地源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用

邸作述編

2010.9于武漢

地源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用

——巖土工程的一個新的延伸

——巖土工程在節(jié)能減排中應(yīng)有所作為

中工武漢大學(xué)設(shè)計研究有限公司邸作述

1緒論

1.1人與自然的歷史回顧

18世紀工業(yè)革命以來，人類認識和改造自然的能力愈來愈強。這

個過程中創(chuàng)造了日益豐富的財富和人類繁榮的文明。但這些財富和文

明取得的同時也付出了慘重的代價，諸如有限資源的過度耗費；自然

環(huán)境的嚴重污染；生態(tài)平衡遭到摧殘性的破壞等等。人類正在或?qū)⒁?/p>

承受來自大自然的報復(fù)，嚴酷的現(xiàn)實迫使人類不得不對自己所走過的

道路進行深刻的反思。

1.2節(jié)能、環(huán)保兩大課題的提出

反思過程中，世界各界專家、學(xué)者紛紛發(fā)現(xiàn)一系列影響人類持續(xù)

生存和發(fā)展的問題。

（1）能源枯竭

權(quán)威專家預(yù)言，石油天然氣50?70年即將耗盡，煤炭類資源也只

能維持300年左右。能源危機經(jīng)常是引起人類戰(zhàn)爭的起端。

（2）臭氧層破壞

臭氧層是地球生物圈阻止紫外線輔射的保擴圈（層）,1985年，美國

科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)南極上空臭氧層出現(xiàn)了空洞。后來美國“雨云一7號”

氣象衛(wèi)星，觀測到這個洞大如美國領(lǐng)土面積，高如珠穆朗瑪峰。這個

發(fā)現(xiàn)震驚了全世界。隨后在北美、歐洲、新西蘭等地上空，科學(xué)家相

繼發(fā)現(xiàn)臭氧層在變薄。

臭氧層的破壞給人類帶來非常嚴重的后果，大氣中的臭氧每減少

1%,照射到地球表面上的紫外線就會增加2%,人類的皮膚癌的發(fā)病

率就會增加7%,白內(nèi)障患者就會增加6%,紫外線對動植物的生存是

災(zāi)難性的,據(jù)試驗，臭氧減少25%,大豆將減產(chǎn)25%,對水稻、小

麥的生長都會造成極不利的影響，進而可以引發(fā)糧食危機。紫外線還

會殺死水中的魚卵和單細胞藻類，還可以導(dǎo)致海洋生物物種的滅絕。

產(chǎn)生臭氧層破壞的主要原因是人類自己，具體原因是人類大量使

用制冷劑、消毒劑、滅火器、計算機、汽車等過程中，產(chǎn)生大量氟氯

煌氣體，紫外線會把氟氯燒中的氯原子分解出來，氯原子非常活跌，

可把臭氧中的氧原子奪去，使臭氧變成了一般氧氣。使臭氧層變簿成

洞。

(3)溫室效應(yīng)

人類大量使用石油、煤炭和天然氣等礦物燃料，釋放到大氣中的

CO?氣體越來越多，之外還有水汽、甲烷、氧化亞氯、氟氯炫等，它

們可以吸收地球表面向外的輻射熱，并將其反射到地球表面，使地球

氣候增溫，出現(xiàn)像塑料大棚一樣的溫室效應(yīng)，造成全球氣候變暖?？?/p>

學(xué)家估計，按目前的C02等排放增長率，到2030或2050年，全球溫

度可上升1.5℃~4.5℃。

全球氣候變暖將是一場世界性環(huán)境災(zāi)難，它會導(dǎo)致海水升溫、膨

脹，加速極地水溫增高后退和凍土的融化；海平面上升，美國環(huán)保局

的資料認為，如果溫室氣體繼續(xù)按目前狀況釋放，估計到2050年，海

平面將上升10—40厘米，到2100年將上升60—200厘米，這樣沿海

低洼地帶和島嶼將被淹沒，一些城市也將會無立足之地。此外溫室效

應(yīng)還引發(fā)氣候異常多變、旱澇頻發(fā)，森林草原火災(zāi)增多，水資源緊缺

問題將會更加突出。這一問題已引起全世界各國的高度重視，召開了

一系列國際性會議，共討應(yīng)對策略。

(4)酸雨蔓延

從我國情況看，1982年全國進行普查，對各省市2400次雨水進行

抽樣檢查，結(jié)果表明屬酸雨者達44.5%,重慶、貴陽、南昌、武漢、

沈陽、哈爾濱、廣州等城市均屬酸雨較嚴重的城市。酸雨可直接使大

片森林死亡，農(nóng)作物枯萎，會抑制土壤中有機物的分解和氮的固定，

淋濾與土壤顆粒結(jié)合的鈣、鎂、鉀等營養(yǎng)元素，使土壤貧瘠化。

主要來源就是燃煤、燃油等一次性礦物燃料之過程中排放的二氧

化硫、氮氧化物。

（5）煙塵、廢渣及噪音等污染

城市中的機動車輛及工廠煙囪排出是主要來源，其次沙塵暴的吹

揚物也是一種污染，城市熱島效應(yīng)，由于空調(diào)、機動車把熱氣直接排

入大氣而形成污染。

綜合以上，目前人類面臨著能源危機和環(huán)境惡化兩大課題，總的

問題是人類如何保持可持續(xù)發(fā)展。為此全球各國都去共同關(guān)注著人類

自己的命運，1992年，聯(lián)合國在巴西里約熱內(nèi)盧召開了世界環(huán)境與發(fā)

展大會，并制定通過了《21世紀議程》，其精神就是全世界各國都明確

了節(jié)能、環(huán)保是人類可持續(xù)發(fā)展的兩個共同課題。

節(jié)能，首先是節(jié)省能源的使用，目前提出低碳生活。第二是有效

使用能源，采取各種先進的手段，在能源利用、能源持續(xù)方面充分發(fā)

揮能源的使用效率和作用?？茖W(xué)用能。第三方面還要開發(fā)新能源和盡

量使用可再生能源。

環(huán)保，總的目標(biāo)是使人類有一個適宜生存而且非常舒適的環(huán)境，

還要保持地球生態(tài)平衡和優(yōu)化。建設(shè)一個“天人合一”的和諧世界。

1.3依靠科技尋找出路

解決能源危機的根本途徑是開發(fā)新能源和可再生能源

目前人類已利用和可能被利用的能源種類和儲量見下表：

表1世界能源種類及儲量表

能源種類儲量（標(biāo)準）

可

太陽能870000億噸/年

再

水能24億噸/年

生

風(fēng)、波浪能80億噸/年

能

地?zé)崮?.6億噸/年

源

潮汐能0.64億噸/年

煤64000億噸

非石油4100億噸

再天然氣4.04X106億m3

生油頁巖31000億噸

能235U（鈾）300億噸

源tt109億噸

笊I0'2億噸

摘自清華大學(xué)2002年物理學(xué)教材

表1內(nèi)，非再生能源中，油頁巖儲量比較大，顯然有一定的潛力，

但開采，提取難度大，成本高，笊，在海水中大量存在，儲量非?？?/p>

觀，但使用的原理是要使之產(chǎn)生核聚變，在常溫下聚變尚只在實驗室

研究階段，應(yīng)用前景未卜。

在可再生能源中太陽能居首位，太陽能儲量每年相當(dāng)870000億噸

標(biāo)準煤，而今世界每年所需總能量為1.2億噸標(biāo)準煤，太陽能每年儲量

是人類每年耗能量的725000倍，太陽能利用的技術(shù)已日趨成熟，我們

可以樂觀的說，只要有太陽存在，能源就不會是人類持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

絕望、悲觀的論點是站不住腳的。

今天要重點講一下可再生能源中的地?zé)崮?，?中的地?zé)崮軆α?/p>

并不顯眼，僅0.6億噸/年，這里要進行以下解釋：表1中的地?zé)岬膬?/p>

量是指傳統(tǒng)地?zé)崮艿膬α浚@個熱能是指由地心熱所產(chǎn)生的那一部分

熱能。是地礦部門所說熱田的熱能。我們學(xué)地質(zhì)的人都知道：地心是

一個封閉的高溫體，地核的溫度可達6000—8000C,地幔深度處的溫

度可達3000C左右，它們是由地心物質(zhì)的熱核反應(yīng)熱，化學(xué)反應(yīng)熱以

及重力熱，體變轉(zhuǎn)換熱等，在地殼的斷裂處，或其他薄弱環(huán)節(jié)處傳上

來被人們利用。最典型的例子是溫泉。是地?zé)崽锫额^。但隨著科技水

平的發(fā)展和科技思路的創(chuàng)新，科技界已普遍認同地殼淺層大約200—

400M范圍內(nèi)是一個“天賜的儲熱庫”它的溫度平均在15C—20C左

右，它的來源主要太陽能，是一種無處不有，取之不盡，用之不竭的

可再生能源，將它稱之為淺層地?zé)崮?。而傳統(tǒng)地?zé)崮軇t被稱為深層地

熱源。這是新的見解，我們應(yīng)注意理解。

淺層地?zé)崮艿降讖暮味鴣?？存在許多有分歧的學(xué)術(shù)觀點，但目前

的主流觀點仍然是太陽能，持這一觀點的人對地殼表層的熱源作了如

圖1的分析。

他們認為地殼淺層熱能與太陽能的份額比是1：5000的關(guān)系，所

以他們認為淺層地?zé)崮艿膩碓词翘柲?。提出與以上猊點不同的是國

際地?zé)釁f(xié)會副主席L.Rybach教授，他認為：地殼淺層的地?zé)崮苤饕?/p>

是深部傳上來的地?zé)釤崃?，而太陽能和地?zé)崮芄餐饔?，以太陽能?/p>

主的地?zé)崮苤辉诤軠\的部位上。其觀點如圖2所示。

-200f-

圖2淺層地?zé)崮苜Y源分布

他估計的太陽能與地?zé)崃鞴餐饔玫纳疃扔上率剿愠觯?/p>

Z=10志

Z——為土壤深度全年不變的深度（m）

2——土壤的熱導(dǎo)率，單位為：W/m.k

當(dāng)4取2.0W/m-k時，Z=14m,他的觀點認為14m之下，即土壤

深度全年溫度不變的深度之下，仍是地?zé)釤崃魈峁崮堋Ｋ褱\層熱

能的下限定為200米。這些是目前尚未形成定論的學(xué)術(shù)問題，我們只

要知道大約在地殼淺層200-400m之內(nèi)是一個巨大的儲熱庫就行了。

淺層地?zé)崮艿淖畲筇攸c是熱值低，屬低/位能的熱能，它難以聚集,

它不像蒸汽，高溫水、燃氣能等高位能的熱能可以直接利用。淺層地

熱能它所賦存的介質(zhì)是巖石、土壤、和地下水，這是主要的。除此之

外，還有緊密附著在地表的各種介質(zhì)，如：江、河、湖、海、水庫，

水渠等地表水，甚至還包括了工業(yè)廢水，礦坑疏干水，城市污水等等。

這些介質(zhì)絕大部分都是我們巖土工程研究的對象，過去我們關(guān)注的問

題主要是強度和變形，當(dāng)它們作為熱能介質(zhì)時，則要研究它們的熱學(xué)

性質(zhì)。但不管是強度、變形和熱能，都離不開要研究巖石、土壤、地

下水的埋芷條件，結(jié)構(gòu)形式，地質(zhì)構(gòu)造，物理性質(zhì)，水理性質(zhì)等。因

此，我認為巖土工程，工程地質(zhì)，水文地質(zhì)工作者應(yīng)該在淺層地?zé)岬?/p>

開發(fā)利用中延伸我們的業(yè)務(wù)范圍，是大有作為的。與熱工專業(yè)，暖通

專業(yè)相互合作，相互滲透開辟一個新的產(chǎn)業(yè)。這個產(chǎn)業(yè)的主要任務(wù)是

如何開發(fā)利用地殼淺層的這種低位熱能，為人類可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

（2）熱泵技術(shù)是利用淺層地?zé)崮艿暮诵募夹g(shù)

熱泵的理論基礎(chǔ)是法國年青工程師卡諾在1824年發(fā)表的關(guān)于卡諾

循環(huán)的論文，對熱力學(xué)第二定律的表述和熱機效率作出了偉大貢獻，

30年后，1852年美國湯姆遜在卡諾理論的基礎(chǔ)上，一首先提出了一種

熱泵裝置設(shè)想，那時稱為熱量倍增器，把低溫的空氣吸入熱泵裝置，

經(jīng)過循環(huán)將吸入的低溫空氣升溫，并可供室內(nèi)取暖，這就是與空氣進

行熱交換的最早的熱泵。把淺層地?zé)嶙鳛榈蜏責(zé)嵩吹臒岜媒凶龅卦礋?/p>

泵，把巖石、土壤、地下水等的熱量通過水媒介質(zhì)載體使地?zé)崤c熱泵

機組耦合運行達到制冷、制熱目的。與淺層地?zé)徇M行熱交換的裝置叫

地源熱泵這種地源熱泵可追溯到1912年瑞士佐伊利（H、Zoelly）一

份專利。為利用難以聚集的淺層地?zé)崮荛_創(chuàng)了先河。熱泵通俗的理解

是把它與水泵相比，水泵通過動力驅(qū)動可將低水位的水提升到高水位

去。而熱泵是通過動力驅(qū)動可把低溫?zé)醾鬟f到高溫?zé)嶂腥?。美?/p>

ASHRAE學(xué)會認為地源熱泵技術(shù)作為真正興起、并得到廣泛應(yīng)用的時

期應(yīng)該開始于20世紀80年代中期，到目前為止，可以說地源熱泵技

術(shù)已是一個非常成熟的技術(shù)，它有堅實的熱力學(xué)、熱工學(xué)的理論支撐,

已有精確高效的機器裝備，在實施中已有一整套從設(shè)計到安裝、調(diào)試、

運行管理的控制程序和相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范。世界能源聯(lián)合會（WEC）,國

際能源機構(gòu)（IEA）、國際冷凍技術(shù)學(xué)會（JIR）等組織和權(quán)威研究者，

普遍認為地源熱泵技術(shù)是21世紀最有前途的節(jié)能、減排的新技術(shù)，是

國際制熱、制冷行業(yè)中的前沿課題之一，是最有前途的節(jié)能裝置和系

統(tǒng)。由于地源熱泵是把可再生的淺層地?zé)崮茏鳛闊峤粨Q的對象，因此

它實際上形成了一種熱力學(xué)、熱工學(xué)與地質(zhì)學(xué)相交叉的一種新型學(xué)科。

在巖土工程、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)學(xué)中將會產(chǎn)生一個新的研究領(lǐng)域，

有強大的生命力。

2.地源熱泵系統(tǒng)

2.1地源熱泵系統(tǒng)的組成

以建筑暖通為例，地源熱泵系統(tǒng)如圖3所示：

淺層地?zé)崮軣岜脵C組室內(nèi)制冷

的采集系統(tǒng)供暖系統(tǒng)

兩者之間是以水為載體的也通過水或氣體為載體的

圖3地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)示意圖

在向建筑物供熱時，淺層地?zé)峋褪菬岜脵C組的低溫?zé)嵩炊耍ㄟ^

水為傳媒介質(zhì)，與熱泵機組進行熱交換，通過熱泵機組中的“工質(zhì)”，

在動力驅(qū)動下，工質(zhì)在機組內(nèi)循環(huán)，收吸淺層地?zé)崮苤械臒崃?，再?/p>

過水或空氣等傳媒介質(zhì)的循環(huán)，把熱傳送到建筑物中去供暖，這時建

筑物稱為系統(tǒng)末端，也稱為所謂熱泵系統(tǒng)的高溫?zé)嵩炊恕?/p>

在建筑物制冷空調(diào)的工況下，機組內(nèi)工作的循環(huán)方向逆轉(zhuǎn)，反向

循環(huán)，建筑物末端則成為低溫?zé)嵩炊?，通過熱泵工質(zhì)循環(huán)，吸收建筑

物中的熱量，降低建筑物的溫度，使之冷卻降溫，達到制冷空調(diào)效果,

把從建筑物中的熱量吸出后，通過熱泵機組傳到地源介質(zhì)中去，使地

源介質(zhì)吸熱而升溫。這時地源介質(zhì)端則成了熱泵系統(tǒng)的高溫?zé)嵩炊恕?/p>

與淺層地?zé)崮苓M行熱交換要通過“水”這個傳媒介質(zhì)，最典型例子就

是抽地下水到機組里來，進行熱交換，或者是將地表水抽入機組進行

熱交換。如果沒有地下水，則在巖石和土壤中進行熱交換，這時需要

在地下設(shè)置地埋管，地埋管具體結(jié)構(gòu)見下圖4。

圖4地埋管示意圖

讓機組循環(huán)水在埋管中流動，通過管壁與土壤或巖石緊密接觸，與土

或巖石在地下進行熱交換。

在熱泵機組之中則是“工質(zhì)”的循環(huán)?！肮べ|(zhì)”在熱工學(xué)中被定義

為：在熱泵蒸發(fā)器內(nèi)吸收熱量而蒸發(fā)成為氣態(tài)，在熱泵凝結(jié)器中能放

出熱量凝結(jié)成液體的物質(zhì)。例如大家熟知的氟利昂，R22制冷劑，氨等

都是目前常見的工質(zhì)。

由以上可知，實際上地源熱泵系統(tǒng)由地源介質(zhì)子系統(tǒng)，熱泵機組

子系統(tǒng)，和建筑末端子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)聯(lián)合組成，聯(lián)合它們的媒體是

水或者是空氣。

2.2地源熱泵系統(tǒng)的卡諾循環(huán)

為理解地源熱泵系統(tǒng)的卡諾循環(huán)，首先簡單介紹熱泵機組的結(jié)構(gòu)。

（1）熱泵機組的構(gòu)成

以壓縮式熱泵為例，一般由四個主要部件構(gòu)成，見下面圖5

圖5壓縮式熱泵工作原理圖

如圖5上所示，有四個主要部件指：壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、

蒸發(fā)器。他們由管道聯(lián)成一個完整的機組。

壓縮機，是熱泵機組的心臟，通過動力驅(qū)動（圖上動力為電動機）,

壓縮機組中的工質(zhì)，使之壓縮升溫、升壓，并使工質(zhì)在全系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)。

蒸發(fā)器和冷凝器，是形成熱交換的部件，工質(zhì)蒸發(fā)則吸熱，冷凝

則放熱。液態(tài)工質(zhì)吸熱成氣態(tài)，氣態(tài)工質(zhì)放熱凝冷成液態(tài)。蒸發(fā)氣是

吸熱的部件，而冷凝氣是放熱部件。

節(jié)流閥。它的作用是使冷凝器過來的冷凝壓力下的過冷液態(tài)工質(zhì)

降壓，原理是毛孔放大降壓原理，降至工質(zhì)在蒸發(fā)器中易于蒸發(fā)的壓

力和溫度。它同時還可以根據(jù)負荷的變化，調(diào)節(jié)工質(zhì)進入蒸發(fā)器的流

量。經(jīng)過蒸發(fā)器的低溫液態(tài)工質(zhì)在其中吸熱蒸發(fā)后形成氣態(tài)，氣態(tài)工

質(zhì)又被壓縮機吸入，進行下一次循環(huán)。熱泵機組的熱交換是在一個高

溫?zé)嵩春鸵粋€低溫?zé)嵩粗g進行的。他們的接口在冷凝器和蒸發(fā)器。

如圖5所示，一端是末端，一端是地源介質(zhì)系統(tǒng)。這樣就形成了完整

的地源熱泵系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中，操作節(jié)制轉(zhuǎn)向閥門，即可使工質(zhì)循環(huán)

轉(zhuǎn)向。而且可將蒸汽器和冷凝器的功能互換。系統(tǒng)的功能也就改變，

可根據(jù)季節(jié)和使用需求，完成制冷和制熱功能轉(zhuǎn)變。

按照(采暖通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)技術(shù)標(biāo)準)(GB50155-92),熱泵被定義

為：能實現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機。按熱力學(xué)學(xué)術(shù)視點，

也可以稱熱泵為：基于卡諾循環(huán)原理進行工作，既可以用來空調(diào)制冷,

又可用來供熱采暖的機組。

熱泵機組全貌見下照片1。

WRHH水/水活塞熱泵機組

(BE/)SRHH水/水螺桿熱泵機組

WRHH

照片1熱泵機組外觀

為了便于理解熱交換接口，需進一步了解熱交換器的構(gòu)造，詳見圖6.

圖6殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)

（a）臥式殼管式冷凝器；（b）立式殼管式冷凝器

1一端蓋2—殼體3一進氣管4、17一傳熱管5—支架6一出液管7—放空氣管

8—水槽

9—安全閥11—平衡管12—混合管13一放油閥14一出液閥15一壓力表16-

進氣閥

圖中的出水口，進水口，在作為冷凝器時，則接末端的風(fēng)機盤管;

在作為蒸發(fā)器時，則接地源介質(zhì)中的水。

（2）熱泵系統(tǒng)的卡諾循環(huán)

為了便于理解，將圖5與卡諾循環(huán)T-S圖放在一起,

對照參看。

；供暖建筑物［

3

.:

.H

節(jié)

電

流

動

閥

機

地?zé)崤潘毓?/p>

或淺井冷水

圖7壓縮式熱泵卡諾佐環(huán)工作原理圖和其溫嫡圖

如圖7所示，從1開始系統(tǒng)中的工質(zhì)在壓縮機中以蒸氣狀態(tài)被壓

縮，壓力由Pi升到P2,溫度也由TL升到TH（T-S圖上狀態(tài)1至2）,

然后進入冷凝器，氣態(tài)工質(zhì)在冷凝器里等壓放熱，即壓力不變（P2）

的情況下，將熱量釋放給比工質(zhì)溫度低的傳媒水，使傳媒水溫度升高,

而氣態(tài)工質(zhì)由于放出潛熱而凝結(jié)成液態(tài)。這種被加熱的TH傳媒水就可

用來供暖，回水再進入冷凝器加熱，不斷供回循環(huán)。冷凝成液態(tài)的工

質(zhì)離開冷凝器后進入節(jié)流閥，其壓力P3與P2相等。經(jīng)節(jié)流膨脹后，壓

力由P3降到P4（T-S圖上到狀態(tài)4）,這種變成液態(tài)的工質(zhì)，在P4之下

進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收TL中的熱而形成過熱蒸汽，T-S圖中，

由狀態(tài)4回到狀態(tài)1.回到壓縮機中再次被壓縮，完成一次循環(huán)。如此

不斷循環(huán)，將從TL中吸入的熱量不斷地送到高溫?zé)嵩碩H中去。即送

到末端去供暖。

上述循環(huán)過程中，由狀態(tài)4到狀態(tài)1是一個等溫吸熱膨脹過程，

在膨脹過程中從低溫?zé)嵩矗ǖ販亟橘|(zhì)）中吸熱，其熱量設(shè)為Qio由狀態(tài)1

到狀態(tài)2,是等嫡壓縮過程，在此壓縮過程中工質(zhì)溫度由元升高至TH;

隨后狀態(tài)2到狀態(tài)3又是一個等溫壓縮過程，此過程中向高溫?zé)嵩捶?/p>

熱，其熱量為Q2,最后工質(zhì)在等嫡膨脹回復(fù)到4,而工質(zhì)溫度由TH降

到TL。這個大過程中，在TL和TH兩個有溫差的恒溫體之間共有兩個

等溫膨脹和兩個等嫡壓縮，與理想的卡諾循環(huán)過程組成完全一樣，因

此熱泵循環(huán)服從于卡諾循環(huán)的規(guī)律。

（3）熱泵的熱力經(jīng)濟指標(biāo)

常用的熱泵系統(tǒng)熱力經(jīng)濟性指標(biāo)有熱泵性能系數(shù)Cop,季節(jié)性能

系數(shù)-HSPF和熱泵的嫡效率。這里只介紹熱泵性能系數(shù)。

熱泵制熱時性能系統(tǒng)為Coph,熱泵制冷時性能系數(shù)為copce

對消耗機械功的蒸汽壓縮式熱泵，其制熱性能系數(shù)定義為制熱量

Q2與輸入功W之比。即=0

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱泵制熱量Q2等于從低溫?zé)嵩次酫i

與輸入功率之和，即Q2=Q|+W,根據(jù)制熱性系統(tǒng)數(shù)Coph的定義，

Coph=-----=—+1

WW

這個式子的理論意義在于熱泵制熱效率總是大于L說明熱泵有顯

著的節(jié)能效果，其根據(jù)也源于它的制熱效率總大于1.

熱泵的制冷效率系數(shù)。其的物理意義是熱泵從低溫?zé)嵩粗形龅?/p>

熱量Qi，而使低溫?zé)嵩吹臏囟冉档?，因此Cope被定義為Q］與功率W

之比。即

Coph=—

W

根據(jù)卡諾原理，在一個高溫?zé)嵩春鸵粋€低溫?zé)嶂g工作的熱泵，

其效率只與這兩個熱源的絕對溫度有關(guān)，而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。從溫

嫡圖上可推導(dǎo)出熱泵的熱性系數(shù)的計算公式，式中只與兩個恒溫?zé)嵩?/p>

圖8溫嫡圖

從溫嫡圖上可知：

4狀態(tài)?1狀態(tài)，從低溫?zé)嵩粗形龅臒崃繛镼i，圖上等于4、1、

SrS4所圍的面積,即QI=TL(S-S4),S為嫡值。T為絕對溫度，角碼

表示高(H)、低(L)o.

2狀態(tài)?3狀態(tài)是向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繛镼2，Q2，圖上等S4、

Si、2、3所圍的面積,即Q2=TH(S「S4)

系統(tǒng)所作的功W=Q2-Q1圖上為

Q2的面積減去Q1的面積，即

W=(TH-TL)(SI-S4)

根據(jù)制熱系數(shù)唐

W

忌扎簡化后二岳

即CophW

根據(jù)。叩c的定義Cope=今

即*=建言簡化后叱=上

這兩個式子，是我們常用來計算熱泵熱性能系數(shù)的公式。

我們舉個例子如下：

例1，用熱泵向室內(nèi)供熱溫度TH=50℃,而低溫?zé)嵩词俏錆h的地下

水，其水溫一般18℃,即T[=18℃按Cop/?=」一式計算。

TH-TL

50+273323

Coph10.09可見其節(jié)能效果是十分明顯

(273+50)-(273+18)32

的。如果室內(nèi)熱負荷為10kw,那么驅(qū)動熱泵的所耗的電能W只為:

卬=-^^=敗=0.9次卬尚不足Ikw,表面上看起來，好似是

Coph10.9

違背了熱功守恒原理，其實根據(jù)上面關(guān)于C。助的定義和推導(dǎo)過程，我

們則會解除此疑慮。Q2中包括了Q1和機械能w。Q1是從低溫?zé)嵩粗?/p>

被吸出來的，并不全是W變來的。

制冷工況同樣有顯著效果，低溫地下水可吸收大量熱量。

從上面的例子可大致的說明，通過熱泵，室內(nèi)獲得10KW的熱量,

大約有90%是從低溫?zé)嵩粗械玫降摹C械能耗熱量僅占10%不到。而

低溫?zé)嵩词菧\層地?zé)崮軙r，它又是可再生的，所以地源熱泵技術(shù)是21

世紀最有發(fā)展前途的節(jié)能技術(shù)是毋庸置疑的。

應(yīng)該指出的是：以上是根據(jù)理論的推求。都假設(shè)是理想可逆條件,

它未考慮動力機的功率耗損、系統(tǒng)的摩、散、滴、漏等因素，如果把

實際狀態(tài)的情況考慮進去，實際Co/歷，應(yīng)考慮兒個折減系數(shù)，壓縮機

系數(shù)2=0.8,系統(tǒng)指示效率7=0.8,機械效率%,=0.9,所以總共應(yīng)

折減57.6%,像上述例子，其Cop〃則只為5.8,目前商業(yè)產(chǎn)品的CopG

也普遍在4~5左右，節(jié)能效率已是相當(dāng)可觀了。

（4）地源熱泵的分類

地源熱泵分類非常繁亂，由ASHRAE統(tǒng)一的術(shù)語標(biāo)準，各界都能

接受，它主要是突出了低溫?zé)嵩吹牟煌诸?，即?/p>

地下水嫄熱泵系統(tǒng)；地表水源熱泵系統(tǒng)；土壤源熱泵系統(tǒng)。

在我國《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）中，把上

述分類簡化為地下水換熱系統(tǒng)、地表水換熱系統(tǒng)、地埋管換熱系統(tǒng)。

不論是上述那類系統(tǒng)。又可根據(jù)熱泵機組中換熱器所接觸的載熱

介質(zhì)再進行分類；即水一空氣熱泵；水一水熱泵。破折號前的字為低

溫?zé)嵩唇粨Q介質(zhì)的屬性；破折號后面的字為室內(nèi)側(cè)熱交換介質(zhì)的屬性。

可詳見下圖9。

室外室內(nèi)

圖9按載體介質(zhì)屬性分類

從圖9可知地嫄熱源…側(cè)的介質(zhì)都是水，而建筑物一側(cè)，一種形

式是以熱風(fēng)（冷風(fēng)）的形式傳遞，；另?種形式則是風(fēng)機盤管形式，即

水（熱媒水或冷媒水）通入盤管制冷或制熱。

2.3地下水源熱泵系統(tǒng)

（1）概述

前面已經(jīng)講到，地殼淺層是一個大熱庫，它們怎么才能被利用？

抽吸地下水是首先被人們想到的，它的溫度很穩(wěn)定，基本上不受大氣

溫度的影響而波動，很重要是它在冬天比大氣溫度高，是很好的熱源,

在夏天它比大氣溫度低是很好的冷源。因此地下水源熱泵系統(tǒng)的能效

比高。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)相比，能效比提高40%可節(jié)能23—

44%o地下水源熱泵，它的熱交換在地下，克服了傳統(tǒng)空調(diào)的“熱島

效應(yīng)，其經(jīng)濟效益也是明顯的，美國曾對127個地下水源熱泵系統(tǒng)做

了實例統(tǒng)計，比傳統(tǒng)系統(tǒng)的運行費用可省18—54%。國內(nèi)一般比傳統(tǒng)

中央空調(diào)空氣源的cop提高40%o

我國主要地區(qū)地下水溫度狀況見表.2

國內(nèi)各主要地區(qū)地下水溫度狀況

表2

城市地卜.水溫度/℃年平均溫度/℃供暖室外設(shè)計溫度/℃凍土層深度/cm

海拉爾6~82.1-34242

哈爾濱8-103.6-26205

長春10-124.9-23169

沈陽12-167.919148

北京14-2011.4-985

上海16?2215.728

廣州

18?2421.870

武漢地區(qū)地下水基本特征一覽表見下表3

武漢地區(qū)地下水基本特征一覽表表3

松敝府關(guān)孔隙水碰觸&心巖溶裂隙水界憫心裂隙水

修下水類型

孔隙潸水（隸般水

MffV：零唳分布于武科九H

山、石灰洶等地?主要分布于陽建

主要分布于長江一廣泛分布于長江.僅水■分布于武將蛇山，喻以東.Maill0!a

分布抵網(wǎng)

餓階地桅嫁及江心港一、二級階地京山.網(wǎng)湖.關(guān)山,白沙洲.明以北等地

穌洲及at口遇賞泉一伸

管水限一般在40~45m左一饅階地一般20-40m.

厚度右.局部大于66.14m二級階地一段1-30m

一般為10-20m.」：口孔廉含

含水原覆

S-20m水層的地段可達40m以上

板埋深

果抵：一蛾階地水位埋

承樂：水位埠深一般5~20m左承壓：

深一般1-3m.二fit階地

地下水力無抵,水位埋深一右.局部地段高出地表.年變幅"為無Hi.水位爆

分布縫改一艙2-5m.用

性國及水位般在0.5-1.5m,年度版1?2m不等.最低水位期深5-30m.地

江地段行水期高出地困

底化情況變幅度1-4.5m多在誨年2月.最高水位期多在計很大,動毋變化

0.1-0.2m.年變幅廈通

舐年7-9月明星

常1~4m不等

畏霧型：主要接受大氣降水入

渝樸給爆霜整：主要摧

樸給：以降水入油HAS!：在丘眼地區(qū)主蹙接受基受大氣降水撲蛤

樸始：湖泊木向人，”

為主.Jt次為河流水巖裂曲水*1向撲船.堆崗平原區(qū)以RI品型則主鬟邪徑

地下水?ft.河海水倜?樸蛤及相

便1間撲綸.徒流優(yōu)慢徒施樸雄為主,被孔廉含水堂所*流樸雄以及上a傳

撲，在、1t鄰畬水星倒向徑IO卜陸.

物泄：主俁向地發(fā)水或地段則OWLK（水地流撲怖；被河水展的婚渡外蝌.

樓流爆慢?主亶第屐江刑

體排泄,成補份相鄰谷切劑地段.可金接得到河水淮桎流爆慢.K19?

水體

禽水鹿人林蛤；心流將征取炫于巖滯發(fā)方式以樸希相鄰管

力用度；枯水期主要向地表水排水質(zhì)為主

酒或1g就補蝌卜孔隙水

一級階地.武M水系

地、青山?徐家慌、漢口及

含水及富

漢陽az洲等地?并浦水

水性（?片富水性般斗大“裸11sh泉潴

■?般大于1OOOm'/Hs曜井浦

■水管技口水量『富.單井浦木■一般為20.08~216.00m'/日.

五通口?界埠及一fit階地中水虐為1.487-

,

g203mm降“?殷大于1500m'/日個別達列3ll?n/HH值型：單

部取井酒水量在500~14.86m'/日

累Sm?統(tǒng)一井提水H%在500-2OOOm'/H間

1000m*/Hi-t?階地后

A算）

碌及二鍛階地.睢井桶水

■小于500m,/a

以"械x日或聘、

一級階地主要為重硼觸樽.慣*水；二靖階地犢型水型水為主.M

以瓶硼酸鈣型水為主,局部點

地下水化則以重瞰酸幃.幀暨水為主,同部地段為重3酸部點為我釀弧化物

為破版南化物內(nèi)型水,符合生活

/類型及觸鈣.鈉,fit型水。一般符合生活飲用水標(biāo)準。但傳、的取水。符合生

飲用水標(biāo)準.僅局部地段鐵、鉆

:水水質(zhì)帙.恬.碑.總硬度等普遍如標(biāo).使用時.應(yīng)適活飲用水標(biāo)準.僅用

場標(biāo)；適宜農(nóng)業(yè)灌溉.對金屬無

坳當(dāng)處理；適宜作農(nóng)業(yè)灌溉用水,對金M無收蝕.部地段快.試超標(biāo)；

鼻蝕.對工件無侵蝕性

對工件無侵蝕性造宜農(nóng)業(yè)濯澈.對

r件無侵蝕性

地下水源熱泵系統(tǒng)，可有分散式系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)，如下圖。

水-空氣式水源熱泵

iummac

..........

一JJULIIIM

znnnrnnL

rnnmnug"niaaiiii

--接末＜裝置

一口□匚匚mnnnnWs

mIIH?ni(,八"

--

水?水式水源熱泵

地下水式水源熱泵系統(tǒng)

圖io地下水式水源熱泵系統(tǒng)

從圖中還可看出一種分類劃分，左圖地下水不入主機，只在板式

交換器進行熱交換，而不入熱泵機系統(tǒng)，一般稱之為閉式系統(tǒng)，圖10

之右圖，地下水直接入主機，之后把熱媒水和冷媒水直接送入末端。

(2)設(shè)計中幾個關(guān)鍵技術(shù)問題

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005)的強條

5-1-1,地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料進行設(shè)計。要對水量,

水質(zhì)，按《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50027)執(zhí)行。并應(yīng)進行地下

水資源評估，提交地下水主管部門審批。當(dāng)然這些基本要求要視工程

規(guī)模，需水量大小靈活掌握。

(1)需水量的計算

在夏季里，熱泵機組按制冷工況運行時,地下水總水量為:

式中啊.——熱泵機組按制冷工況運行時，所需的地卜水總水量（kg/s）；

心，——井水水溫（七），即進入熱交換器的地下水溫；

?,.2——回海水水溫（t）,即離開熱交換器的地下水溫；

c,——水的比定壓熱容［kJ/（kg?七）］,通常取c,=4.19kJ/（kg?七）；

Q,——建筑物空調(diào)冷負荷（kW）；

EER―熱泵機組的制冷能效比，所謂的EER是指熱泵機組的制冷量與電動機輸入

功率之比；

Q.（l+焉）一熱泵機組按制冷T況運行時，由地下水帶走的最大冷凝熱見“

在冬季里，熱泵機組按制熱r況運行時，地下水總水最為：

式中——熱泵機組按制熱工況運行時，所需的地下水總水量（kg/s）;

I,,,——井水水溫（七）,即進入熱交換器的地下水溫；

——回灌水水溫（七），即離開熱交換器的地下水溫；

%——水的比定壓熱容［kj/（kg?七）］,通常取C,=4.i9kj/（ktr匕）；

Q,——建筑物供暖熱負荷（kW）；

COP——熱泵機組的制熱性能系數(shù)，所謂的COP站指熱泉機組的制熱氣與電動機輸

出功率之比；

Q,（l-嬴）一熱泵機組按制熱工況運行時，從地下水中吸取的最大熱量。

式（5-1）和式（5-2）中，已知量有:

（1）對于選定的水源熱泵機組，當(dāng)運行工況確定后，其COP值與EEE值已為定值。

（2）建筑物空調(diào)冷負荷Q,和熱負荷Q,（詳見第4章）。

（3）井水水溫（，.）可以通過地下水水文地質(zhì)勘察獲得。在方案設(shè)計時，也可參考表5-1

所列出的國內(nèi)部分城市的地下水溫度的概略值⑴。

表2部分城市地下水溫微略值

地下水溫他下水溫

城市備注城市備注

/r/T

北崗13-14西安16-1870~130m深處

沈陽872蘭州11

哈爾濱6寶腐16-17.5

齊齊哈爾6-7.560-lHhn爆處銀川11.3低限值

贛山12-13烏停木齊8/限值

時和浩特8~9100m以下，武漢18-20

鄭州18淺區(qū)井60~130m南昌20井深20~25nl

石家莊16100m以下南寧17-18

濟南18上海17.8

青島18.4月平均最高值成都1818-20m深處

太原15貴陽18

注：表中大部分數(shù)據(jù)山各城市自來水公司提供。

水量的需求是根據(jù)建筑物的冷熱負荷和機組性能及組

合形式等有關(guān)。還要考慮地下水的本底溫度等，一般情況下,

還可用下面公式估計其需求量。

夏季可以用以下公式：

Mc=Qc/(CAL)

式中：Qc：夏季機組向地下排熱量(KW),實際上就是冷負荷

值；

C：水的比熱(KJ/Kg℃)；

Mc：夏季所需地下水量(KG/S)；

ATC：夏季冷凝器出水與進水的溫差。實際上為地下

水進水口溫度與冷凝器出水溫度之差。

冬天可采用以下公式：

ME=QC/(CATC)

式中：Qc：冬季機組從地下水中吸收的熱量，即熱負荷值；

C：水的比熱(KJ/Kg℃)；

ATC：冬季蒸發(fā)器進水，出水溫差。實際上為地下水井

中進水口溫度與蒸發(fā)器出水溫度之差。

有了對地下水的需求量，再看水文地質(zhì)勘察成果中的可開

采量能是否滿足機組對地下水的需求量。還要考慮開采的可

行性，及取水工藝等。

（2）水質(zhì)

水質(zhì)，熱泵機組對水質(zhì)有一定要求，基本要求是：澄清、不腐蝕、

不滋生微生物，不結(jié)垢等。參照國內(nèi)有關(guān)冷卻水用水水質(zhì)標(biāo)準，結(jié)合

空調(diào)系統(tǒng)的工作特點對地下水水質(zhì)的要求，可參照下表5

地下水水質(zhì)參考標(biāo)準表5

序號項目名稱允許值

1含沙量<1/200000

2混濁度/(mg/L)W10

3pH值7.0?9.2

4Ca2\Mg?+總礦度/(mg/L)<200

5Fe2+/(mg/L)<0.5

6C17(mg/L)<1000

7so：1(mg/L)《1500

8硅酸/(mg/L)W175

9游離氯/(mg/L)0.5-1.0

10礦化度/(mg/L)<3

11油污/(mg/L)<5（此值不應(yīng)超過）

如果地下水水質(zhì)不能滿足要求，則需在熱泵系統(tǒng)中采取水處理的

措施。

在計算水量時要有熱負荷、冷負荷等參數(shù)，在機組已定，運行工

況熱性系數(shù)也已確定的情況是可以計算的。當(dāng)在方案設(shè)計階段或小工

程，可以參照下表進行估算負荷。

單位面積熱值指標(biāo)：當(dāng)只知道建筑總面積時，其采暖熱指標(biāo)可參

考表5所列數(shù)值⑶

采暖熱指標(biāo)

表