地埋管式地源热泵系统

地源热泵的起源

地源一词是从英文“groundsource”翻译而来，汉语的内涵则十分广泛，应包括所有地下资源的含义。但在空调业内，目前仅指地壳表层（小于400米）范围内的低温热资源，它的热源主要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能。

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种,热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备.地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方.通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的.地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环.

地源热泵的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。

1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统。但是这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术、理论上都没有太大的发展。

20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源?；趴际艿街厥?，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。这一时期，欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵，主要用于冬季供暖。虽然欧洲是世界上发展地源热泵最成熟的地区，但是它也曾因为热泵专家不懂安装技术，安装工人又不懂热泵原理等因素，致使地源热泵的发展走了一段弯路。

随着科技的进步，关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格，地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地源热泵供暖和制冷技术。政府采取了相应的补贴政策和?；ふ撸沟玫卦慈缺蒙褪褂梅段а杆倮┐?。上世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10％。美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。

从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。

太阳能的47%被地表吸收，地表浅层蕴藏着几乎取之不尽、用之不竭的冷热源能量，并且其温度持续恒定，近似当地一年四季气温的平均值。根据这一特性，美国人最早发明了地埋管地源热泵，就是根据建筑物的面积、使用要求、周围场地及地质条件等诸因素，设计和优化方案。根据设计要求，在建筑物周围钻若干个直径为11—15CM、深度为50—130M的“地源孔”，埋入外径25—32MM高强度柔韧性好的U形PE管，再用粗细适当、材质相同的集、分流管将埋入地下的若干U型管连接成进水、出水两组总管道，通过专用低功率循环水泵的恒压进水、出水与热泵主机连接。其埋入地下与集、分流管相连的所有U形管，通过特殊施工工艺处理，直接与土壤耦合，管内循环流动的水是交换传输温度的介质，这个系统就是地下换热器，是地源热泵中央空调系统高效、节能、环保、舒适的关键。

根据可利用区域的不同情况，地下埋管既可竖直埋管（左图），又可水平放置（中图）。国外大量采用的是竖直埋管，这既节省场地，又可最大限度地利用地表深层的能量，管路系统更加安全、可靠、持久?；褂幸恢旨蛞仔问骄褪抢门坦苤苯臃胖糜诮雍唇谢蝗龋ㄓ彝迹?。其中竖直埋管，既可采用单Ｕ型，也可采用双Ｕ型，需视具体情况而定。

左中右

地表向下1.5—130米左右，一年四季的温度是相对恒定的，一般在16℃—20℃左右。地源热泵正是利用地能这一特性，通过输入少量的电能，最大限度地利用地温，实现由低温位向高温位或由高温位向低温位的转换。即：在冬季，把地下的热量“取”出来，经过热泵进一步换热后为室内供暖，同时将冷能传输到地下（见图一）；在夏季，把地下的冷能“取”出来，经过热泵进一步制冷后供室内使用，同时将热能释放到地下（见图二）。按换热载体分区，地源热泵的形式主要有四种：一是地表水地源热泵（包括海水源，江湖河溪水或地表潜水）；二是地下水地源热泵；三是地埋管地源热泵；四是混合式地源热泵。前两种涉及到开采利用地下水或地表水，有些地区可能受到当地政府政策法规的限制。

图一

图二

系统示意图:

系统功能：

1.夏冬季节，对室内进行制冷供暖，调节室内湿度。

2.提供生活热水。供冷时，采用热回收方式产生生活热水，这时的热水是免费的，过渡季节的生活热水是按热泵模式制取的。

3.低温热辐射地板采暖（可选）。冬季采用地板采暖能保证室内温度均匀，并且有效节约电能。

系统优势：

1．制冷供暖。费用低，4.2冬季运行时，COP约为4.2，即投入1KW电能，可得到4KW的热能，夏季运行时，COP可达5.3，投入1KW电能，可得到5KW的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；安全，无任何燃烧，不会用爆炸的危险；机组寿命长，机组长期在16℃水温下运行，大大提高了寿命。

2．生活热水。供冷时，热水完全免费，完全免除了夏季加热生活用水的费用；其他季节，同等条件下，生活用水的费用是燃气热水器的50%，是电热水器的25%。

3．低温热辐射地板采暖。健康、舒适，以辐射采暖为主，脚暖头凉，对老人小孩尤其好。不象传统采暖依靠对流容易传播灰尘和病菌。地暖比散热器采暖要节能20%-30%。寿命比普通暖气片要长得多，基本与建筑寿命相当。

地源热泵技术的主要优点:

1．高效：一般空调对着空气换热称为风冷热泵，缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量或热量时效率反而下降。地温一年四季基本恒定在16℃左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。

2．节能省费用：冬季运行时，COP约为4.2，即投入1KW电能，可得到4KW的热能，夏季运行时，COP可达5.3，投入1KW电能，可得到5KW的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。

3．环保：供热时没有燃烧过程，避免了排烟污染，供冷时省了冷却塔，避免了噪音及霉菌污染。

4．舒适：因为地源热泵机组供冷暖时都是通过冷热水经风机旁管（或地板管、墙埋管）交换完成的，所产生的冷气和暖气（或辐射热）比常规空调的要更柔和的多，热不易感冒。

5．节省占地面积：省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场，节省了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象。

6．安全：无燃烧设备，从而不存在爆炸、失火和中毒的隐患。

7．机组寿命长：热泵机组长期在良好的低温井水（16℃）下进行热交换工作，可大大延长机组寿命。

8．一机多用：地源热泵系统可供暖，空调，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。

9．可再生：土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。

10．可分区控制：中央空调享受的档次，又可达到单体空调局部控制的效果，不存在“大马拉小车”。

市场上现有传统空调存在如下一系列问题：

1．存在热岛效应:使得外界局部空间环境条件恶化。

2．当空气温度低于零度时，机组效率下降，并且当环境温度低于-5℃时，机组效率极低，甚至无法开机，需加辅助热源（家用普通3P机仅电辅加热就达2000W），辅助加热时的能效比COP要小于1。

3．冬季室外机组需要频繁?；浣峁浅鹗г颊既缺米苣芎牡?0.2%，如普通3P机就要增加300瓦电能浪费。武汉地区因为空气湿度大，一般当环境温度5℃时外机就开始结霜。

4．夏天当空气温度高于35℃时，常规空调机组效率开始下降，空气温度越高，机组制冷效率越低，能耗增加。在空气温度为30℃时，常规空调机组能效比COP也仅有2.2左右。

5．室外机或冷却塔有噪音及霉菌污染。

6．室外机（压缩机）长年暴露在露天，寿命大大减少。灰尘集在散热器上，起了保温作用，增加了能耗。

7．常规中央空调不能分区分部控制，即存在“大马拉小车”问题。

地源热泵空调采集能源方式对比

地源热泵系统有几种采集能源方式：

1.抽取江河湖海水源；

2.抽取地下井水源；

3.埋设地埋管。

抽取江河湖海水源和抽取地下井水源方式一般用于大型建筑较多，埋设地埋管方式用于大型建筑近几年也多了起来，如武汉新火车站、湖北新档案馆、武汉奇石馆、上海国际会展中心等。

江河湖海中的水含有杂质及矿物质较多，也就是水的硬度较高，设备及系统易结垢，时间长系统效率下降，另外，设备维护量大，也影响设备运行寿命。地下井水的硬度就更高，钙镁含量非常高，趋于饱和，结垢就更加容易。

地下埋管方式不存在设备系统结垢问题，因管道里的水是密闭循环的一次性充填的自来水，不与土直接接触，不会溶解土石中的钙镁化合物，也就不存在结垢问题。

抽取江河湖海水源和抽取地下井水源方式比地下埋管方式一次性投资要少许多，在大型项目上较划算，因为，大型项目本身配有专业操作维护人员，另外节省的一次性投资价差利息可支付给专业操作维护人员工资、维护费和配件费。

家庭别墅地源热泵用抽取地下及井水源方式存在的问题：

一、因地下水长期与土壤和岩石接触，使得地下水硬度很高，地下水极易造成管道和冷热交换器上结垢，结垢大大影响设备效率。因此，每年需两次（两个使用季节）用酸性液体清洗设备结垢，对家庭较麻烦也很费工（但大型建筑使用抽水方式比较合适，埋管与抽水方式价差较大，用价差利息可请专人清洗和维护设备）。

二、用酸性液体清洗管道和冷热交换器上结垢时，比较容易腐蚀设备中的铜体部件及铁金属管道，将大大减少设备系统的使用寿命。

三、酸性清洗液非常污染环境，属于强烈制癌物，必须要用专门的装置回收。酸性液体可使地板变色，会烧死草皮等植物，更加会影响人的健康。

四、抽水井水位会因气候变化而上下变动，因此会造成设备系统运行不正常，甚至无法运行,抽水方式只适用于地下水丰富地区。

五、抽排水井一般视设计、施工、操作运行情况每1到2年要维护和清洗一次，否则会淤井或死井(大孔径单热井不会)。

六、抽取地下水如不能很好的同层还回，将会造成地面下沉(大孔径单热井不会)。

没有足够深度的江河湖海水源的情况下，别墅装地源热泵中央空调肯定选埋管方式最佳.