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摘 要
该别墅系一栋集文化娱乐，办公，客房等一体的多功能综合别墅。该别墅选择地源热泵为空调冷热源, 空调系统的室部分采用风机盘管加独立新风系统，末端设备为风机盘管, 新风处理到室等焓线，过渡季节只供新风,部分房间采用地板辐射供暖。本论文从地源热泵工作原理出发，详细地进行了地源热泵空调系统设计和特点分析,并与普通空调系统进行了经济上和技术上的比较。地源热泵地下换热器采用U 型竖埋管地下换热器;主卧式采用了低温水地板辐射供暖系统。
关键词：别墅；地源热泵；竖直埋管；地板辐射供暖
1.1 课题背景
地热是一种可再生的自然能源。尽管目前它的应用还不能像传统能源(煤、石油、天然气、水力能和核能)那样广泛，但由于地壳里蕴藏着丰富的地热能，特别是在传统能源越来越缺乏的今天，地热能利用在许多国家已得到了相当的重视。地源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也成为清洁的可再生能源一种形式。
地源热泵中央空调系统是利用水与地源(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室采暖，此时地源为“热泵”；夏季把室热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地源为“冷源”。地源热泵中央空调系统通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90％以上的电能或70—90％的燃料能转化为热量供用户使用，因此地源热泵中央空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵中央空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为9—16℃，其制冷、制热系数可达3.5—6.3，与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，其运行费用为普通中央空调的50—60％。
地源热泵中央空调系统的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与常规电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其他节能措施减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25％的充灌量。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民
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区，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
1.2 国地源热泵发展简史
地源热泵并不是一种新的空调系统，早在20世纪30年代，欧洲就已经出现了工程的应用，当时主要用于冬季的供暖。20世纪70年代，出现能源危机，地源热泵系统的工程应用形成高潮，技术日趋成熟。由于中国空调技术应用较晚，地源热泵作为传统空调的一个分枝，对大多数人说，确实较为陌生。
我国在地源热泵领域的研究始于20世纪80年代初的天津大学和天津商学院。自此，其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但是，由于我国能源价格的特殊性，以及其他一些因素的影响，地源热泵的应用推广非常缓慢。20世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。
1995年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了《中华人民国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书》，并于1997年又签署了该合作协议书的附件六--《中华人民国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书》。其中，两国政府将地源热泵空调技术纳人了两国能源效率和可再生能源的合作项目，这一举措极促进了该技术的国际合作和推广应用。
1998年是我国在·该领域的一个里程碑，从这一年开始，国数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。其中，1998年建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在的实验装置；1998年建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置；1998年大学建设了水平埋管地源热泵实验装置；1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置等。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展，做了许多实验研究和工程示，产生了很多有效数据，这些宝贵的经验教训势必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。
1.3 地源热泵发展趋势
地源热泵与中央空调相连接的供热／制冷系统是目前的发展趋势。综合利用低品位热能、高效率利用热能、简单化和一体化的地源热泵系统等都是目前地源热泵系统技术的前沿课题。根据地源热泵20年来的发展趋势，其系统技术的发展大致有如下三个方向：
(1) 综合利用热能的趋势。将来的地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和制冷，更趋向于将供热的废弃能量(冷能)和制冷的废弃能量(热能)综合利用，比如用供热的废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等，用制冷的废弃热能供应温室养殖、种植和生活热水等。
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(2) 一体化趋势。随着新材料和新工艺的开发，将来的地源热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化，使采热和传热的效率更高。
(3) 实地建造的趋势。随着人们对居住和生活环境要求的不断提高，越来越多的建筑物需
要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空间和周边的自然环境和自然能源，因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热泵系统也将是一个发展方向。
1.4 国外地源热泵的发展
地能热泵系统在北美和欧洲都应用的比较普及，根据国际地热联合会（ The geothermal heat pump consortium ）的统计，到 2003 年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为 3720万平方米，瑞典为 2000万平米，德国为 560万平米，加拿大为 435万平米。但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。
北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。在美国，政府投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，政府和学校经过多年的努力，建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商， ASHERE 也针对系统特殊要求在机组设计上建立了标准，同时政府支持在换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策来鼓励地能热泵系统的推广，如专门的补贴、政府推广等。从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统，尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。美国著名的地能热泵制造商有 CLIAMTMASTER 、 WATER FURNACE 等 ，他们提供符合 ARI 的专门用于地能系统的标准系列产品。而对于换热器，北美采用的多是单 U 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,钻孔深度为 50 -160 米 。
在欧洲，由于环保和节能的要求，目前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。而对于换热器，欧洲采用的多是双U 型的垂直埋管方式。
1.5 地源热泵技术在中国的发展优势
1) 初期投资费用少。随着改革开放的不断深入，人们生活水症的不断提高，持续的高速经济增长导致人们对舒适生活的追求，从而使地源热泵这项崭新的技术在中国具有巨大的市场潜力。同时我们也要注意到，我国城市的建设步伐正在加快，每年城镇新建住宅2.4亿平方米。而在建设新建筑之前并入集中地源热泵系统，其成本要远远低于旧建筑的改造(甚至可以低于一般空调系统!)，这对我们这个“严寒”与“寒冷”采暖区几乎占了国土面积的70％和全国总建筑面积的50％的国家而言，节省的费用的巨大的。在美国，由于能源相对的便宜
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(与中国相近)，而人工费用很高，一般一个家庭的安装费用在3000美元左右，地源热泵仍然具很强的市场竞争力。而我国由于人工费用比较低，与西方发达国家相比，我国的基建费用低。基建费用是地源热泵最主要的成本增加部分。由此可见，我国与国外发达国家相比，初期投资相对要少一些。
2) 能够提高城市环境质量。随着人们生活水平的提高，对生活质的要求越来越高，环保意识增强，人们开始认识到高品质的空气是人类健康的保障。目前居民对空气污染的关注程度越来越高，城市(包括室)对人们生活以及身体的影响日益受到重视，在碰到身体不适的时候，很多居民开始考虑空气因素的影响。根据《1997年中国环境状况公报》，我国城市空气质量仍处于较重的污染水平。据统计，世界大气污染最严重的10座城市中，中国就占了7席，这也从一个侧面反映出我国城市空气质量不容乐观，加强空气治理，已经到了刻不容缓的时候。目前我国的能源结构中有一个最为不利的因素，即长期以来在能源的生产和消费中煤炭的比例占70％左右。为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国政府正在规划改变以煤为主的能源结构，以实现可持续发展战略。等城市正在考虑以电代煤的方法来解决城市污染的问题。每千瓦电能带来3至4千瓦热量的地源热泵将是极具竞争力的技术。由于电力是地源热泵的唯一动力，因此没有燃料分散燃烧所造成的大气污染。与此同时由于厂家密封制剂。使用过程中不泄露，不补充，减少了对臭氧层的破坏。分析和调查表明，地源热泵的应用对降低温室效应起了积极作用。可见，这项技术应用于中国将缓解城市空气污染问题。
3) 能够缓解能源紧问题。进入新世纪，在生产力高速发展的条件下，人们越来越认识到地球上的资源和能源日益匣乏。我国能源短缺是一个不争的事实，与此同时，我国又存在能源利用率低的矛盾。据统计，我国总的能源利用率约为30％，这仅相当于发达国家90年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的25％，其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格越来越接近发达国家的水平。我国要在能源每年增长率仅为3％—5％的条件下满足国民经济持续每年增长8％—9％，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了我国必须在空调和取暖这一耗能大项上有所改进。就地源热泵技术而言，由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有70％来自于地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传人地下所消耗的电力也非常少，因此地源热泵这项节能技术应用于我国可以在一定程度上缓解我国的能源压力。
4) 受到国家相关政策的支持。为了减少我国由于冬季采暖所造成的大气污染，减低国现有制冷空调的能源消耗，寻求新的低能耗、无污染的供暖制冷空调技术，国家科技部与美国能源部分别代表两国政府签署了中美两国政府地源热泵合作协议，引进和推广美国先进的地源热泵技术。这对地源热泵技术在中国的推广起到巨大的推动作用。八届人大常委会第二十
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八次会议审议并通过了《中华人民国节约能源法》，其中第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，这也将促进地源热泵事业的发展。自从我国实施《民用建筑节能设计标准》后，提高了建筑隔热保温性能，降低了建筑采暖能耗，结果是大幅度降低了地源热泵采暖方式的年运行费用，增加了地源热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。
1.6 地源热泵技术在中国推广过程中可能遇到的问题
任何一项新事物的出现总是要受到人们的质疑，对于地源热泵这项新技术同样可能会遇到一些阻力。首先，中国有关地源热泵的现成技术资料不多，还缺少这方面的设计、安装和维护技术人员，同时，由于在中国生产地源热泵相关设备的厂家少，人们对它还比较陌生，大多抱着观望的态度，这样的情形不利于这项技术在中国的推广。其次，我国现在还没有出台促进地源热泵技术发展的相关优惠政策，这使部分想采用地源热泵系统的用户由于看不到眼前利益而采用其它的空调系统。为了鼓励用户采用地源热泵系统，我国可以提供鼓励性补贴和资助给购买地源热泵系统的用户，或者采用调整能源价格的方法，使能源价格合理化，给予这些用户一些实惠，鼓励人们采用地源热泵系统。还要说明的一点是，世界上热泵技术比较发达的北美、北欧和中欧国家由于气候条件基本上只用于供热，对地源热泵夏季制冷工况研究较少。而我国幅员辽阔，地处温带，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地区气象条件差异很大，同样的建筑在不同的地区，其负荷情况可能迥然不同。因此，我们不能照搬外国的技术成果，必须投入大量的科研经费和研究人员进行研究，使其适合中国的气候特点，这也在一定程度上延缓了这项技术在中国的推广。但可以相信，地热能具有广泛的应用前景，在不久的将来，地热能将在世界能源利用结构中占有更大的份额。随着人们环保意识的加强和对“绿色能源”的日益重视，地源热泵系统技术也将得到前所未有的发展。
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地源热泵空调系统设计
