美国制冷与空调学会根据地下换热介质的不同分为三类: 一是与地表水换热的水源热泵;二是与地下水换热的地下水源热泵 ;三是与土壤换热的地下耦合热泵,也叫土壤源热泵、闭环水源热泵。
1.土壤源热泵
土壤源热泵以大地作为热源和热汇,热泵的换热器埋于地下,与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水或热泵机组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式,主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。
垂直埋管换热器通常采用的是U型方式,按其埋管深度可分为浅层(<30m),中层(30~100m)和深层(>100m)三种。埋管深,地下岩土温度比较稳定,钻孔占地面积较少,但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说,垂直埋管换热器热泵系统优势在于:(1)占地面积小;(2)土壤的温度和热特性变化小;(3)需要的管材最少,泵耗能低;(4)能效比很高。而劣势主要在于:由于相应的施工设备和施工人员的缺乏,造价偏高。
水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大,虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少,但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易找,又加上许多家庭有足够大的施工场地,因此造价就可以减下来。除需要较大场地外,水平埋管换热器系统的劣势还在于:运行性能上不稳定(由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化);泵耗能较高;系统效率降低。
蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%~30%,但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器,所以有的文献将其归入水平埋管换热器。
下耦合热泵标准
名称
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ARI分类
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制冷时的分布
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制冷与供热
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制冷
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供热
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整体式系统
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HSP-GS
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HOSP-GS
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HOSP-GS
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风扇
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压缩机
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蒸发器
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冷凝器
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分体式系统
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HRCU-GS-CB
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HORCU-GS-CB
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HORCU-GS-CB
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风扇
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压缩机
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蒸发器
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冷凝器
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分体式系统室内无风扇
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HRCU-GS-C
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HORCU-GS-C
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HORCU-GS-C
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压缩机
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蒸发器
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冷凝器
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标准等级工况
A. 制冷(不宜用于仅供热的机组):
室内单元空气温度: 干球温度 26.7 ℃ ,湿球温度 19.4 ℃
环境空气温度: 干球温度 26.7 ℃
换热器进口流体温度: 21.1 ℃
流体流量: 由制造商确定(该流量应用于所有测试工况)
B. 供热(不宜用于仅制冷的机组)
室内单元机组空气温度: 干球温度 21.1 ℃ ,湿球温度 15.6 ℃ (最大值)
环境空气温度: 干球温度 21.1 ℃
换热器进口流体温度: 0 ℃
流体流量: 由标准等级制冷工况测试确定
2. 地下水热泵系统
在土壤源热泵得到发展以前,欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用,主要应用在商业建筑中。最常用的系统形式是采用水—水式板式换热器,一侧走地下水,一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统,即将地下水经过板式换热器后直接排放。这样做,一则浪费地下水资源,二则容易造成地层塌陷,引起地质灾害。于是产生了双井系统,一个井抽水,一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低,另外水井很紧凑,不占什么场地,技术也相对比较成熟,水井承包商也容易找。其劣势就在于:1.有些地方法规禁止抽取或回灌地下水;2.可供的地下水有限;3.如水质不好或打井不合格要注意水处理;4.如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远,泵耗能就会过大。
3. 地表水热泵系统
地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区,开路系统并不适用,只能采用闭路系统。总的来说,地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是,在公共用的河中,管道或水中的其他设备容易受到损害。另外,如果湖泊过小或过浅,湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化,这就会产生效率降低,制冷或供热能力降低的后果。
地下水源热泵 ARI 标准
名称ARI分类制冷时的分布
制冷与供热供热
整体式系统HSP-GWHOSP-GW风扇压缩机
蒸发器冷凝器
分体式系统HRCU-GW-CBHORCU-GW-CB风扇压缩机
蒸发器冷凝器
分体式系统室内无风扇HRCU-GW-CHORCU-GW-C压缩机
蒸发器冷凝器
标准等级工况
A. 制冷(高温,不宜用于仅供热的机组):
室内单元空气温度: 干球温度 26.7 ℃ ,湿球温度 19.4 ℃
环境空气温度: 干球温度 26.7 ℃
换热器进口水温: 21.1 ℃
水流量: 由制造商确定
B. 制冷(低温,不宜用于仅供热的机组):
室内单元空气温度: 干球温度 26.7 ℃ ,湿球温度 19.4 ℃
环境空气温度: 干球温度 26.7 ℃
换热器进口水温: 10 ℃
水流量: 由制造商确定
C. 供热(高温)
室内单元空气温度: 干球温度 21.1 ℃ ,
湿球温度 15.6 ℃ (最大值)
环境空气温度: 干球温度 21.1 ℃
换热器进口水温: 21.1 ℃
水流量: 由制造商确定
D. 供热(低温)
室内单元空气温度:干球温度 21.1 ℃ ,
湿球温度 15.6 ℃ (最大值)
环境空气温度: 干球温度 21.1 ℃
换热器进口水温: 10 ℃
水流量: 由制造商确定
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