地源熱泵

以岩土體、地下水或地表水為低温熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建築物內系統組成的供熱空調系統。

地源熱泵供暖空調系統主要分三部分：室外地源換熱系統、地源熱泵主機系統和室內末端系統。

（1）地源熱泵技術屬可再生能源利用技術。由於地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小於400米深）作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而藴藏的低温位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存於地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。

（2）地源熱泵屬經濟有效的節能技術。其地源熱泵的COP值達到了4以上，也就是説消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的熱量或冷量。 ^[1] 

（3）地源熱泵環境效益顯著。其裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

（4）地源熱泵一機多用，應用範圍廣。地源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統；可應用於賓館、商場、辦公樓、學校等建築，更適合於別墅住宅的採暖。

（5）地源熱泵空調系統維護費用低。地源熱泵的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內，從而避免了室外的惡劣氣候，機組緊湊、節省空間；自動控制程度高，可無人值守。

由以上的特點可以看出，地源熱泵技術以後可得到廣泛的應用。

根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為埋管式地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵。

埋管式地源熱泵系統分為開式和閉式兩種。

開式系統：

開式系統是指地表水在循環泵的驅動下，經過處理直接流經水源熱泵機組或者通過中間換熱器進行熱交換的系統。

閉式系統：

是在深埋於地下的封閉塑料管內，注入防凍液，通過換熱器與水或土壤交換能量的封閉系統。閉式系統不受地下水位、水質等因素影響。

1、垂直埋管--深層土壤

垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50-150米深處，一組或多組管與熱泵機組相連，封閉的塑料管內的防凍液（塑料管中是水，水中的防凍液根據當地氣候條件決定加多少）將熱能傳送給熱泵，然後由熱泵轉化為建築物所需的暖氣和熱水。垂直埋管是地源熱泵系統的主要方式，得到各個國家的政府部門大力支持。

2、水平埋管--大地表層　在地下2米深處水平放置塑料管，塑料管內注滿防凍的液體，並與熱泵相連。水平埋管佔地面積大，土方開挖量大，而且地下換熱器受地表氣候變化的影響。

地源熱泵是一種利用土壤所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖製冷空調系統，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術。地表土壤和水體是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽輻射能量，比人類每年利用的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量）；它又是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散相對的平衡，地源熱泵技術的成功使得利用儲存於其中的近乎無限的太陽能或地能成為現實。如果實行冬夏連用，地源熱泵的系統將具有更高的穩定性（土壤越深中間存在的空氣含量越低，受地面温度影響越小），能夠實現理論上的可再生。

地源熱泵機組利用土壤或水體温度冬季為12-22℃，温度比環境空氣温度高，熱泵循環的蒸發温度提高，能效比也提高；土壤或水體温度夏季為18-32℃，温度比環境空氣温度低，製冷系統冷凝温度降低，使得冷卻效果好於風冷式和冷卻塔式，機組效率大大提高，可以節約30--40%的供熱製冷空調的運行費用，1KW的電能可以得到4KW以上的熱量或5KW以上冷量。

與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內能轉化為熱量，供用户使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省約二分之一的能量；由於地源熱泵的熱源温度全年較為穩定，一般為10～25℃，其製冷、制熱係數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60%。因此，近十幾年來，地源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。

地源熱泵與其它加熱方式相比的能源消耗情況比較：

比較後可得出地源熱泵是所有加熱方式中最節約能源的。

表二：地源熱泵空調系統與傳統的中央空調系統各方面的特點相比：

地源熱泵空調系統在各方面都比傳統空調系統表現優秀。

注：表三研究對象為北京的一套高檔別墅，面積為300平米。各種價格參數取自市政府相關部門發佈的《2004年度北京能源利用報告》，以及《2006年度北京能源利用報告》，2個年度的能源價格變動較大。本表按用户每天運行15小時，一個採暖季計算。

環境和經濟效益顯著

地源熱泵機組運行時，不消耗水也不污染水，不需要鍋爐，不需要冷卻塔，也不需要堆放燃料廢物的場地，環保效益顯著。地源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比也可以減少40%以上；與電供暖相比可以減少70%以上，它的制熱系統比燃氣鍋爐的效率平均提高近50%，比燃氣鍋爐的效率高出了75%。

地源熱泵系統可供暖、空調製冷，還可提供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統，特別是對於同時有供熱和供冷要求的建築物。地源熱泵有着明顯的優點。不僅節省了大量的能量，而且用一套設備可以同時滿足供熱、供冷、供生活用水的要求，減少了設備的初投資，地源熱泵可應用於賓館、居住小區、公寓、廠房、商場、辦公樓、學校等建築，小型的地源熱泵更適合於別墅住宅的採暖、空調。

地源熱泵系統運動部件要比常規系統少，因而減少維護，其系統不是埋在地下就是安裝在室內，不暴露在風雨中，機組緊湊、節省空間，也可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。自動控制程度高，可無人值守、遠程管理，無需僱傭人員看管。

地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當於減少38%以上，與電供暖相比，相當於減少70%以上，真正的實現了節能減排節能減排是減少能源浪費和降低廢氣排放更多。

地源熱泵系統運動部件要比常規系統少，因而減少維護，系統安裝在室內，不暴露在風雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。

地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達50年,要比普通空調高35年使用壽命。

維持生態環境平衡

地源熱泵夏天把室內的熱量排到地下，冬天把地下的熱量取出來供室內使用，相對來説，向環境排放更少的能量，維持生態環境的平衡。

沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設備，省去了鍋爐房，冷卻塔佔用的寶貴面積，產生附加經濟效益，並改善了環境外部形象。

地源熱泵系統的能量來源於自然能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調”。被認為是可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。該系統無論嚴寒地區或熱帶地區均可應用。可廣闊應用在辦公樓、賓館、學校、宿舍、醫院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。

在自然界中，水總是由高處流向低處，熱量也總是從高温傳向低温。人們可以用水泵把水從低處抽到高處，實現水由低處向高處流動，熱泵同樣可以把熱量從低温傳遞到高温。

所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，工作時它本身消耗很少一部分電能，卻能從環境介質（水、空氣、土壤等）中提取4-7倍於電能的裝置，提升温度進行利用，這也是熱泵節能的原因。

地源熱泵是熱泵的一種，是以大地或水為冷熱源對建築物進行冬暖夏涼的空調技術，地源熱泵只是在大地和室內之間“轉移”能量。利用極小的電力來維持室內所需要的温度。

在冬天，1千瓦的電力，將土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室內。在夏天，過程相反，室內的熱量被熱泵轉移到土壤或水中，使室內得到涼爽的空氣。而地下獲得的能量將在冬季得到利用。如此週而復始，將建築空間和大自然聯成一體。以最小的低價獲取了最舒適的生活環境。

熱泵機組裝置主要有：壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥四部分組成，通過讓液態工質(製冷劑或冷媒)不斷完成：蒸發（吸取環境中的熱量） →壓縮→冷凝（放出熱量）→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將環境裏的熱量轉移到水中。 壓縮機(Compressor)：起着壓縮和輸送循環工質從低温低壓處到高温高壓處的作用，是熱泵（製冷）系統的心臟； 蒸發器(Evaporator)：是輸出冷量的設備，它的作用是使經節流閥流入的製冷劑液體蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到製冷的目的； 冷凝器(Condenser)：是輸出熱量的設備，從蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的； 膨脹閥(Expansion Valve)或節流閥(Throttle)：對循環工質起到節流降壓作用，並調節進入蒸發器的循環工質流量。 根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環工質不斷地從低温環境中吸熱，並向高温環境放熱，周而往復地進行循環。

熱泵是需要冷凝器的熱量，蒸發器則從環境中吸熱，此時從環境取熱的對象稱為熱源；相反制冷是需要蒸發器的冷量，冷凝器則向環境排熱，此時向環境排熱的對象稱為冷源。

蒸發器冷凝器根據循環工質與環境換熱介質的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。 熱泵根據與環境換熱介質的不同，可分為：水—水式，水—空氣式，空氣—水式，和空氣—空氣式共四類。 利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵。空氣源熱泵有着悠久的歷史，而且其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。但由於地區空氣温度的差別，在我國典型應用範圍是長江以南地區。在華北地區，冬季平均氣温低於零攝氏度，普通空氣源熱泵不僅運行條件惡劣，穩定性差，而且因為存在結霜問題，效率低下、新出了一款超低温空氣源熱泵專門針對華北地區的，超低温空氣源熱泵穩定性好，效率高，具有高效除霜功能。 利用水或地熱作冷熱源的熱泵，稱之為地源熱泵。水和地熱是一種優良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般地源熱泵的製冷供熱效率或能力高於空氣源熱泵，但地源熱泵的應用常受到水源或地熱的限制。

地源熱泵系統按其循環形式可分為：閉式循環系統、開式循環系統和混合循環系統。對於閉式循環系統，大部分地下換熱器是封閉循環，所用管道為高密度聚乙烯管。管道可以通過垂直井埋入地下150－200英尺深，或水平埋入地下4－6英尺處，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流體從地下抽取熱量，帶入建築物中，而在夏天則是將建築物內的熱能通過管道送入地下儲存；對於開式循環系統，其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源，在以與閉式循環相同的方式與建築物交換熱量之後，水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點；對於混合循環系統,地下換熱器一般按熱負荷來計算，夏天所需的額外的冷負荷由常規的冷卻塔來提供。

地源熱泵則是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換來作為地源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內採暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。

圖1為開式地源熱泵系統。圖2為冬季地源熱泵供暖原理圖。

空氣源　 水源　 土壤源

通過水平埋置於地表面2～4M以下的閉合換熱系統，它與土壤進行冷熱交換。此種系統適合於製冷供暖面積較小的建築物，如別墅和小型單體樓。該系統初投資和施工難度相對較小，但佔地面積較大。

通過垂直鑽孔將閉合換熱系統埋置在50M～400M深的岩土體與土壤進行冷熱交換。此種系統適合於製冷供暖面積較大的建築物，周圍有一定的空地，如別墅和寫字樓等。該系統初投資較高，施工難度相對較大，但佔地面積較小。

地源熱泵機組通過佈置在水底的閉合換熱系統與江河、湖泊、海水等進行冷熱交換。此種系統適合於中小製冷供暖面積，臨近水邊的建築物。它利用池水或湖水下穩定的温度和顯著的散熱性，不需鑽井挖溝，初投資最小。但需要建築物周圍有較深、較大的河流或水域。

地源熱泵機組通過機組內閉式循環系統經過換熱器與由水泵抽取的深層地下水進行冷熱交換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。此係統適合建築面積大，周圍空地面積有限的大型單體建築和小型建築羣落。

地源熱泵的應用方式從應用的建築物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統、分散系統和混合系統。

用户使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統進行冷熱供應，多用於小型住宅，別墅等户式空調。

熱泵佈置在機房內，冷熱量集中通過風道或水路分配系統送到各房間。

用中央水泵，採用水環路方式將水送到各用户作為冷熱源，用户單獨使用自己的熱泵機組調節空氣。一般用於辦公樓、學校、商用建築等，此係統可將用户使用的冷熱量完全反應在用電上，便於計量，適用於獨立熱計量要求。

將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的系統，混合系統與分散系統非常類似，只是冷熱源系統增加了冷卻塔或鍋爐。

在製冷狀態下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環。通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的蒸發將室內空氣循環所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環的同時再通過冷媒/水熱交換器內冷媒的冷凝，由水路循環將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環轉移至地下水或土壤裏。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中，通過冷媒-空氣熱交換器，以13℃以下的冷風的形式為房供冷。

在制熱狀態下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，並通過四通閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環吸收地下水或土壤裏的熱量，通過冷媒/水熱交換器內冷媒的蒸發，將水路循環中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的冷凝，由空氣循環將冷媒所攜帶的熱量吸收。地源熱泵將地下的熱量不斷轉移至室內的過程中，以35℃以上熱風的形式向室內供暖。

美國（The United States） 1946年，美國第一台地源熱泵系統在俄勒岡州的波特蘭市中心區安裝成功。

1973年，美國阿克拉荷馬大廈安裝了地源熱泵空調系統，並且進行全面的系統研究。

1978年，美國能源部（DOE）開始對地源熱泵投入了大量的科技研發基金。

1979年，美國阿克拉荷馬州能源部成立了地源熱泵系統科技研發基金會。

1987年，國際地源熱泵協會（IGSHPA）在阿克拉荷馬州大學成立。

1988年，美國俄克拉荷馬商務部開始對地源熱泵進行商務推廣。

1993年，美國環保署（EPA）大力宣傳地源熱泵系統，加深美國民眾對地源熱泵的認識。

1994年，美國政府第一套地源熱泵空調系統在俄勒岡州國會大學安裝，地源熱泵從此在美國政府，軍隊，電力公司等得到了大量應用。

1998年，美國環保署（EPA）頒佈法規，要求在全國聯邦政府機構的建築中推廣應用地源熱泵系統。美國總統布什在他的得克薪斯州宅邸中也安裝了地源熱泵空調系統。 全球75%的地源熱泵系統安裝在北美地區。

美國：是世界上地源熱泵生產、使用和發展的頭號大國，

1985年：美國安裝的地源熱泵為14,000台；

1997年：45,000台；

2000年：400,000台；

2004年：670,000台；

2005年：1,000,000台。

加拿大：2005年地源熱泵系統新增比例增加了50%。

瑞士、挪威：是世界上地源熱泵應用人均比例最高的國家，應用比例高達96%。

奧地利：應用比例為45%。

丹麥：應用比例為35%。

日本：是亞洲地源熱泵技術最先進，使用比例最高的國家。

中國（China） 1997年，美國能源部（DOE）和中國科技部簽署了《中美能效與可再生能源合作議定書》，其中主要內容之一是“地源熱泵”項目的合作。

1998年，國內重慶建築大學、青島建工學院、湖南大學、同濟大學等數家大學開始建立了地源熱泵實驗台，對地源熱泵技術進行研究。

2006年，1月，國家建設部頒佈《地源熱泵系統工程技術規範國家標準》。

2006年，9月，瀋陽被國家建設部確定為地源熱泵技術推廣試點城市，到2010年底，實現全市地源熱泵技術應用面積約佔供暖總面積的1/3。

2006年，12月，建設部發布文件《“十一五”重點推廣技術領域》。作為新型高效，可再生能源新技術的水源熱泵技術被列入目錄。

地源熱泵是一種利用地球表面淺層水源(地下水、海水、河水和湖水等)或地下土壤熱源的低品位熱源，通過熱泵、製冷循環，製取冷量供夏天空調使用、製取熱量供冬天取暖使用。

地源熱泵制熱要比常規的電制熱或燃油、燃氣制熱經濟，通常製取相同的熱量，地源熱泵的耗電量只有電熱耗電量的1/4到1/5。因此，地源熱泵市場廣闊。

“十二五”期間，中國預計將完成地源熱泵供暖(製冷)面積3.5億平方米左右，屆時整個地熱能開發利用的市場規模總計將超過700億元。

到2015年，基本查清全國地熱能資源情況和分佈特點，建立國家地熱能資源數據和信息服務體系。全國地熱供暖面積達到5 億平方米，地熱發電裝機容量達到10萬千瓦，地熱能年利用量達到2000萬噸標準煤，形成地熱能資源評價、開發利用技術、關鍵設備製造、產業服務等比較完整的產業體系。

到2020年，地熱能開發利用量達到5000萬噸標準煤，形成完善的地熱能開發利用技術和產業體系。

應用弊端與選擇

地源熱泵的技術最大不足是“冷熱失衡”的問題。南方地區以供冷為主，常年向地下轉移熱量；而北方地區冬季供暖需求大，從土壤中大量吸收熱量。一般運行五到七年後，設施淺層地表由於冷熱使用失衡，導致地下蓄能偏冷或偏熱。常年製冷量大的區域，地下蓄能温度偏高；供暖利用率大的區域，蓄能温度偏低，從而導致系統温差小，換熱效率降低，從而降低了設備效率，同時影響周圍生態結構。

因此，地源熱泵應用受到不同地區、不同用户及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運行費用會隨着用户的不同而有所不同；採用地下水的利用方式，會受到當地地下水資源的制約；打井埋管受場地限制比較大，必須有足夠的面積用於打井和埋管；設計及運行中對全年冷熱平衡有較大要求，要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。

《水源熱泵機組》GB/T19409-2003

《蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組工商業用和類似用途的冷水（熱泵）機組》GB/T18430.1-2001

《製冷和供熱用機械製冷系統安全要求》GB9237-2001

《冷水機組能效限定值及能源效率等級》GB19577－2004

《公共建築節能設計標準》GB50189-2005

《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》GB50736-2012

《室外給水設計規範》GB50013

《地源熱泵系統工程技術規範》GB50366-2009

《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》CJJ101

《給水排水管道工程施工及驗收規範》GB50268

《通風與空調工程施工質量驗收規範》GB50243