地源熱泵:熱能轉移裝置-中文百科頻道

簡介

概述

地源熱泵是一種利用淺層地熱能源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等的能量）的既可供熱又可制冷的高效節能系統。

一般在空調系統中，地能分别在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度後，供給室内采暖；夏季，把室内的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量。

熱源

地源熱泵已成功利用地下水、江河湖水、水庫水、海水、城市中水、工業尾水、坑道水等各類水資源以及土壤源作為地源熱泵的冷、熱源。

組成部分

地源熱泵供暖空調系統主要分三部分：室外地能換熱系統、地源熱泵機組和室内采暖空調末端系統。其中地源熱泵機主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個系統之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，地源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建築物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。

主要特點

（1）地源熱泵技術屬可再生能源利用技術。由于地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于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、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。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。這種儲存于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，也就是說消耗1KWh的能量，用戶可得到4KWh以上的熱量或冷量。

（3）地源熱泵環境效益顯著。其裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區内，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；可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建築，更适合于别墅住宅的采暖。

（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内，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，地源熱泵的技術以後可得到廣泛的應用。

然而，地源熱泵要實現制冷制熱，則需要給它提供動力來輸送制冷制熱管道中的循環水，傳統機房可提供動力，但施工起來比較複雜，難度高，周期長，采購的材料種類多，需庫存，漏水隐患大等等問題，針對此，市場上開發了一款新型的動力輸配系統設備-----節能空調機房。此機房系統是将傳統機房中的所有部件進行集成模塊化，實行一體化安裝的模式。不僅在施工難度上大大降低了，而且無需庫存，漏水隐患大大降低了，還能與主機進行無限聯動等等，由此可以看出，節能空調機房實為一款為暖通行業提供一整套的解決方案。

總而言之，節能空調機房、水力平衡分配器、多功能水箱與地源熱泵的結合為整個暖通系統增加亮點，同時在安裝上便捷了很多，施工時間、采購周期都大大縮短了，人工成本也将低了等等。由此可見節能空調機房與地源熱泵的配合是未來暖通行業必然的發展趨勢。

形式

水源/地源熱泵有開式和閉式兩種。

開式系統

是直接利用水源進行熱量傳遞的熱泵系統。該系統需配備防砂堵，防結垢、水質淨化等裝置。

閉式系統

是在深埋于地下的封閉塑料管内，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，封閉的塑料管内的防凍液将熱能傳送給熱泵，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，塑料管内注滿防凍的液體，并與熱泵相連。水平埋管占地面積大，土方開挖量大，而且地下換熱器受地表氣候變化的影響。

3、地表水

江、河、湖、海的水以及深井水統稱地表水。地源熱泵可以從地表水中提取熱量或冷量，達到制熱或制冷的目的。利用地表水的熱泵系統造價低，運行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和國家政策（如取深井水）的限制。

可再生性

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制冷空調系統，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态能量平衡系統，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于其中的近乎無限的太陽能或地能成為現實。

高效節能

地源熱泵機組利用土壤或水體溫度冬季為12-22℃，溫度比環境空氣溫度高，熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高；土壤或水體溫度夏季為18-32℃，溫度比環境空氣溫度低，制冷系統冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率大大提高，可以節約30--40%的供熱制冷空調的運行費用，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，鍋爐供熱隻能将90%以上的電能或70～90%的燃料内能為熱量，供用戶使用，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；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達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，該項技術将會成為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。

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。

300平米别墅，供暖季供暖和生活熱水運行費用與其它供暖方式相比：

研究對象為北京的一套高檔别墅，面積為300平米。各種價格參數取自市政府相關部門發布的《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。按用戶每天運行15小時，一個采暖季計算。

優點

環境和經濟

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%。

應用廣泛

地源熱泵系統可供暖、空調制冷，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，特别是對于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，地源熱泵可應用于賓館、居住小區、公寓、廠房、商場、辦公樓、學校等建築，小型的地源熱泵更适合于别墅住宅的采暖、空調。

維護費用低

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内，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，無需雇傭人員看管。

污染小

地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少38%以上，與電供暖相比，相當于減少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。

維護簡單

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

壽命長

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。

維持生态環境

地源熱泵夏天把室内的熱量排到地下，冬天把地下的熱量取出來供室内使用，相對來說，向環境排放更少的能量，維持生态環境的平衡。

節省空間

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

地源熱泵系統的能量來源于自然能源。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”。被認為是目前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、别墅、住宅等領域。

工作原理

在自然界中，水總是

由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低溫。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溫傳遞到高溫。

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倍于電能的裝置，提升溫度進行利用，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，地源熱泵隻是在大地和室内之間“轉移”能量。利用極小的電力來維持室内所需要的溫度。

在冬天，1千瓦的電力，将土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室内。在夏天，過程相反，室内的熱量被熱泵轉移到土壤或水中，使室内得到涼爽的空氣。而地下獲得的能量将在冬季得到利用。如此周而複始，将建築空間和大自然聯成一體。以最小的低價獲取了最舒适的生活環境。

熱泵原理

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，通過讓液态工質(制冷劑或冷媒)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，從而将環境裡的熱量轉移到水中。壓縮機(Compressor)：起着壓縮和輸送循環工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統的心髒；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制冷劑液體蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的；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，并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溫環境中吸熱，并向高溫環境放熱，周而往複地進行循環。

熱泵分類

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曆史，而且其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。但由于地區空氣溫度的差别，在我國典型應用範圍是長江以南地區。在華北地區，冬季平均氣溫低于零攝氏度，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、新出了一款超低溫空氣源熱泵專門針對華北地區的，超低溫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，一般地源熱泵的制冷供熱效率或能力高于空氣源熱泵，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。對于閉式循環系統，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，而在夏天則是将建築物内的熱能通過管道送入地下儲存；¨對于開式循環系統，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适地點；對于混合循環系統,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。

工作原理

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，供給室内采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室内熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。

系統類型

1.水平式地源熱泵

通過水平埋置于地表面2～4M以下的閉合換熱系統，它與土壤進行冷熱交換。此種系統适合于制冷供暖面積較小的建築物，如别墅和小型單體樓。該系統初投資和施工難度相對較小，但占地面積較大。

2.垂直式地源熱泵

通過垂直鑽孔将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。此種系統适合于制冷供暖面積較大的建築物，周圍有一定的空地，如别墅和寫字樓等。該系統初投資較高，施工難度相對較大，但占地面積較小。

3.地表水式地源熱泵

地源熱泵機組通過布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。此種系統适合于中小制冷供暖面積，臨近水邊的建築物。它利用池水或湖水下穩定的溫度和顯著的散熱性，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。

4.地下水式地源熱泵

地源熱泵機組通過機組内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。此系統适合建築面積大，周圍空地面積有限的大型單體建築和小型建築群落。

應用方式

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。

家用系統

用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統進行冷熱供應，多用于小型住宅，别墅等戶式空調。

集中系統

熱泵布置在機房内，冷熱量集中通過風道或水路分配系統送到各房間。

分散系統

用中央水泵，采用水環路方式将水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調節空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建築等，此系統可将用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，适用于獨立熱計量要求。

混合系統

将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，隻是冷熱源系統增加了冷卻塔或鍋爐。

制冷原理

在制冷狀态下，地源熱泵機組内的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環。通過冷媒/空氣熱交換器内冷媒的蒸發将室内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/水熱交換器内冷媒的冷凝，由水路循環将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裡。在室内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。

制熱原理

在制熱狀态下，地源熱泵機組内的壓縮機對冷媒做功，并通過四通閥将冷媒流動方向換向。由地下的水路循環吸收地下水或土壤裡的熱量，通過冷媒/水熱交換器内冷媒的蒸發，将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/空氣熱交換器内冷媒的冷凝，由空氣循環将冷媒所攜帶的熱量吸收。地源熱泵将地下的熱量不斷轉移至室内的過程中，以35℃以上熱風的形式向室内供暖。

曆史發展

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蘭特市中心區安裝成功。

1973年，美國阿克拉荷馬大廈安裝了地源熱泵空調系統，并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，加深美國民衆對地源熱泵的認識。

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）頒布法規，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産、使用和發展的頭号大國，

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：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》，其中主要内容之一是“地源熱泵”項目的合作。

1998年，國内重慶建築大學、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，國家建設部頒布《地源熱泵系統工程技術規範國家标準》。

2006年，9月，沈陽被國家建設部确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占供暖總面積的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、制冷循環，制取冷量供夏天空調使用、制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，通常制取相同的熱量，地源熱泵的耗電量隻有電熱耗電量的1/4到1/5。因此，地源熱泵市場廣闊。

“十二五”期間，中國預計将完成地源熱泵供暖(制冷)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将超過700億元。

能源局等4部委發布促進地熱能開發利用指導意見〔2013〕48号

到2015年，基本查清全國地熱能資源情況和分布特點，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2000萬噸标準煤，形成地熱能資源評價、開發利用技術、關鍵設備制造、産業服務等比較完整的産業體系。

到2020年，地熱能開發利用量達到5000萬噸标準煤，形成完善的地熱能開發利用技術和産業體系。

存在問題

目前地源熱泵的技術存在的最大不足是“土壤熱不平衡”的問題。南方地區以供冷為主，常年向地下注入熱量；而北方地區冬季供暖需求大，從土壤中大量吸熱，長年運行後将導緻土壤溫度失衡，影響周圍生态。

夏熱冬冷地區的夏季供冷量往往大于冬季供熱量，多出的熱量可通過冷卻塔散去，也可通過餘熱回收系統，用于供應生活熱水，從一定程度上緩解土壤熱不平衡的問題。

其次，地源熱泵應用會受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運行費用會随着用戶的不同而有所不同；采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于打井和埋管；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。