地源熱泵的分類型式、原理
時(shí)間:2022-02-23
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一、地源熱泵系統(tǒng)的分類
1.埋管式地源熱泵系統(tǒng)也稱地下耦合熱泵系統(tǒng)或土壤熱交換器地源熱泵，包括一個(gè)土壤耦合地?zé)峤粨Q器。它或是水平安裝在地溝中，或是以U形管狀垂直安裝在豎井之中。通過中間介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質(zhì)在土壤耦合地?zé)峤粨Q器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行熱交換的目的。
1）水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。
比較簡單的方式是當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較小，土壤換熱器長度比較短，可以把與單回路管子隨開挖土方施工直接埋入地下。
當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較大，土壤換熱器長度比較長，就需要考慮換熱器的布置問題，常有的布置方式有以下兩種。
?。╝）串聯(lián)式水平埋管
?。╞）并聯(lián)式水平埋管
2）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)
?。╝）比較簡單的方式是，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較小，土壤換熱器長度比較短，換熱器井?dāng)?shù)比較少，可以直接接入機(jī)房。
?。╞）當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較大，土壤換熱器長度比較長，就需要考慮換熱器井群的布置問題，一般是若干口井匯集到集水器中，然后統(tǒng)一由干管接入機(jī)房。
?。╟）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊形式叫：樁基換熱器（或叫做能量樁），即在樁基里布設(shè)在換熱管道。
?。╠）地?zé)嶂悄軜?，類似樁基換熱器，由橋板中埋管的地源熱泵自動(dòng)融雪的橋被稱為地?zé)嶂悄軜?。雪落到橋面后，這些盤管利用地?zé)釋⒀┤诨?。地源熱泵的開啟靠輸入的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)來控制。
3）螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)
?。╝）長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)
?。╞）長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（盤旋布置埋管地源熱泵系統(tǒng)）
?。╟）埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊布置形式叫： 溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)，也有學(xué)者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統(tǒng)。
2. 地下水熱泵系統(tǒng)
也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。
無論是深井水，還是地下熱水都是熱泵的良好的低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動(dòng)很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運(yùn)行十分有利。深井水的水溫一般月比當(dāng)?shù)貧鉁馗?—2℃。
通常系統(tǒng)包括帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運(yùn)行。
單井換熱熱井，也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國外常稱為“熱井”。在這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護(hù)套，直徑和孔徑一直；在地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設(shè)施。熱泵機(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一部分在地下水位以下進(jìn)入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機(jī)組供水。這一方式主要應(yīng)用于巖石地層，典型孔徑為150mm，孔深450m。
3.地表水熱泵系統(tǒng)
由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū)需要進(jìn)行防凍處理。利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。
4.直接膨脹式
它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的蒸發(fā)器直接埋入地下進(jìn)行換熱，即制冷劑直接進(jìn)入地下回路進(jìn)行換熱，由于取消了板式或者套管式式換熱器，換熱效率有所提高，但是由于制冷劑使用量比較大，整體經(jīng)濟(jì)性和安全性不高。
二、地源熱泵應(yīng)用方式
地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類。
1.家用系統(tǒng)
用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風(fēng)管輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。
2.商用系統(tǒng)
從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。
1）集中系統(tǒng)
熱泵布置在機(jī)房內(nèi)，冷熱量集中通過風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。
2）分散系統(tǒng)
用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨(dú)使用自己的熱泵機(jī)組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學(xué)校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反映在用電上。便于計(jì)量，適用于目前的獨(dú)立熱計(jì)量要求。
3）混合系統(tǒng)
將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。
南方地區(qū)，冷負(fù)荷大，熱負(fù)荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負(fù)荷大，冷負(fù)荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。
分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。
4）水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)
它由許多臺(tái)水源熱泵空調(diào)機(jī)組成。這些機(jī)組由一個(gè)閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調(diào)工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。
夏季運(yùn)行：全部或大多數(shù)機(jī)組為供冷，熱量由水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。
春季/秋季運(yùn)行：對有內(nèi)區(qū)與周邊區(qū)的建筑物，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱，內(nèi)區(qū)的熱量就可被周邊區(qū)所利用，即內(nèi)區(qū)空調(diào)的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時(shí)，室外的冷熱源可以停運(yùn)。這種制冷供熱同時(shí)進(jìn)行，能量在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移，運(yùn)行費(fèi)用最少，節(jié)能效果明顯。
三、地源熱泵機(jī)組供冷、供暖運(yùn)行原理
下圖是地源熱泵機(jī)組供冷、供暖運(yùn)行原理圖。
夏季：冷凝器一側(cè)：（如前地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行原理所講）將從深井取出的低溫水，或者是與深井低溫水（土壤中的含水層）換熱后的冷水直接通過水泵送入冷凝器，如下圖從進(jìn)水口1進(jìn)入，低溫水在冷凝器中與高溫高壓的氟里昂進(jìn)行熱交換，把氟里昂的熱量帶走，降低氟里昂的溫度。得到熱量后溫度升高的水源從冷凝器出水口1出來回灌至地下（或者再次與地下水換熱，得到低溫冷水）。完成一次冷卻過程/循環(huán)。
蒸發(fā)器一側(cè)：用戶端循環(huán)水進(jìn)入蒸發(fā)器，如圖從進(jìn)水口2進(jìn)入，蒸發(fā)器中氟里昂蒸發(fā)吸熱，帶走水中的熱量，使循環(huán)水溫度降低（按國家標(biāo)準(zhǔn)一般降至7℃），冷凍水經(jīng)過水泵做功送至用戶端，達(dá)到制冷的效果。
冬季：冷凝器一側(cè)：通過外管路切換，用戶端循環(huán)水進(jìn)入冷凝器，如圖從進(jìn)水口1進(jìn)入，低溫水（約40℃左右）在冷凝器中與高溫高壓的氟里昂進(jìn)行熱交換，把氟里昂的熱量帶走，降低氟里昂的溫度。得到熱量后用戶端管路水溫度升高，熱水（一般在40-60℃之間）再經(jīng)過水泵做功送至用戶端，給建筑物供暖。
蒸發(fā)器一側(cè)：將從深井取出的低溫水，或者是與深井低溫水換熱后的冷水直接通過水泵送入蒸發(fā)器，如圖從進(jìn)水口2進(jìn)入，蒸發(fā)器中氟里昂蒸發(fā)吸熱，帶走水中的熱量，使井水溫度降低（一般可以降至7℃），然后從出水口2出來回灌至地下（或者再次與地下水換熱，得到較高溫度的水源）。完成一次取熱過程/循環(huán)。
