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地源熱泵原理簡述

保定地源熱泵住宅大型機組，為自然現象，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：“熱量不可能自發由低溫傳遞到高溫”。但人們可以創造機器，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。所以地源熱泵實質上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環境介質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，這就是地源熱泵節能的原理。

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

在制冷狀態下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環。通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的蒸發將室內空氣循環所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環的同時再通過冷媒/水熱交換器內冷媒的冷凝，由水路循環將冷媒所攜帶的熱量吸收，zui終由水路循環轉移至地下水或土壤里。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中，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

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

地源熱泵設備選型：分區水源熱泵機組選擇

一旦確定了地源熱泵系統類型，就可以選擇每個分區的水源熱泵機組。首先根據機組在分區中所要安裝的位置，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；垂直式機組適合安裝在壁櫥或機房里等。

地源熱泵系統設計：地埋管地源熱泵系統設計

地源熱泵系統設計主要包括兩大部分：一是建筑物內的空調系統設計，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、室內整個空調系統的風系統和水系統設計；二是室外地能換熱系統的設計，即地埋管地源熱泵系統中的地埋管換熱器、地下水熱泵系統中的水井系統以及地表水熱泵系統中的地表水換熱器的設計，這部分是地源熱泵系統有別于其他系統之所在。

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的地埋管換熱器為水平埋管。換熱管路埋置在垂直鉆孔內的地埋管換熱器為垂直埋管。

地源熱泵設備選型：地埋管換熱器環路形式選擇

地埋管換熱器中流體流動的環路形式有串聯和并聯兩種。在串統中，幾個井（水平管為管溝）只有一個流動通路；并聯方式是一個井（管溝）有一個流動通路，數個井有數個流動通路。

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、系統才能正常運行，對管材特殊性要求如下：

對管材質量的要求；選擇地埋管規格；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，不受外部環境干擾。這個溫度夏季低于環境溫度，冬季高于環境溫度，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，經過水源熱泵換熱器進行取能，滿足主機正常運轉，然后再經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水管路系統與地層巖土進行換熱，換熱后的循環水將能量傳給水源熱泵主機，實現能量供給。通常也稱這個系統為：“閉式地源熱泵系統”或“地耦合地源熱泵系統”；埋在地下的封閉循環管路稱為“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，每個溝內埋設2、4或者6根塑料管，并連形成封閉網狀系統；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，再整個連成封閉網狀系統。

技術要點

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、充分對當地地層進行了解，如有條件要對地層巖土的傳熱系數、熱擴散系數進行測量，科學計算或估算所需地熱換熱器的管長。

C、平埋時應根據當地凍土層厚度確保合理的埋管深度，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地凍土層厚度以下。

D、閉式系統進行聯網連接時，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節。

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，將污水中低品質的恒溫能量“汲取”出來，實現夏季供冷、冬季供暖、生活熱水全年保障的“三聯供”，創造性的化污為“寶”，變成可利用的再生能源，是節能減排的一個新途徑。污水水源中含有固態雜質，需要加裝污水全自動除污設備進行處理，由于水質具有一定的腐蝕性，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，達到規定的水質標準，可在一定范圍內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河道、水景湖等處，所以在輸送過程中溫度受外界環境影響不大。一個中等規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對該水源中的量加以利用，實現夏季供冷、冬季供暖、生活熱水全年保障的“三聯供”。中水的取用一般是經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、技術要點

A、中水水質潔凈，可以直接進入主機進行換熱，工藝簡單、方便。根據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兩種材質管道的無泄漏對接是一個關鍵技術。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、在機房內中水回水管路上，安裝一臺合適的增壓循環泵，主要是為了補充所取用的中水在機房內管路上的壓力損失，以便于回到中水主管路時能順利匯入。

污水、中水水源熱泵系統必須確保穩定、連續的充足水源供應，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，從而造成系統不能正常運行。工業尾水取能方式

1、基本介紹

在很多工業生產過程中會產生大量的熱能，在保證生產工藝需要后，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，把熱量換取到二次能源水中，再使用水源熱泵技術加以提取利用。采用這種技術既可以達到廢熱利用，節約能源的目的，又可以與生產工藝緊密結合，實現工藝目的，降低生產成本。

2、技術要點

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

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

C、采用熱管等科學合理的技術手段，將多種形式的生產廢熱回收并用水作為介質輸出，達到節能降耗的目的，實現生產、供暖雙功能。

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

1、基本介紹

地熱水是指水井深度在1000米以下、溫度在40℃--90℃的溫泉水。地熱水常用來直接供暖，尾水排走時水溫仍然在30--35℃左右。為了有效利用低溫尾水，使用水源熱泵技術提取利用其中的熱能，根據供暖系統的需要制取出水溫在45—80℃的取暖用水，在原有水量條件下，供暖面積可大大增加。

2、技術要點

A、根據尾水的溫度、流量及可提取溫差準確計算通過尾水所能提取的能量，由此，再結合建筑物的需熱量，計算出可以供應的建筑物面積。

B、工藝原理圖可參照工業廢水取能工藝圖。尾水可循環利用直至zui終排出的水溫降至3℃。水源熱泵項目的前期要了解建筑物周邊是否有空余場地可以用來打井；了解當地政府是否允許開鑿水源熱泵水井，有哪些規定和辦理程序；通過*門和地質勘探部門了解地下水狀況、水井工藝要求、打井成本、水質、水量、水溫等詳細資料。

空調水井一般采用鉆機施工，根據地層結構不同選擇采用回旋鉆或沖擊鉆。水井開孔直徑一般為600毫米左右；井管常采用鋼管、球墨鑄鐵管、高壓水泥管等，直徑一般在300毫米左右；井管和泥孔壁之間用濾料填實，濾料一般采用直徑2毫米至20毫米不等的優質石英砂等材料，上部用粘土球填實（基巖地質結構一般只需下骨架管，無需下井管）。井口制作閥門井池，安裝閥門、管道等設施，井池上方地面上安裝一個鑄鐵井蓋，不影響地面景觀與用途。

地源熱泵優點  

1、屬再生能源利用技術  地源熱泵是利用了地球土壤所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽輻射能量，比人類第年利用能量的500倍還多，而且是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散的相對的均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術

在制熱狀態下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，并通過水路切換將水流動方向換向。由地下土壤換熱器循環吸收地下水或土壤里的熱量，通過冷媒/水熱交換器的冷媒的蒸發，將水路循中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環同時，再通過冷媒/空氣熱交換器內的冷媒的冷凝，由空氣循環將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉移至室內的過程中。以35-50℃的熱風的形式向室內供暖，

地源熱泵優點  

1、屬再生能源利用技術  地源熱泵是利用了地球土壤所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽輻射能量，比人類第年利用能量的500倍還多，而且是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散的相對的均衡。這使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。

2、綠色環保  沒有燃燒過程，避免了排放任何煙塵及有害物質，社會效益顯著。 自由運用地熱資源，既解決了熱污染問題，又進一步提高能效比。沒有冷卻塔，減少冷卻塔水污染，杜絕“軍團病菌”對人體損害。 無室外機，不會產生令人不適的熱島效應。

3、高效節能  地源熱泵機組可利用的土壤溫度冬季為16-18℃，土壤溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高。而夏季土壤溫度為18-25℃，土壤溫度比環境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式及家用空調，機組效率提高。設計安裝良好的地源熱泵空調系統，平均來說可以節約用戶30-40%的供熱制冷空調的運行費用，其節能效果明顯。 

4、節水省地、靈活安全  以土壤為源體，向其吸收或放出能量，即不消耗水資源，也不會對其造成污染。 

常規的冷卻塔每小時5%水量損耗，沒有冷卻塔飄水對環境的污染。省去了鍋爐房，冷卻塔及附屬的油罐、蓄熱水箱等面積，節約機房空間。 真正做到“一機兩用”。利用地下水熱泵冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷，提高了設備的利用率。 

機組可靈活地安置在任何地方，節約空間，系統末端亦可作多種選擇。 無儲煤、儲油罐等衛生及安全隱患。自動化程度高，無需專業人員操控。 

地源熱泵空調系統主機等設備 放置在的機房內，機組振動小，噪音小。對用戶無干擾。

5、運行穩定可靠     

地下土壤的溫度一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源的空調冷源，機組的運行工況穩定，由于散熱、取熱均依靠深層土壤不受環境溫度變化的影響，即使在寒冷的冬季制熱量也不會衰減，更無結霜除霜之慮了，克服了家用空調因外界氣溫的變化引起的多耗電，效果差等弊端。  而常規的風冷熱泵、家用空調器運行效果夏季隨著室外溫度的上升而下降，冬季隨著室外溫度的下降而下降。

6、環境效益顯著  地源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發電時，消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節能的設備本身的污染就小。設計良好的地源熱泵機組折電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當于減少30%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上地源熱泵技術采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質。沒有燃燒過程，避免了排放任何煙塵及有害物質，社會效益顯著。 

自由運用地熱資源，既解決了熱污染問題，又進一步提高能效比。 沒有冷卻塔，減少冷卻塔水污染，杜絕“軍團病菌”對人體損害。

7、自動運行  由于散熱、取熱均依靠深層土壤不受環境溫度變化的影響，即使在寒冷的冬季制熱量也不會衰減，更無結霜除霜之慮了。 

不會產生冷量衰減，普通機組夏季高溫時冷卻塔散熱不利，制冷效果下降，直燃機因真空度減少及結垢后會產生每年高達15%以上的能量衰減。  地下埋管采用PE管，耐酸、堿、耐膨脹、不老化，采用熱熔連接不需維護，壽命長達50年以上。

8、系統維護及壽命  系統維修量小，機組故障率極低，而常規的風冷熱泵、家用空調器由于機組在室外風吹雨淋，機組故障率高  地下換熱器壽命達50年以上，機組壽命25年。而一般的家用空調器壽命不到10 年。

技術要點

A、采用這種方式，要根據項目所在地水文地質的實際情況確定適宜的水井深度，開鑿試驗井，再根據試驗井的單井出水量、項目設計總需水量確定出水井數量。為保證井水的循環再生利用效果，根據試驗井的含水層狀況，出水井要配置適當數量的回水井，輔以異層抽灌、加壓回灌、真空回灌、單井回灌等措施，確保井水*可靠地回灌。

B、根據當地地層構造情況以及地下水的流動特性，合理選擇井間距。間距太近，可能會造成地下串水或溫度場的相互影響，使得出水水溫來不及恢復，不能長時間滿足系統運轉；間距太遠，可能造成場地不夠或回灌速度太慢等情況。具體設計也要根據試驗井的含水層狀況確定。

C、嚴格把握水井施工質量，絕不能等同于一般灌溉井的施工。水井施工工藝必須保證出水量、回灌量達到項目設計要求，保證含砂量小于十萬分之一。

D、井水管網采用雙管制，便于水井的功能替換，自動洗井等。

E、如果當地地下水屬較強酸堿腐蝕性，要增加換熱裝置，地下水不直接進主機和機房管線，或采用或采用海水型機組。

地表水水源的取能方式

（一）海水取能方式

1、基本介紹

該取能方式特別適合濱海城市、旅游觀光點、濱海酒店、海島邊防站等項目。海水取能方式的原理和井水取能方式的原理相同，只是這里用海水代替了井水。這種方式需要直接抽取海水，采用海水性水源熱泵機組進行換熱。

2、技術要點

A、海水同時具有化學腐蝕性和生物腐蝕性。海水的抽取、輸送都要采取防腐蝕水泵、管道（一般可采用合適塑料管）。

B、充分進行海水處理。不僅要進行除砂處理，還要進行防垢處理、生物滅殺處理等。

C、根據現場情況合理設計取水安裝方案。要便于安裝、檢修，要保證取水口處的海水深度，要考慮到海浪的沖擊，要考慮到潮位變化。

D、掌握準確的海水冬夏溫度變化的數據，計算正確的海水需用量。

E、我國海岸線綿長，不同地區的水溫、岸邊情況區別較大，需個別特殊設計。根據海水在冬夏季節實際溫度，充分考慮主機的相應工況表現，正確選配機組設備。

雙螺桿壓縮機工作原理：

吸氣過程：氣體經吸氣口分別進入陰陽轉子的齒間容積。

壓縮過程：轉子旋轉時，陰陽轉子齒間容積連通（V型空間），由于齒的互相嚙合，容積逐步縮小，氣體得到壓縮?！　?/span>

排氣過程：壓縮氣體移到排氣口，完成一個工作循環。地源熱泵系統方案設計前，應進行工程場地狀況調查，并應對淺層地熱能資源進行勘查。

1、工程場地狀況調查應包括下列內容：

1）場地規劃面積、形狀及坡度；

2）場地內已有建筑物的占地面積及其分布；

3）場地內樹木植被、池塘、排水溝及架空輸電線、電信電纜的分布；

4）場地內已有的、計劃修建的地下管線和地下構筑物的分布及其埋深；

5）場地內已有水井的位置。

工程場地可利用面積應滿足修建地表水抽水構筑物(地表水換熱系統)或修建地下水抽水井和回灌井(地下水換熱系統)或埋設水平或豎直地埋管換熱器(地埋管換熱系統)的需要。同時應滿足置放和操作施工機具及埋設室外管網的需要。

2、淺層地熱資源的勘察包括以下內容：

1）地埋管換熱系統勘察包括：

巖土層的結構；

巖土體熱物性；

巖土體溫度；

地下水靜水位、水溫、水質及分布；

地下水徑流方向、速度；

凍土層厚度。

采用水平地埋管換熱器時，地埋管換熱系統勘察采用槽探、坑探或研探進行。槽探是為了了解構造線和破碎帶寬度、地層和巖性界限及其延伸方向等在地表挖掘探槽的工程勘察技術。探槽應根據場地形狀確定，探槽的深度一般超過埋管深度1m。采用豎直地埋管換熱器時，地埋管換熱系統勘察采用鉆探進行。鉆探方案應根據場地大小確定，勘探孔深度應比鉆孔至少深5m。

巖土體熱物性指巖土體的熱物性參數，包括巖土體導熱系數、密度及比熱等。若埋管區域已具有部門認可的熱物性參數，可直接采用已有數據，否則應進行巖土體導熱系數、密度及比熱等熱物性測定。