地源热泵工作原理[1]

地源热泵工作原理

1 地源热泵工作原理

地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。

2 地源热泵技术路线

地源热泵技术路线有以下两种：土--气型地源热泵技术和水--水型地源热泵技术

土--气型地源热泵技术以美国的技术为代表，水--水地源热泵技术以北欧的技术为代表。二者的差别是：前者从浅层土壤或地下水中取热或向其排热，通过分散布置于各个房间的地源热泵机组直接转换成热风或冷风为房间供暖或制冷。后者是从地下水中取热或向其排热，经过热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过布置在各个房间的风机盘管转换成热风或冷风给房间供暖或制冷。由于美国的土--气型地源热泵技术，可以不用地下水，采用埋设垂直管、水平管或向地表水抛设管路等多种方式，直接从浅层土壤取效或向其排热，不受地下水开采的限制，推广的范围更大、更灵活。

3 地源分类

地源按照室外换热方式不同可分为三类：(1)土壤埋管系统，(2)地下水系统，(3)地表水系统。

根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。闭环系统如埋盘管方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置换热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式。

此外，还有一种“直接膨胀式”，它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器（蒸发器）埋入地下进行换热。

4 地源热泵系统的形式

土-气型地源热泵系统按照室外换热方式不同分，主要有三类形式：

1、地耦管系统

该方案只需在建筑物的周边空地、道路或停车场打一些地耦管孔，室外水系统注满水后形成一个封闭的水循环，利用水的循环和地下土壤换热，将能量在空调室内和地下土壤之间进行转换。故该方案不需要直接抽取地下水，不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成任何影响，不会受到国家地下水资源政策的限制。2、地下水系统

项目附近如果有可利用的地表水，水温、水质、水量符合使用要求，则可采用开式地表水（直接抽取）换热方式，即直接抽取地表水，将其通过板式换热器与室内水循环进行隔离换热，可以避免对地表水的污染。此种换热方式可以节省打井的施工费用，室外工程造价较低。

3、地表水系统

项目附近如果有可利用的地表水，水温、水质、水量符合使用要求，则可采用抛放地耦管换热方式，即将盘管放入河水（或湖水）中，盘管与室内循环水换热系统形成闭式系统。该方案不会影响热泵机组的正常使用；另一方面也保证了河水（湖水）的水质不受到任何影响，而且可以大大降低室外换热系统的施工费用。

地源热泵在回灌困难地区的应用

北京市是伟大祖国的首都，为改善空气环境、减少大气污染，市委市政府早在2000年就提出了大气污染治理规划。在城区内利用清洁能源取代燃煤锅炉，禁止新

建燃煤锅炉。水源热泵空调作为一种清洁、节能、环保新技术很快被人们认识和接受。但在水源热泵系统的推广应用中，如何合理地抽取和回灌地下水是困惑用户的首要问题。在水文地质条件相对差的地区，回灌很难，出现了个别项目难以实现地下水的100%回灌，系统运行不稳定。

地源热泵空调系统正好弥补了水源热泵系统的不足，它通过密闭的PE换热管与地层进行热交换，为热泵提供冷热源，不再需要提取和回灌地下水。它的成功应用和示范，使在水文地质条件较差的地区也能使用地能资源。本文将对比水源热泵和地源热泵系统，以及它们所适用的地质条件和地区，并通过对朝阳区绿化局办公楼地源热泵空调系统的介绍，使大家对地源热泵进一步了解。

一、地能热泵系统的介绍

1.1地能概述

人类赖以生存的地球蕴藏着丰富的各类矿产资源，同时它还是一个非常巨大的能量资源库。以浅层地表为例，据调查地表以下5~10米的地层温度就不随室外大气温度的变化而变化，常年维持在15~17℃。这样的温度相对于北京等的北方城市，冬季它比大气温度（5~-15℃）高，是可利用的低品位热源；夏季它比大气温度（25~40℃）低，是可利用的冷源。

地能热泵系统就是利用地层的冬暖夏凉的特性，通过提取和释放地层中的热量，实现冬季供暖和夏季制冷。冬季通过输入1kW的电能，热泵机组可吸收2.5~3kW的地能，为建筑物提供3.5~4kW的热能；夏季通过输入1kW的电能，能为建筑物提供3.5~4kW的冷能。而该项目技术成功的关键就在于如何从地层中提取和释放热能。

水源热泵和地源热泵都属于地能热泵的范畴，不同之处就在于它们提取和释放地能的方式不同。

1.2水源热泵和地源热泵

1.2.1水源热泵系统

水源热泵是通过抽取与地层同温度的地下水，机组与地下水换热后，地下水通过

回灌井回灌到地层中。根据系统负荷量及需水量的大小，地层的出水能力和回灌能力来设计抽水井和回灌井的数量。

抽灌井可为一抽一灌、一抽多灌或多抽多灌。

1.2.2地源热泵系统

地源热泵系统通过在密闭的换热管里循环的循环液与地层之间进行热量交换，冬季吸热、夏季散热。根据系统负荷量的大小，地层的导热能力来设计换热孔形式、数量和深度。

图1水源热泵示意图

图2地源热泵示意图

1.2.3两个系统对比

二、北京市水文地质条件

北京市水文地质条件相对较好的地区主要分布在永定河古河道，潮白河古河道等，比较适合应用水源热泵的地区有：海淀区南部、石景山区、丰台区、大兴北部、城区、顺义县城东北部等部分地区。根据具体地点的水文地质条件不同，其单井的抽水量和回灌量都有所不同。

基本上所有的地区都能使用地源热泵，但平原区，如海淀北部、朝阳区、昌平区、顺义南部、通县、大兴南部等地区，地层颗粒细换热孔施工容易，成孔费用相对较低；山区及山前地区，由于地层为岩石地层或颗粒较大，钻孔费用较高。

三、地源热泵案例

北京市朝阳区绿化局位于朝阳区红领巾公园桥西北侧，新办公楼总建筑面积为4000m2，其中地上局部三层，地下一层。办公楼于2003年初开始建设，由于距离城市热源主干道较远，如采用燃气锅炉或城市热力供暖都需要投入很大的接口费用。因为红领巾公园所处地区，地层颗粒较细，主要以粘土、粉细砂、粗砂和砂砾层为主，所以选用了地源热泵系统。

建筑物的总热负荷为450kW（含30kW生活热水负荷），总冷负荷为480kW。空调系统选用东宇制冷设备厂生产的GWHP530Y30型水水热泵机组。地埋管系统布置在办公楼东侧道路下，换热孔共计26眼，成两列排布，孔间距为4米。每孔下入DN32的高密度聚氯乙烯（HDPE）换热管4个，底部采用U型接头（双U型）。换热孔一次埋设成功后，地面铺设了道路。

系统建成后经过了一个采暖季和一个制冷季，运行稳定，效果非常好。采暖季