地埋管式地源熱泵系統

地源熱泵的起源

地源一詞是從英文“groundsource”翻譯而來，漢語的內涵則十分廣泛，應包括所有地下資源的含義。但在空調業內，目前僅指地殼表層（小于400米）范圍內的低溫熱資源，它的熱源主要來自太陽能，極少能量來自地球內部的地熱能。

地源熱泵是利用淺層地能進行供熱制冷的新型能源利用技術，是熱泵的一種,熱泵是利用卡諾循環和逆卡諾循環原理轉移冷量和熱量的設備.地源熱泵通常是指能轉移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方.通常熱泵都是用來做為空調制冷或者采暖用的.地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力,冬季地源把熱量從地下土壤中轉移到建筑物內,夏季再把地下的冷量轉移到建筑物內,一個年度形成一個冷熱循環.

地源熱泵的概念，最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術的提出始于英、美兩國。

1946年美國在俄勒岡州的波蘭特市中心區建成第一個地源熱泵系統。但是這種能源的利用方式沒有引起當時社會各界的廣泛注意，無論是在技術、理論上都沒有太大的發展。

20世紀50年代，歐洲開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當時的能源價格低，這種系統并不經濟，因而未得到推廣。直到20世紀70年代初世界上出現了第一次能源危機，它才開始受到重視，許多公司開始了地源熱泵的研究、生產和安裝。這一時期，歐洲建立了很多水平埋管式土壤源熱泵，主要用于冬季供暖。雖然歐洲是世界上發展地源熱泵最成熟的地區，但是它也曾因為熱泵專家不懂安裝技術，安裝工人又不懂熱泵原理等因素，致使地源熱泵的發展走了一段彎路。

隨著科技的進步，關于能源消耗和環境污染的法律制訂越來越嚴格，地源熱泵的發展迎來了它的另一次高潮。歐洲國家以瑞士、瑞典和奧地利等國家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術。政府采取了相應的補貼政策和保護政策，使得地源熱泵生產和使用范圍迅速擴大。上世紀80年代后期，地源熱泵技術已經趨于成熟，更多的科學家致力于地下系統的研究，努力提高熱吸收和熱傳導效率，同時越來越重視環境的影響問題。地源熱泵生產呈現逐年上升趨勢，瑞士和瑞典的年遞增率超過10％。美國的地源熱泵生產和推廣速度很快，技術產生了飛速的發展，成為世界上地源熱泵生產和使用的頭號大國。

從地源熱泵應用情況來看，北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應用情況，對我國地源熱泵的發展有著借鑒意義。

太陽能的47%被地表吸收，地表淺層蘊藏著幾乎取之不盡、用之不竭的冷熱源能量，并且其溫度持續恒定，近似當地一年四季氣溫的平均值。根據這一特性，美國人最早發明了地埋管地源熱泵，就是根據建筑物的面積、使用要求、周圍場地及地質條件等諸因素，設計和優化方案。根據設計要求，在建筑物周圍鉆若干個直徑為11—15CM、深度為50—130M的“地源孔”，埋入外徑25—32MM高強度柔韌性好的U形PE管，再用粗細適當、材質相同的集、分流管將埋入地下的若干U型管連接成進水、出水兩組總管道，通過專用低功率循環水泵的恒壓進水、出水與熱泵主機連接。其埋入地下與集、分流管相連的所有U形管，通過特殊施工工藝處理，直接與土壤耦合，管內循環流動的水是交換傳輸溫度的介質，這個系統就是地下換熱器，是地源熱泵中央空調系統高效、節能、環保、舒適的關鍵。

根據可利用區域的不同情況，地下埋管既可豎直埋管（左圖），又可水平放置（中圖）。國外大量采用的是豎直埋管，這既節省場地，又可最大限度地利用地表深層的能量，管路系統更加安全、可靠、持久。還有一種簡易形式就是利用盤管直接放置于江河湖泊進行換熱（右圖）。其中豎直埋管，既可采用單Ｕ型，也可采用雙Ｕ型，需視具體情況而定。

左中右

地表向下1.5—130米左右，一年四季的溫度是相對恒定的，一般在16℃—20℃左右。地源熱泵正是利用地能這一特性，通過輸入少量的電能，最大限度地利用地溫，實現由低溫位向高溫位或由高溫位向低溫位的轉換。即：在冬季，把地下的熱量“取”出來，經過熱泵進一步換熱后為室內供暖，同時將冷能傳輸到地下（見圖一）；在夏季，把地下的冷能“取”出來，經過熱泵進一步制冷后供室內使用，同時將熱能釋放到地下（見圖二）。按換熱載體分區，地源熱泵的形式主要有四種：一是地表水地源熱泵（包括海水源，江湖河溪水或地表潛水）；二是地下水地源熱泵；三是地埋管地源熱泵；四是混合式地源熱泵。前兩種涉及到開采利用地下水或地表水，有些地區可能受到當地政府政策法規的限制。

圖一

圖二

系統示意圖:

系統功能：

1.夏冬季節，對室內進行制冷供暖，調節室內濕度。

2.提供生活熱水。供冷時，采用熱回收方式產生生活熱水，這時的熱水是免費的，過渡季節的生活熱水是按熱泵模式制取的。

3.低溫熱輻射地板采暖（可選）。冬季采用地板采暖能保證室內溫度均勻，并且有效節約電能。

系統優勢：

1．制冷供暖。費用低，4.2冬季運行時，COP約為4.2，即投入1KW電能，可得到4KW的熱能，夏季運行時，COP可達5.3，投入1KW電能，可得到5KW的冷量，能源利用效率為電采暖方式的3-4倍；安全，無任何燃燒，不會用爆炸的危險；機組壽命長，機組長期在16℃水溫下運行，大大提高了壽命。

2．生活熱水。供冷時，熱水完全免費，完全免除了夏季加熱生活用水的費用；其他季節，同等條件下，生活用水的費用是燃氣熱水器的50%，是電熱水器的25%。

3．低溫熱輻射地板采暖。健康、舒適，以輻射采暖為主，腳暖頭涼，對老人小孩尤其好。不象傳統采暖依靠對流容易傳播灰塵和病菌。地暖比散熱器采暖要節能20%-30%。壽命比普通暖氣片要長得多，基本與建筑壽命相當。

地源熱泵技術的主要優點:

1．高效：一般空調對著空氣換熱稱為風冷熱泵，缺點在于天氣炎熱或者寒冷最需要冷量或熱量時效率反而下降。地溫一年四季基本恒定在16℃左右，略高于該地區平均溫度1到2度，使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率點。

2．節能省費用：冬季運行時，COP約為4.2，即投入1KW電能，可得到4KW的熱能，夏季運行時，COP可達5.3，投入1KW電能，可得到5KW的冷量，能源利用效率為電采暖方式的3-4倍；并且熱交換器不需要除霜，減少了結霜和除霜的用電能耗。

3．環保：供熱時沒有燃燒過程，避免了排煙污染，供冷時省了冷卻塔，避免了噪音及霉菌污染。

4．舒適：因為地源熱泵機組供冷暖時都是通過冷熱水經風機旁管（或地板管、墻埋管）交換完成的，所產生的冷氣和暖氣（或輻射熱）比常規空調的要更柔和的多，熱不易感冒。

5．節省占地面積：省去了冷卻塔、鍋爐及與之配套的煤棚和渣場，節省了土地資源，產生附加經濟效益，并改善了建筑物的外部形象。

6．安全：無燃燒設備，從而不存在爆炸、失火和中毒的隱患。

7．機組壽命長：熱泵機組長期在良好的低溫井水（16℃）下進行熱交換工作，可大大延長機組壽命。

8．一機多用：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。

9．可再生：土壤有較好的蓄熱性能，冬季通過熱泵將大地淺層的低位熱能提高對建筑供暖，同時蓄存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑物內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫，同時蓄存熱量，以備冬用，保證大地熱量的平衡。

10．可分區控制：中央空調享受的檔次，又可達到單體空調局部控制的效果，不存在“大馬拉小車”。

市場上現有傳統空調存在如下一系列問題：

1．存在熱島效應:使得外界局部空間環境條件惡化。

2．當空氣溫度低于零度時，機組效率下降，并且當環境溫度低于-5℃時，機組效率極低，甚至無法開機，需加輔助熱源（家用普通3P機僅電輔加熱就達2000W），輔助加熱時的能效比COP要小于1。

3．冬季室外機組需要頻繁停機除霜，其結果是除霜損失約占熱泵總能耗的10.2%，如普通3P機就要增加300瓦電能浪費。武漢地區因為空氣濕度大，一般當環境溫度5℃時外機就開始結霜。

4．夏天當空氣溫度高于35℃時，常規空調機組效率開始下降，空氣溫度越高，機組制冷效率越低，能耗增加。在空氣溫度為30℃時，常規空調機組能效比COP也僅有2.2左右。

5．室外機或冷卻塔有噪音及霉菌污染。

6．室外機（壓縮機）長年暴露在露天，壽命大大減少?；覊m集在散熱器上，起了保溫作用，增加了能耗。

7．常規中央空調不能分區分部控制，即存在“大馬拉小車”問題。

地源熱泵空調采集能源方式對比

地源熱泵系統有幾種采集能源方式：

1.抽取江河湖海水源；

2.抽取地下井水源；

3.埋設地埋管。

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較多，埋設地埋管方式用于大型建筑近幾年也多了起來，如武漢新火車站、湖北新檔案館、武漢奇石館、上海國際會展中心等。

江河湖海中的水含有雜質及礦物質較多，也就是水的硬度較高，設備及系統易結垢，時間長系統效率下降，另外，設備維護量大，也影響設備運行壽命。地下井水的硬度就更高，鈣鎂含量非常高，趨于飽和，結垢就更加容易。

地下埋管方式不存在設備系統結垢問題，因管道里的水是密閉循環的一次性充填的自來水，不與土直接接觸，不會溶解土石中的鈣鎂化合物，也就不存在結垢問題。

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資要少許多，在大型項目上較劃算，因為，大型項目本身配有專業操作維護人員，另外節省的一次性投資價差利息可支付給專業操作維護人員工資、維護費和配件費。

家庭別墅地源熱泵用抽取地下及井水源方式存在的問題：

一、因地下水長期與土壤和巖石接觸，使得地下水硬度很高，地下水極易造成管道和冷熱交換器上結垢，結垢大大影響設備效率。因此，每年需兩次（兩個使用季節）用酸性液體清洗設備結垢，對家庭較麻煩也很費工（但大型建筑使用抽水方式比較合適，埋管與抽水方式價差較大，用價差利息可請專人清洗和維護設備）。

二、用酸性液體清洗管道和冷熱交換器上結垢時，比較容易腐蝕設備中的銅體部件及鐵金屬管道，將大大減少設備系統的使用壽命。

三、酸性清洗液非常污染環境，屬于強烈制癌物，必須要用專門的裝置回收。酸性液體可使地板變色，會燒死草皮等植物，更加會影響人的健康。

四、抽水井水位會因氣候變化而上下變動，因此會造成設備系統運行不正常，甚至無法運行,抽水方式只適用于地下水豐富地區。

五、抽排水井一般視設計、施工、操作運行情況每1到2年要維護和清洗一次，否則會淤井或死井(大孔徑單熱井不會)。

六、抽取地下水如不能很好的同層還回，將會造成地面下沉(大孔徑單熱井不會)。

沒有足夠深度的江河湖海水源的情況下，別墅裝地源熱泵中央空調肯定選埋管方式最佳.