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地源热泵工作原理、系统类型及应用方式
时间:2013-3-13,点击:0

工作原理

在自然界中,水总是由高处流向低处,热量也总是从高温传向低温。人们可以用水泵把水从低处抽到高处,实现水由低处向高处流动,热泵同样可以把热量从低温传递到高温。
地源热泵系统原理

  地源热泵系统原理

所以热泵实质上是一种热量提升装置,工作时它本身消耗很少一部分电能,却能从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍于电能的装置,提升温度进行利用,这也是热泵节能的原因。 
地源热泵是热泵的一种,是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空调技术,地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利用极小的电力来维持室内所需要的温度。  
在冬天,1千瓦的电力,将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。在夏天,过程相反,室内的热量被热泵转移到土壤或水中,使室内得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复始,将建筑空间和大自然联成一体。以最小的低价获取了最舒适的生活环境。

热泵原理

热泵机组装置主要有:压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成,通过让液态工质(制冷剂或冷媒)不断完成:蒸发(吸取环境中的热量) →压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程,从而将环境里的热量转移到水中。 压缩机(Compressor):起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用,是热泵(制冷)系统的心脏; 蒸发器(Evaporator):是输出冷量的设备,它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发,以吸收被冷却物体的热量,达到制冷的目的; 冷凝器(Condenser):是输出热量的设备,从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走,达到制热的目的; 膨胀阀(Expansion Valve)或节流阀(Throttle):对循环工质起到节流降压作用,并调节进入蒸发器的循环工质流量。 根据热力学第二定律,压缩机所消耗的功(电能)起到补偿作用,使循环工质不断地从低温环境中吸热,并向高温环境放热,周而往复地进行循环。

热泵分类

热泵是需要冷凝器的热量,蒸发器则从环境中吸热,此时从环境取热的对象称为热源;相反制冷是需要蒸发器的冷量,冷凝器则向环境排热,此时向环境排热的对象称为冷源。
蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同,主要分为空气换热和水换热两种形式。 热泵根据与环境换热介质的不同,可分为:水—水式,水—空气式,空气—水式,和空气—空气式共四类。 利用空气作冷热源的热泵,称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史,而且其安装和使用都很方便,应用较广泛。但由于地区空气温度的差别,在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区,冬季平均气温低于零摄氏度,普通空气源热泵不仅运行条件恶劣,稳定性差,而且因为存在结霜问题,效率低下、现在新出了一款超低温空气源热泵专门针对华北地区的,超低温空气源热泵稳定性好,效率高,具有高效除霜功能。 利用水或地热作冷热源的热泵,称之为地源热泵。水和地热是一种优良的热源,其热容量大,传热性能好,一般地源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵,但地源热泵的应用常受到水源或地热的限制。
地源热泵系统按其循环形式可分为:闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。对于闭式循环系统,大部分地下换热器是封闭循环,所用管道为高密度聚乙烯管。管道可以通过垂直井埋入地下150-200英尺深,或水平埋入地下4-6英尺处,也可以置池塘的底部。在冬天,管中的流体从地下抽取热量,带入建筑物中,而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存;¨对于开式循环系统,其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源,在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后,水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点;对于混合循环系统,地下换热器一般按热负荷来计算,夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。

地源热泵原理

地源热泵则是利用水与地能(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源,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”。
左图为开式地源热泵系统。右图为冬季地源热泵供暖原理图。
地源热泵供暖原理图

  地源热泵供暖原理图

空气源  水源  土壤源

系统类型

1.水平式地源热泵
水平式地源热泵

  水平式地源热泵

通过水平埋置于地表面2~4M以下的闭合换热系统,它与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物,如别墅和小型单体楼。该系统初投资和施工难度相对较小,但占地面积较大。
地源热泵
2.垂直式地源热泵
垂直式地源热泵

  垂直式地源热泵

通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M~400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物,周围有一定的空地,如别墅和写字楼等。该系统初投资较高,施工难度相对较大,但占地面积较小。
地源热泵
3.地表水式地源热泵
地表水式地源热泵

  地表水式地源热泵

地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河湖泊海水等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积,临近水边的建筑物。它利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性,不需钻井挖沟,初投资最小。但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。
地源热泵
4.地下水式地源热泵
地下水式地源热泵

  地下水式地源热泵

地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合建筑面积大,周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。
地源热泵应用方式
地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类,从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

家用系统

用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应,多用于小型住宅,别墅等户式空调。

集中系统

热泵布置在机房内,冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

分散系统

用中央水泵,采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源,用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等,此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上,便于计量,适用于目前的独立热计量要求。

混合系统

将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统,混合系统与分散系统非常类似,只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

制冷原理

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。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝,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下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中,通过冷媒-空气热交换器,以13℃以下的冷风的形式为房供冷。

制热原理

在制热状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量,通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发,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冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝,由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。地源热泵将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。
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