系统概述

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水/地源热泵技术发展背景

太阳每时每刻向地球散发巨大的能量,这其中有46%可以被地球吸收。因此底壳中存储了大量的能量使得土壤、地下水常年保持较为稳定的温度,不易受外界影响。

空调本身是一种能量转移运输的工具,在运行时热泵机组只需要付出较小的能量投入即可吸取存储在地下的大量能量。

热泵制热运行时,由于冬季深层土壤和地下水的温度高于室外环境,使得系统可以获得更多的能量,相比空气源热实现更高的效率,与传统的化石能源相比,大大提高能源的利用效率,节省能源使用和费用开支。

水/地源热泵系统不向外界排放任何废气、废水、废渣,是一种的理想的“绿色技术”。

水/地源热泵系统利用常温土壤或地表水、地下水中的热量,这些能量来源于太阳能,因此也是一种利用可再生能源的技术。



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水/地源热泵技术发展史

地源热泵的概念最早出现在1912年瑞士佐伊利(H.Zoelly)的一份专利文献中,之后的几十年,一直处于试验研究状态。并先后开始有了地表水源热泵系统、地下水源热泵系统、土壤耦合热泵系统的问世与发展。

20世纪30年代地表水源热泵系统问世,作为最早的应用项目,瑞士苏黎世市政府大厅以河水作为热源,供热能力175kW。到20世纪40年代末50年代初,地下水源热泵与土壤耦合热泵系统开始在欧洲与北美安装使用。但由于这个时期能源价格低,应用技术还不够成熟,地源热泵系统未得到普遍的推广与应用。

地源热泵作为真正兴起的一门新技术,并获得应用与发展是在20世纪80年代。世界石油危机之后,一次能源的紧缺与价格的上涨又引起了人们对节能的关注,在这个时期地源热泵开始受到广泛关注,开始大量安装与使用。

中国的地源热泵研究起步于20世纪80年代,首先是一些高校与科研机构对其进行的相关专题研究。中国科技部和美国能源部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书,其中专门设有关于地源热泵的发展战略,在此之后,中国的地源热泵发展与应用开始走上快车道。

系统原理

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地源热泵系统工作原理

地源热泵系统是利用浅层土壤能量(岩土体、地下水或地表水)进行冷热交换,冬季把土壤中的热量“取”出来,供给室内采暖,此时岩土体、地下水或地表水为“热源”;夏季把室内热量“取”出来,释放到岩土体、地下水或地表水中,此时岩土体、地下水或地表水为“冷源”。




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地源热泵系统示意图

地源热泵系统由水水热泵机组、地埋管换热设备、水力模块、热水蓄水箱、室内机、地板采暖设备和生活热水设备等组成的一种新型空调型式。系统通过地埋管换热设备与土壤冷热交换,并将交换后的水通过循环水泵分别输送到室内机供冷供热、地板采暖和热水蓄水箱中供给生活热水。

系统优点

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地源热泵由于其技术上的优势,推广这种技术有明显的节能和环保效益。地源热泵系统具有以下显著优势:

■ 节能,运行费用低

来自于太阳辐射的地下热能取代传统的冷却塔和锅炉,属于可再生能源,节省了冷却塔和锅炉的运行能耗,比传统空调运行效率高40~60%,同时机组能效比高达4.5-7。另外,地源温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,整个系统的维护费用也较“锅炉+制冷机”系统大大减少,保证了系统的高效性和经济性。

■ 一机多用,节约设备用房

地源热泵系统可制冷、采暖,还可供生活热水(水-水热泵机组),一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套系统。系统紧凑、节省建筑空间,减少一次性投资。

■ 保护环境

地源热泵化石燃料消耗,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充

灌量;属自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏机率大为减少。

■ 利用再生能源,可持续发展

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源,进行能量交换的空调系统。地表浅层地热资源量大面广,无处不在,它是一种清洁的可再生能源。因此,利用地热的地源热泵,是一种可持续发展的“绿色装置”。

■ 较长的使用寿命

家用空调设计寿命8年,燃气锅炉为10年;地源热泵机组为15-20年,水循环和风管系统25年以上,地埋管路系统为50年,它比所有各种空调系统和采暖设备的寿命都要长。

■ 使用广泛

从严寒地区至热带地区均适用。地源热泵系统可制冷、采暖,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅住宅的制冷、采暖。



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麦克维尔水/地源热泵在中国的市场地位

在国内的水/地源热泵发展起步阶段,麦克维尔就将国外积累的多年的产品与应用经验带到中国,并受国家单位委托负责起草中国《水源热泵机组》(GB/T19409-2003)产品国标、起草中国国家标准GB/T19409-2013《水(地)源热泵机组》,这两个标准的实施为全行业的产品设计与检验提供依据,也为水/地源热泵在中国的发展奠定了基础。

麦克维尔进入中国后,引入了先进的产品设计理念,研发出适合中国用户的水地源热泵产品,目前拥有整个暖通行业最齐全的水/地源热泵产品线。涵盖了从分散式的水环热泵,涡旋式水水热泵、螺杆热泵,到集中式的离心天威热泵。麦克维尔为众多知名项目提供了科学的水/地源热泵系统解决方案,建立了北京奥运村、北京国际鲜花港、大连热电等一系列成功的水/地源热泵节能示范应用典型项目案例,在行业内也树立了专业性与权威性。

根据中国制冷空调工业协会等权威的第三方数据统计报告,麦克维尔水源热泵产品连续多年保持行业销量领先,在水-空气型水源热泵领域,麦克维尔更是连续7年保持行业第一的地位。

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◆ 国标制定者

麦克维尔大型水/地源热泵机组的发展情况

负责起草中国国家标准GB/T19409-2003《水源热泵机组》

负责起草中国国家标准GB/T19409-2013《水(地)源热泵机组》

参与起草中国国家标准GB 30721-2014《水(地)源热泵机组能源效率限定值及能效等级》

参与编制中国国家标准图集《水环热泵空调系统设计与安装》(06k504)



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发展情况

麦克维尔是最早进入水地源热泵市场的品牌之一,麦克维尔(北美)1975年研发出离心式热泵机组TSC系列,主要应用于满足酒店、医院、零售卖场的热水需求、采暖和室内湿度控制。

随着中国热泵市场向规模化、大型化发展,2003年麦克维尔(中国)推出采用R22制冷剂的螺杆式水地源热泵产品WPS系列, 成为市场为数不多的外资热泵品牌。目前螺杆式热泵WPS系列产品线涵盖了5种系列机型,根据用户需求特点可划分为高温型、高效型、通用型和经济型产品。针对客户的不同需求,麦克维尔(中国)热泵产品已形成丰富的产品线。



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系统分类

地源热泵(ground source heat pumps,GSHP)系统包括三种不同的应用形式:以利用土壤作为冷热源的地埋管热泵系统(ground-coupled heat pump systems)或者叫地下热交换器热泵系统(ground heat exchanger);以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统(ground water heat pumps);以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统(surface-water heat pumps)。

热源的选择首先依照因地制宜的方法选取,根据系统效率、投资额度、场地要求等因素综合比较。随着水/地源热泵系统的使用,目前城市中污水源热泵系统和地埋管热泵系统逐渐成为成熟市场的主要选择。主要原因在于系统后期维护简便,长期运行稳定。

土壤源热泵系统

该方案只需在建筑物的旁边空地、道路或停车场等地方打地埋孔,将换热器埋至土壤中,利用水的循环和地下土壤换热,提取蕴含于地表浅层热能作为空调热源,将能量在空调室内和地下土壤之间进行转换。通常有立式埋管和水平埋管两种,立式埋管适用于可利用面积小,水平埋管适用于具有较大利用面积的场合。该方案不需要直接抽取地下水,不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成任何影响,不会受到国家地下水资源政策的限制,具有环保、节能、能源可再生、安全可靠的特点。

地表水源热泵系统

建筑物附近如果有可利用的地表水(如江、河、湖、海等),水温、水质、水量符合使用要求,则可采用抛放地耦管换热方式,即将盘管放入河水(或湖水)中,盘管与室内循环水换热系统形成闭式系统,也可采用直接提取地表水通过板式换热器与水源热泵机组换热。该方案不仅保证了河水(或湖水)的水质不受到任何影响,而且可以大大降低工程施工费用。

地下水热泵系统

如果当地有足够的地下水量、水质较好,有开采手段,并且当地政策又允许,就可考虑应用地下水热泵系统。地下水系统应使用板式热交换器进行地下水和空调循环水热交换,可以避免对地下水的污染,同时应设置合理的回灌措施,地下水热泵系统造价较低。

水环热泵系统
水环热泵水系统夏季通过冷却塔将室内的热量散发出去,冬季通过电、燃气锅炉或者城市热网加热循环水以维持水系统温度,水环热泵系统是一种具有热回收功能的空调系统,在过渡季节或在多功能建筑物内,

同时制冷制热的时候,可以大大降低散热(冷却塔)和辅助加热设备的工作时间,达到热回收效果,节省运行费用。此系统的投资最低,适用性强,可以广泛应用于写字楼、酒店、商场、医院及综合性建筑。

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