3.地源熱泵系統(tǒng)形式
3.1 土壤熱交換器地源熱泵
土壤熱交換器地源熱泵是利用地下巖土中熱量的閉路循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng)。通常稱之為“閉路地源熱泵”，以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)，或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環(huán)液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉地下埋管中的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地下耦合熱泵系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是有一個(gè)由地下埋管組成的地?zé)釗Q熱器(geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地?zé)釗Q熱器的設(shè)置形式主要有水平埋管和垂直埋管兩種。水平埋管形式是在地面開1～2米深的溝，每個(gè)溝中埋設(shè)2、4或6根塑料管。
垂直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1～0.15 m的鉆孔，在鉆孔中設(shè)置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實(shí)。鉆孔的深度通常為40～200m。現(xiàn)場可用的地表面積是選擇地?zé)釗Q熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地?zé)釗Q熱器可以比水平埋管節(jié)省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情。管溝或豎井中的熱交換器成并聯(lián)連接，再通過集管進(jìn)入建筑中與建筑物內(nèi)的水環(huán)路相連接。在液體溫度較低時(shí)，系統(tǒng)中需加入防凍液，北方地區(qū)應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意。
3.2 地下水地源熱泵
地下水源熱泵的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經(jīng)過換熱的地下水可以排入地表水系統(tǒng)，但對于較大的應(yīng)用項(xiàng)目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。水質(zhì)良好的地下水可直接進(jìn)入熱泵換熱，之后將井水回灌地下，這樣的系統(tǒng)稱為開式系統(tǒng)。由于可能導(dǎo)致管路阻塞，更重要的是可能導(dǎo)致腐蝕發(fā)生，通常不建議在地源熱泵系統(tǒng)中直接應(yīng)用地下水。開式系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)牡叵滤畻l件和建筑物參數(shù)下是一個(gè)有吸引力的選擇方式，但必須謹(jǐn)慎的使用。
實(shí)際工程中更多采用閉式環(huán)路的熱泵循環(huán)水系統(tǒng)，即采用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環(huán)水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質(zhì)對熱泵的影響。通常系統(tǒng)包括帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運(yùn)行，根據(jù)溫度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消開式系統(tǒng)在性能上的優(yōu)勢。由于地下水溫常年基本恒定，夏季比室外空氣溫度低，冬季比室外空氣溫度高，且具有較大的熱容量，因此地下水熱泵系統(tǒng)的效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3～4.5，并且不存在結(jié)霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國得到了迅速發(fā)展。
無論是深井水，還是地下熱水都是熱泵的良好低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動(dòng)很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運(yùn)行十分有利。
3.3 地表水地源熱泵
地表水地源熱泵系統(tǒng)由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的熱交換器取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū)需要進(jìn)行防凍處理。
地表水熱泵系統(tǒng)的一個(gè)熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词侵档每紤]的一種空調(diào)熱泵的型式。熱泵與地表水的換熱可采用開式循環(huán)或閉路循環(huán)的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環(huán)液換熱后再排入水體。但水質(zhì)較差時(shí)在換熱器中會(huì)產(chǎn)生污垢，影響傳熱，甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。更常用的地表水熱泵系統(tǒng)采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱，可以避免水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問題。
在實(shí)際工程中，有大量的應(yīng)用特性可以幫助我們決定以上系統(tǒng)中的哪一種形式最適宜選擇。其中包括可用地下水含量、可用地表水面積、現(xiàn)場土地面積、潛在熱回收能力、建筑物高度和規(guī)模、機(jī)房面積和當(dāng)?shù)匾?guī)劃要求等。
4.地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比有著無可比擬的優(yōu)勢。
表1 地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)特點(diǎn)比較(1萬平方建筑，負(fù)荷為100瓦/平方)
項(xiàng)目 地源熱泵中央空調(diào) 溴化鋰吸收式直燃機(jī)組 水冷機(jī)組+燃油(氣)熱水鍋爐 水冷機(jī)組+電熱鍋爐
占地面積 機(jī)房占地面積小可設(shè)在地下室 機(jī)房占用建筑面積，冷卻塔占用屋頂面積儲(chǔ)油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積，儲(chǔ)油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積需要較大的電負(fù)荷
設(shè)備壽命 20年 10年 冷水機(jī)組20年燃油鍋爐10年 冷水機(jī)組20年，電鍋爐15年
水資源消耗量 只利用地下水的熱量采用回灌技術(shù)，不消耗水資源 冷卻水循環(huán)量的2%冬季供熱的排污補(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補(bǔ)水
驅(qū)動(dòng)能源方式 電能能源利用系數(shù)為3.8-4.5 燃油或燃?xì)饽茉蠢孟禂?shù)80% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季燃油或燃?xì)?0% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季90%
環(huán)境保護(hù) 無燃燒污染，水資源不和制冷劑接觸，水沒有污染 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 無燃燒污染，夏季有一定的噪音和水霉菌污染（冷卻塔）
備注 需要一定量的水資源 機(jī)房需要設(shè)置自動(dòng)安全報(bào)警系統(tǒng) 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜鍋爐房需要設(shè)置自動(dòng)安全報(bào)警裝置 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜
它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：
（1）屬可再生能源利用技術(shù)
地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400m深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以成為之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發(fā)的到地球上的能量，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(chǔ)存于地表淺層并類似于一種無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源的一種形式。
（2）屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)
地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵冷、熱源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外，低能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
據(jù)美國環(huán)保署（EPA）估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。
（3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠
正是由于地層溫度一年四季相對穩(wěn)定，其溫度的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的波動(dòng)，是很好的冷熱源；同時(shí)由于溫度的恒定性，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
（4）環(huán)境效益顯著
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排量會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。該裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，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(yuǎn)距離輸送熱量，可以極大地改善其它空調(diào)方式的CO2 的排放。
（5）舒適程度高
由于地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱更為平穩(wěn)，降低了停、開機(jī)的頻率和空氣過熱和過冷的峰值。這種系統(tǒng)更容易適應(yīng)供冷、供熱負(fù)荷的分區(qū)。
（6）一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的2套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
（7）自動(dòng)運(yùn)行
地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡單系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，可無人值守；此外，機(jī)組使用壽命長，均在20年以上。
3.1 土壤熱交換器地源熱泵
土壤熱交換器地源熱泵是利用地下巖土中熱量的閉路循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng)。通常稱之為“閉路地源熱泵”，以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)，或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環(huán)液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉地下埋管中的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地下耦合熱泵系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是有一個(gè)由地下埋管組成的地?zé)釗Q熱器(geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地?zé)釗Q熱器的設(shè)置形式主要有水平埋管和垂直埋管兩種。水平埋管形式是在地面開1～2米深的溝，每個(gè)溝中埋設(shè)2、4或6根塑料管。
垂直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1～0.15 m的鉆孔，在鉆孔中設(shè)置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實(shí)。鉆孔的深度通常為40～200m。現(xiàn)場可用的地表面積是選擇地?zé)釗Q熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地?zé)釗Q熱器可以比水平埋管節(jié)省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情。管溝或豎井中的熱交換器成并聯(lián)連接，再通過集管進(jìn)入建筑中與建筑物內(nèi)的水環(huán)路相連接。在液體溫度較低時(shí)，系統(tǒng)中需加入防凍液，北方地區(qū)應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意。
3.2 地下水地源熱泵
地下水源熱泵的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經(jīng)過換熱的地下水可以排入地表水系統(tǒng)，但對于較大的應(yīng)用項(xiàng)目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。水質(zhì)良好的地下水可直接進(jìn)入熱泵換熱，之后將井水回灌地下，這樣的系統(tǒng)稱為開式系統(tǒng)。由于可能導(dǎo)致管路阻塞，更重要的是可能導(dǎo)致腐蝕發(fā)生，通常不建議在地源熱泵系統(tǒng)中直接應(yīng)用地下水。開式系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)牡叵滤畻l件和建筑物參數(shù)下是一個(gè)有吸引力的選擇方式，但必須謹(jǐn)慎的使用。
實(shí)際工程中更多采用閉式環(huán)路的熱泵循環(huán)水系統(tǒng)，即采用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環(huán)水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質(zhì)對熱泵的影響。通常系統(tǒng)包括帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運(yùn)行，根據(jù)溫度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消開式系統(tǒng)在性能上的優(yōu)勢。由于地下水溫常年基本恒定，夏季比室外空氣溫度低，冬季比室外空氣溫度高，且具有較大的熱容量，因此地下水熱泵系統(tǒng)的效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3～4.5，并且不存在結(jié)霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國得到了迅速發(fā)展。
無論是深井水，還是地下熱水都是熱泵的良好低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動(dòng)很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運(yùn)行十分有利。
3.3 地表水地源熱泵
地表水地源熱泵系統(tǒng)由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的熱交換器取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū)需要進(jìn)行防凍處理。
地表水熱泵系統(tǒng)的一個(gè)熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词侵档每紤]的一種空調(diào)熱泵的型式。熱泵與地表水的換熱可采用開式循環(huán)或閉路循環(huán)的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環(huán)液換熱后再排入水體。但水質(zhì)較差時(shí)在換熱器中會(huì)產(chǎn)生污垢，影響傳熱，甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。更常用的地表水熱泵系統(tǒng)采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱，可以避免水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問題。
在實(shí)際工程中，有大量的應(yīng)用特性可以幫助我們決定以上系統(tǒng)中的哪一種形式最適宜選擇。其中包括可用地下水含量、可用地表水面積、現(xiàn)場土地面積、潛在熱回收能力、建筑物高度和規(guī)模、機(jī)房面積和當(dāng)?shù)匾?guī)劃要求等。
4.地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比有著無可比擬的優(yōu)勢。
表1 地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)特點(diǎn)比較(1萬平方建筑，負(fù)荷為100瓦/平方)
項(xiàng)目 地源熱泵中央空調(diào) 溴化鋰吸收式直燃機(jī)組 水冷機(jī)組+燃油(氣)熱水鍋爐 水冷機(jī)組+電熱鍋爐
占地面積 機(jī)房占地面積小可設(shè)在地下室 機(jī)房占用建筑面積，冷卻塔占用屋頂面積儲(chǔ)油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積，儲(chǔ)油設(shè)備需要占地面積 須冷凍站和鍋爐房，冷卻塔占用屋頂面積需要較大的電負(fù)荷
設(shè)備壽命 20年 10年 冷水機(jī)組20年燃油鍋爐10年 冷水機(jī)組20年，電鍋爐15年
水資源消耗量 只利用地下水的熱量采用回灌技術(shù)，不消耗水資源 冷卻水循環(huán)量的2%冬季供熱的排污補(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補(bǔ)水 冷卻水循環(huán)量的2%冬季鍋爐的排污補(bǔ)水
驅(qū)動(dòng)能源方式 電能能源利用系數(shù)為3.8-4.5 燃油或燃?xì)饽茉蠢孟禂?shù)80% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季燃油或燃?xì)?0% 夏季：電能利用系數(shù)為3.5-3.8冬季90%
環(huán)境保護(hù) 無燃燒污染，水資源不和制冷劑接觸，水沒有污染 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 有燃燒污染，有一定的噪音和水霉菌污染(冷卻塔) 無燃燒污染，夏季有一定的噪音和水霉菌污染（冷卻塔）
備注 需要一定量的水資源 機(jī)房需要設(shè)置自動(dòng)安全報(bào)警系統(tǒng) 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜鍋爐房需要設(shè)置自動(dòng)安全報(bào)警裝置 需要設(shè)置兩套機(jī)組和人員，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜
它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：
（1）屬可再生能源利用技術(shù)
地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400m深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以成為之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發(fā)的到地球上的能量，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(chǔ)存于地表淺層并類似于一種無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源的一種形式。
（2）屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)
地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵冷、熱源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外，低能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
據(jù)美國環(huán)保署（EPA）估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。
（3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠
正是由于地層溫度一年四季相對穩(wěn)定，其溫度的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的波動(dòng)，是很好的冷熱源；同時(shí)由于溫度的恒定性，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
（4）環(huán)境效益顯著
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排量會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。該裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，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(yuǎn)距離輸送熱量，可以極大地改善其它空調(diào)方式的CO2 的排放。
（5）舒適程度高
由于地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱更為平穩(wěn)，降低了停、開機(jī)的頻率和空氣過熱和過冷的峰值。這種系統(tǒng)更容易適應(yīng)供冷、供熱負(fù)荷的分區(qū)。
（6）一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的2套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
（7）自動(dòng)運(yùn)行
地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡單系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，可無人值守；此外，機(jī)組使用壽命長，均在20年以上。