǒng)熱泵主機與冷、熱兩用的家用分體式空調(diào)的工作原理基本相同。不同的是它利用地熱換熱器循環(huán)水作為熱泵制冷工況的冷卻水和供熱工況的低溫熱源。家用分體空調(diào)中體積龐大、噪聲污染嚴重的室外機被兩根循環(huán)水管所取代。由該型熱泵主機組成的空調(diào)系統(tǒng)與風機盤管系統(tǒng)基本相同。只是前者承擔室內(nèi)負荷的是制冷劑，而后者是冷凍（熱）水。因此，該型熱泵主機的選擇、設計、安裝與控制可參照風機盤管系統(tǒng)進行。
3．水－空氣系統(tǒng) 水－空氣系統(tǒng)熱泵主機與全空氣系統(tǒng)中空調(diào)機組的作用相同。不同的是前者自身具備冷熱源，其蒸發(fā)器（或冷凝器）相當于空調(diào)機組的表冷器（或加熱器）。因此，該型熱泵主機的熱效率高于水－水系統(tǒng)熱泵主機。在不需要二次冷（熱）媒的情況下，宜優(yōu)先考慮選用這種主機。該機組的選擇設計方法與空調(diào)機組的基本相同。應注意的是二者的熱媒參數(shù)有所不同，在確定加熱器（冷凝器）面積時應區(qū)別對待。三、地源熱泵空調(diào)技術(shù)研究開發(fā)的主要成果
（一）主要研究成果 地熱換熱器設計是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性和運行的可靠性。地熱換熱器所需埋管的總長度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負荷的情況作詳細的計算才能確定。設置地熱換熱器的費用，其中主要是鉆孔的費用，構(gòu)成地源熱泵系統(tǒng)初投資的1/4 ~ 1/3，因此正確設計地熱換熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性十分重要。由于影響因素很多、數(shù)學模型復雜，建議采用地熱換熱器設計計算軟件進行設計計算，可以避免盲目估算帶來的失誤。其中地下巖土的熱物性對傳熱能力的影響很大，建議采用現(xiàn)場實測的方法確定地下巖土的熱物性。 山東建筑大學地源熱泵研究所取得的成果包括地熱換熱器傳熱分析、技術(shù)開發(fā)和工程應用三部分。主要成果“地熱綜合利用關(guān)鍵技術(shù)”獲2004年山東省科技進步二等獎，并被列入“建設部節(jié)能省地型建筑推廣應用技術(shù)”。主要創(chuàng)新點和研究成果包括：
1、在國際上首次求得地熱換熱器中傳熱過程三個重要問題的解析解：求得了半無限大介質(zhì)中有限長線熱源非穩(wěn)態(tài)導熱的解析解；提出了鉆孔內(nèi)傳熱的準三維模型，對單U型管和雙U型管換熱器中流體溫度分布和相應的熱阻求得了解析解；有地下水均勻滲流時線熱源引起的非穩(wěn)態(tài)溫度場的解析解。這些成果突破了傳熱學經(jīng)典專著中相關(guān)問題的解析解的深度，是重要的理論創(chuàng)新。
2、開發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的地熱換熱器設計和模擬軟件“地熱之星”,并已開始推廣應用。該軟件以可視化圖形界面和對話框的形式面向用戶,使用戶使用起來簡單明了。
3、進行了深層巖土熱物性測試的理論研究,并開發(fā)了深層巖土熱物性測試儀,已投入實際應用?，F(xiàn)正在申請發(fā)明*。
4、進行了適合于地源熱泵系統(tǒng)應用的熱泵主機的研究,開發(fā)了熱泵主機與地熱換熱器聯(lián)合工作的計算模擬軟件。
5、結(jié)合我國國情開發(fā)了地源熱泵系統(tǒng)的施工技術(shù)、工具和配件,取得“U型彎頭”和“地熱彈簧”兩項*。
6、地源熱泵技術(shù)的工程應用。研究所在進行理論研究和技術(shù)開發(fā)的同時,十分重視工程實際應用。首先利用研究成果在我校學術(shù)報告廳中進行了地源熱泵空調(diào)工程示范。該工程于2001年5月投入運行,是我國第一個地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實際工程。隨后又在省內(nèi)外陸續(xù)進行了十多個地源熱泵空調(diào)工程的設計與施工,并對其中的一些項目正在進行長期的運行測試,以對理論研究成果進行必要的檢驗與驗證,同時也為地源熱泵技術(shù)的推廣積累經(jīng)驗和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2005年投入運行的濟南市西區(qū)建設指揮部辦公樓工程采用了地埋管地源熱泵系統(tǒng),取得了良好的效果,在濟南市起到了很好的示范作用。
四、地源空調(diào)經(jīng)濟技術(shù)比較及應用展望冷、暖兩用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、清潔、使用長久是毋庸置疑的。也應當指出:由于增加了鉆孔費用,地源熱泵空調(diào)的初投資將增加,同時,埋管也需要占用一些地下空間。那么,地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在初投資和運行費方面比其它空調(diào)方式究競增加多少、減少多少呢?下面根據(jù)濟南地區(qū)現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)定和政策,以建筑面積在300m2~5000m2的中、小型空調(diào)系統(tǒng)為測算對象,對現(xiàn)行常用的幾個空調(diào)系統(tǒng)作一比較,詳見表1、表2,地源熱泵系統(tǒng)用一套設備實現(xiàn)了建筑物的供熱與空調(diào)的兩種要求,取消了鍋爐房,消除了大氣污染,提高了一次能源的利用率,減少了. C02的排放。供熱時比直接電熱方式節(jié)電60%以上;比燃油或燃氣鍋爐的運行費用也大大降低。增加的初投資一般可在3-5年內(nèi)收回。合理確定空調(diào)冷、熱源是空調(diào)方案的主要組成部分。而空調(diào)冷、熱源的選擇常常受到當?shù)噩F(xiàn)有冷、熱源類型、燃料供應及建筑周邊條件等具體情況的制約。合理確定空調(diào)冷、熱源方案,需要設計單位、建設單位及政府有關(guān)部門等各方面的努力和協(xié)作。同時,每種空調(diào)冷、熱源都有其應用條件和適用范圍,應因工程制宜,因地制宜,通過經(jīng)濟技術(shù)分析比較,合理選用。但鼓勵發(fā)展太陽能、地熱等可再生能源應用技術(shù)及空調(diào)制冷節(jié)能技術(shù)是我國政府歷來倡導的并已明文規(guī)定的政策。在條件允許的情況下,使用地源熱泵空調(diào),無疑是一種利國利民的選擇。
在供熱空調(diào)中應用熱泵技術(shù)的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應不足和人民群眾消費水平較低。隨著改革開放以來我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,以上兩個制約因素已不復存在,空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求,并逐漸向農(nóng)村和南方擴展,市場前景很好。而地源熱泵由于其技術(shù)上的優(yōu)勢和節(jié)能的優(yōu)點,將成為中小型建筑空調(diào)冷熱源合理可行的選擇方案之一。用一席之地,得冷暖兩機,將成為越來越多的建筑業(yè)主的共識。表1幾種空調(diào)冷熱源方案的技術(shù)比較方案序號123 4冷源與熱源電壓縮制冷機電熱水鍋爐電壓縮制冷機集中供熱空氣源熱泵供暖設輔助熱源地源熱泵(空調(diào)、供暖兩用)初投資比1 1.151.20 1.30年運行費比1 0.65 0.60 0.48系統(tǒng)主要特點初投資少;運行可靠,需設鍋爐房及冷卻塔;但耗電量太大,浪費高品質(zhì)能源,運行費用高鍋爐房由換熱站取代,符合供熱發(fā)展趨勢,在無入網(wǎng)費時,初投資少;但供暖受外網(wǎng)制約,供暖運行費用較高。節(jié)約設備用房,施工周期短,但室外機影響建筑立面,運行費用較高,不利于環(huán)保、節(jié)能。可省去鍋爐房、冷卻塔等設備;運行費用低;安全可靠;節(jié)能、環(huán)保;維修量小。但初投資較大,占用地下空間。表2地源熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)方式初投資及運行費用比較冷熱源方式及序號項目1234地源熱泵冷水機組與燃氣鍋爐配套冷水機組與城市熱網(wǎng)配套直燃式溴化鋰冷熱水機組冷熱水機組(元/kw冷量) 560~700 560-700 560-700 850-1200燃氣鍋爐(元/kW熱量) 400~550城市熱網(wǎng)(元/m2采暖面積) 100冷卻塔(元kw冷量)無40~60地下鉆孔及埋管(元kW) 800-1200無機房水泵、管道、控制基本相同(20~40元/m2)建筑物空調(diào)末端基本相同(70~110元/m2)初投資概算比較(熱指標100W/m2)初投資(元/m2) 320 240 280 240運行費用比較(熱指標60W/m2,冷指標100W/m2)季節(jié)夏季冬季夏季冬季夏季冬季冬、夏兩季能源形式電電天然氣電供熱網(wǎng)天然氣輕柴油單位kw.h kW.h m3 kwh /m2m3升價格(元) 0.6 0.6 2.5 0.6 22.5 2.5 3熱值1000W 1000W 28480kW 1000W 28480kW 34400kw率5.0 3.5 5.0 0.88 5.0 0.88 0.燃料耗量/m2.h 0.020 0.0172 0.020 0.0086 0.020 /.12.6 26.97 12.6 13.52 12.6 22.57 19.9料費用(元/m2.季) 7.56 16.20 7.56 33.81 7.56 22.5 56.40 67機房運行費用(元/m2.季) 4.5元/m2.兩季冷卻塔運行費用(元/m2.季)無2元/m2.季全年運行費合計(元/m2) 28.26 47.8736.56 62.9 74.21費用比例1 1.69 1.29 2.23 2.6說明: 1、冬、夏季運行天數(shù)分別按140天和90天計,冬季每天運行16小時,夏季每天運行10小時,運行負荷系數(shù)取0.7, 2、機房運行費用和冷卻塔運行費用均指水泵等用電設備運行費用,表中為概算值。3、集中供暖按濟南現(xiàn)行收費標準計。4、單位空調(diào)面積鉆孔費用的高低主要取決于單位空調(diào)面積負荷的大小和當?shù)氐牡刭|(zhì)情況,即單位面積鉆孔的多少和鉆孔的難易程度。
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