地源热泵基础知识

地源热泵基础知识

一、地源热泵系统原理

地源热泵是利用地下浅层地热资源的低品位能源，通过热泵技术获取可供空调使用的冷热水的空调系统。地源热泵是一个广泛的概念，根据地热的利用方式，分为水源热泵和土壤源热泵。二者不同之处是：水源热泵直接利用水作为热源，土壤源热泵需要通过换热器从土壤中获取能量。

地源热泵空调系统通常由地源热泵机组、地热能换热系统、建筑物内系统组成。地源热泵机组与常用的水冷式冷水机组的工作原理基本相同，仅水源部分的温度有所差别。此外，地源热泵冷热工况的转换，一般是通过机组以外管道阀门的切换来实现的。

地埋管换热器是地源热泵的重要组成部分。垂直地埋管方式，是在垂直钻孔内埋置U型换热管道，然后由水平管将U型管并联成系统，水从管道内流过并与土壤换热。垂直地埋管方式的主要特点是运行比较稳定和可靠。还有一种是水平地埋管方式。

二、地源热泵系统工作原理

地源热泵技术是利用浅层常温土壤或地下水的能量作为能源的新型热泵技术。该技术可以同时供暖和制冷，并且能够提供生活热水。利用水与地能（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”。

地源热泵系统冬季代替锅炉从土壤中取出热量，以３０～４０℃左右的热风向建筑物供暖，夏季代替普通空调向土壤排热，以１０～１７℃左右的冷风形式给建筑物制冷。地源热泵技术节能效果显著，消耗１ｋＷ的能量，用户可以得到４ｋＷ以上的热量或冷量。它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”。从能源角度来说，它是一种用之不尽的可再生能源。

三、地源热泵的分类及其各自特点

地源热泵在国内也被称为地热泵。根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下３类：土壤源热泵或称土壤耦合热泵（GCHP）、地下水热泵（GWHP）、地表水热泵（SWHP）。

（一）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３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（＜３０

ｍ），中层（３０～１００ｍ）和深层（＞１００ｍ）３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２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。

（二）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。

（三）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。

四、地源热泵的优点

由于地源热泵系统采取了特殊的换热方式，使它具有普通中央空调和锅炉不可比拟的优点：

（一）高效节能

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，土—气型地源热泵系统的转换效率最高可达4.7，而锅炉供热只能将90%以上的电能或70%~90%的燃料内能转换为热量供用户使用，因此它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量，运行费用为各种采暖设备的30%~70%。由于土壤的温度全年稳定在10~20℃之间，其制冷、制热系数可达3.5~4.7，与传统的空气源热泵（家用窗式和分体式空调、中央式风冷热泵）相比，要高出40％以上，其运行费用仅为普通中央空调的50%~60%。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得土—气型地源热泵系统换热效率很高。因此在产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，从而达到节能的目的，其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统的40%～60%。

（二）绿色保护

土—气型地源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无废气、废渣、废水的排放，可大幅度地降低温室气体的排放，能够保护环境，是一种理想的绿色技术。（三）分户计费

实现机组独立计费，分户计表，方便业主对整个系统的管理。

（四）使用寿命长

家用空调设计寿命8年，燃气锅炉为10年；土—气型地源热泵机组为15年，水循环和风管系统25年以上，地耦管路系统为70年，它比所有各种空调系统和采暖设备的寿命都要长。

（五）控制设备简单

土—气型地源热泵系统采用将地源热泵机组分散安装于各处所（居室、会所、办公室等）的方式，中央控制仅需选择水路控制，除去了一般中央空调集中控制所有参量的复杂环节，从而降低控制成本。在各分散安装单元（居室、会所、办公室）可根据用户要求设不同的体积很小的终端控制器，实现从最简单（起停、供暖、制冷3档）到复杂的可编程智能控制方式。

（六）系统可靠性强

每台机组可独立供冷或供热，个别机组故障不影响整个系统的运行。机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会

衰减，更无结霜除霜之虑。

（七）同时供暖制冷

土—气型地源热泵系统可做到同时有的房间或区域制冷，有的房间或区域供暖，这对大型商业建筑尤其重要。采用传统中央空调系统只有使用造价极其昂贵的四管空调系统才能做到，而土—气型地源热泵不需增加任何设备便可做到。（八）维护费用低廉

土—气型地源热泵系统不带有室外安装的设备，不设冷却塔、屋顶风机，没有室外设备安装维护费用。压缩机工作稳定，不会出现传统设备中制冷剂压力过高或过低的现象。其维护费用大大低于中央空调。

（九）远程中央控制智能化

由计科公司开发出的远程控制智能化软件可以利用中央计算机控制整个系统，能够随人流变化而自动调整地热泵制冷或供暖，实现节能最大化，运行费用最小化。还可设置显示和打印设备，可存储、分析各种采暖、制冷、维修等经济及技术数据，促进系统运行最优化。

（十）应用灵活安全可靠

灵活性强，可用于新建工程、扩建和改建工程，可逐步分期施工，热泵机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。（十一）送回风分区新风独立

土—气型地源热泵系统，采用送回风分区、新风独立系统，每个工作单元都有相对独立的送风途径，新风从室外采集，可有效降低室内致病菌群的含量，保证空气质量，大大降低交叉感染的机会。