地源熱泵系統(tǒng)是一種高效節(jié)能型并能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)。這種技術(shù)是將土壤等地下蓄熱體中的能量用于建筑物的熱交換，從而利用低品位能源來實現(xiàn)節(jié)能的目的。地源熱泵一般不會污染地下水，不會引起地面沉降；可以通過調(diào)整換熱器的埋置深度，避免對淺層土壤中的微生物環(huán)境造成破壞。合理利用自然資源，減少常規(guī)能源消耗，地源熱泵越來越呈現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢，并成為一種高效節(jié)能、無污染的可再生能源系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)可用于空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。
地源熱泵技術(shù)概述
地源熱泵(GSHP ground source heat pumps)大致分為三類，即土壤熱泵、地下水源熱泵和
地表水源熱泵。地源熱泵屬于人工冷熱源,可以取代鍋爐或城市供熱管網(wǎng)等系統(tǒng)。冬季它從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖；夏季它將普通空調(diào)系統(tǒng)攜帶的熱量向土壤、地下水或者地表水釋放，從而實現(xiàn)建筑物制冷；同時,它還可供應(yīng)生活用水，可謂一舉三得，是一種有效的利用能源的方式。
地源熱泵工作原理
在制冷工況下，壓縮機4對冷媒做功，使其進(jìn)行汽液轉(zhuǎn)化的逆卡諾循環(huán)。冷媒在蒸發(fā)器7內(nèi)蒸發(fā)，將空調(diào)系統(tǒng)所攜帶的建筑物內(nèi)的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷凝器3內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)通過埋地盤管1轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過空調(diào)系統(tǒng)末端裝置8，以13℃以下的冷風(fēng)的形式為房間供冷。
當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)回路、熱泵機組、地源水系統(tǒng)回路三部分分置時，所組成的系統(tǒng)為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)回路與熱泵機組合二為一，地源水系統(tǒng)回路延伸至建筑物內(nèi)時，所組成的系統(tǒng)為地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
地源熱泵系統(tǒng)形式
1狹義地源熱泵熱源系統(tǒng)——土壤熱交換器
土壤熱交換器熱源系統(tǒng),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"。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，實現(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)上的特點是有一個由地下埋管組成的地?zé)釗Q熱器。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1～2m深的溝，每個溝中埋設(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0.1～0.15m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。鉆孔的深度通常為40～m。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，系統(tǒng)中需加入防凍液，北方地區(qū)應(yīng)用時應(yīng)特別注意。
2地下水地表水換熱器
2.1地下水熱源系統(tǒng)
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，通常建議不在地源熱泵系統(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)下是一個有吸引力的選擇方式，但必須謹(jǐn)慎的使用。
實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)對熱泵造成影響。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，其溫度隨氣溫的波動很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運行十分有利。
2.2地表水熱源系統(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)熱泵的形式。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)較差時在換熱器中會產(chǎn)生污垢，影響傳熱，甚至影響系統(tǒng)的正常運行。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、機房面積和當(dāng)?shù)匾?guī)劃要求等。
地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
地源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比有著明顯的優(yōu)勢。
1高效節(jié)能，實現(xiàn)能源再生利用
夏季高溫差的散熱和冬季低溫差的取熱，使得地源熱泵系統(tǒng)換熱效率很高。因此在產(chǎn)生同樣熱量或冷量的時候，只需小功率的壓縮機就可實現(xiàn)，從而達(dá)到節(jié)能的目的，其耗電量僅為普通中央空調(diào)與鍋爐系統(tǒng)的40%～60%。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發(fā)到地球上的能量，比人類每年利用能量的倍還多。它不受地域、資源等限制，真正實現(xiàn)了量大面廣、無處不在。這種儲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。調(diào)研結(jié)果表明，使用地源熱泵技術(shù)，僅供暖季，就可節(jié)省能源30％～50％。
2綠色、環(huán)保無污染
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，減少40%以上，與電供暖相比，減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排量會更明顯。地源熱泵系統(tǒng)在冬季供暖時，不需要鍋爐，無燃
燒產(chǎn)物排放，可大幅度降低顆粒物等污染物的排放量，保護(hù)了環(huán)境。
3初投資增加，但運行維護(hù)費用低廉
調(diào)研結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)初投資費用，比目前常規(guī)燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)，高出1～3倍，比熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)，高出34％～％。但這種比較，均未計算傳統(tǒng)供熱輸送基礎(chǔ)設(shè)施投資，也未量化計算地源熱泵系統(tǒng)，除供暖，還能制冷，提供新風(fēng)、熱水，帶來的成本上節(jié)約。據(jù)專家初步計算，使用地源熱泵技術(shù)，投資增量回收期約為4～10年。
調(diào)研結(jié)果表明，63％的地源熱泵項目低于燃煤集中供熱的采暖價格，全部被調(diào)查項目均低于燃油、燃?xì)夂碗婂仩t供暖價格。
地源熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用中須解決的問題
(1)地源熱泵系統(tǒng)對土壤換熱器材質(zhì)的要求較高，埋設(shè)換熱器需要較大的場地，系統(tǒng)投資也較其它方式要高，所以這種系統(tǒng)一般應(yīng)用于面積比較小的居住類單體建筑，在大型工程中應(yīng)用相對困難。
(2)對土壤環(huán)境的影響。土壤埋管式熱泵系統(tǒng)的運行，勢必引起土壤環(huán)境溫度的劇烈變化，在其影響范圍內(nèi)的土壤微生物環(huán)境也將出現(xiàn)劇烈變化。土壤換熱器的埋置深度的大小，將影響建設(shè)投資的大小，同時也決定系統(tǒng)對植物根系、土壤微生物、建筑物基礎(chǔ)的影響程度。地下水源熱泵系統(tǒng)、地表水源熱泵系統(tǒng)對水系統(tǒng)環(huán)境的影響也應(yīng)進(jìn)行研究。
(3)地源熱泵系統(tǒng)要有豐富和穩(wěn)定的地下水資源。采用地下水熱泵系統(tǒng)之前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查，并先打勘測井，以獲取地下溫度、地下水深度、水質(zhì)和出水量等數(shù)據(jù)。如果地下水位較低，不僅成井的費用增加，水泵的運行能耗也將大大增加。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但目前國內(nèi)地下水回灌技術(shù)還不成熟，在某些水文地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來的水經(jīng)過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內(nèi)，造成地下水資源的流失。
(4)地表水源熱泵系統(tǒng)受豐水、枯水等自然條件的影響較大。由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當(dāng)環(huán)境溫度越低時熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數(shù)也會降低。一定的地表水體能夠承擔(dān)的冷熱負(fù)荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行計算。
在建筑供熱空調(diào)中采用地源熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體二氧化碳和其它燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種高效節(jié)能、無污染的可再生能源系統(tǒng)，是可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。推廣地源熱泵技術(shù)需要政府制定鼓勵使用新型可再生能源的經(jīng)濟(jì)政策。電力供應(yīng)不足和人民群眾消費水平較低曾經(jīng)是供熱空調(diào)中應(yīng)用熱泵技術(shù)的主要制約因素，隨著改革開放以來我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個制約因素已不復(fù)存在，空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求，并逐漸向農(nóng)村和南方擴展，市場前景很好。通過政府部門、科研機構(gòu)和工程技術(shù)人員的共同努力，借鑒國外的成功經(jīng)驗，我國的地源熱泵應(yīng)用將得到較快的推廣和發(fā)展。
