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暖通南社

一、地源熱泵系統的分類

1.埋管式地源熱泵系統也稱地下耦合熱泵系統或土壤熱交換器地源熱泵，包括一個土壤耦合地熱交換器。它或是水平安裝在地溝中，或是以U形管狀垂直安裝在豎井之中。通過中間介質（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質在土壤耦合地熱交換器的封閉環路中循環流動，從而實現與大地土壤進行熱交換的目的。

1）水平埋管地源熱泵系統。

比較簡單的方式是當室内負荷比較小，土壤換熱器長度比較短，可以把與單回路管子随開挖土方施工直接埋入地下。

當室内負荷比較大，土壤換熱器長度比較長，就需要考慮換熱器的布置問題，常有的布置方式有以下兩種。

（a）串聯式水平埋管

（b）并聯式水平埋管

2）垂直埋管地源熱泵系統

（a）比較簡單的方式是，當室内負荷比較小，土壤換熱器長度比較短，換熱器井數比較少，可以直接接入機房。

（b）當室内負荷比較大，土壤換熱器長度比較長，就需要考慮換熱器井群的布置問題，一般是若幹口井彙集到集水器中，然後統一由幹管接入機房。

（c）垂直埋管地源熱泵系統有一種特殊形式叫：樁基換熱器（或叫做能量樁），即在樁基裡布設在換熱管道。

（d）地熱智能橋，類似樁基換熱器，由橋闆中埋管的地源熱泵自動融雪的橋被稱為地熱智能橋。雪落到橋面後，這些盤管利用地熱将雪融化。地源熱泵的開啟靠輸入的當地氣象參數來控制。

3）螺旋埋管地源熱泵系統

（a）長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統

（b）長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統（盤旋布置埋管地源熱泵系統）

（c）埋管地源熱泵系統有一種特殊布置形式叫： 溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統，也有學者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統。

2. 地下水熱泵系統

也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統。通過建造抽水井群将地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組，經提取熱量或釋放熱量後，由回灌井群灌回地下。

無論是深井水，還是地下熱水都是熱泵的良好的低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度随季節氣溫的波動很小，特别是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運行十分有利。深井水的水溫一般月比當地氣溫高1—2℃。

通常系統包括帶潛水泵的取水井和回灌井。闆式熱交換器采取小溫差換熱的方式運行。

單井換熱熱井，也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國外常稱為“熱井”。在這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護套，直徑和孔徑一直；在地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設施。熱泵機組出水直接在孔洞上部進入，其中一部分在地下水位以下進入周邊岩土換熱，其餘部分在邊壁處與岩土換熱。換熱後的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機組供水。這一方式主要應用于岩石地層，典型孔徑為150mm，孔深450m。

3.地表水熱泵系統

由潛在水面以下的、多重并聯的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，它們被連接到建築物中，并且在北方地區需要進行防凍處理。利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。

4.直接膨脹式

它不象上述系統那樣采用中間介質水來傳遞熱量，而是直接将熱泵的蒸發器直接埋入地下進行換熱，即制冷劑直接進入地下回路進行換熱，由于取消了闆式或者套管式式換熱器，換熱效率有所提高，但是由于制冷劑使用量比較大，整體經濟性和安全性不高。

二、地源熱泵應用方式

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。

1.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。

2.商用系統

從輸送冷熱量方式可分為集中系統、分散系統和混合系統。

1）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。

2）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映在用電上。便于計量，适用于目前的獨立熱計量要求。

3）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。

南方地區，冷負荷大，熱負荷低，夏季适合聯合使用地源和冷卻塔，冬季隻使用地源。北方地區，熱負荷大，冷負荷低，冬季适合聯合使用地源和鍋爐，夏季隻使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節省投資。

分散系統或混合系統實質上是一種水環路熱泵空調系統形式。

4）水環路熱泵空調系統

它由許多台水源熱泵空調機組成。這些機組由一個閉式的循環水管路連在一起，該水管路既作空調工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯合方式。

夏季運行：全部或大多數機組為供冷，熱量由水環路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。

春季/秋季運行：對有内區與周邊區的建築物，會出現内區需要供冷而周邊區需要供熱，内區的熱量就可被周邊區所利用，即内區空調的排熱與周邊區熱泵供熱所需熱量接近平衡時，室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建築物内部轉移，運行費用最少，節能效果明顯。

三、地源熱泵機組供冷、供暖運行原理

下圖是地源熱泵機組供冷、供暖運行原理圖。

夏季：

冷凝器一側：（如前地源熱泵空調系統運行原理所講）将從深井取出的低溫水，或者是與深井低溫水（土壤中的含水層）換熱後的冷水直接通過水泵送入冷凝器，如下圖從進水口1進入，低溫水在冷凝器中與高溫高壓的氟裡昂進行熱交換，把氟裡昂的熱量帶走，降低氟裡昂的溫度。得到熱量後溫度升高的水源從冷凝器出水口1出來回灌至地下（或者再次與地下水換熱，得到低溫冷水）。完成一次冷卻過程/循環。

蒸發器一側：用戶端循環水進入蒸發器，如圖從進水口2進入，蒸發器中氟裡昂蒸發吸熱，帶走水中的熱量，使循環水溫度降低（按國家标準一般降至7℃），冷凍水經過水泵做功送至用戶端，達到制冷的效果。

冬季：

冷凝器一側：通過外管路切換，用戶端循環水進入冷凝器，如圖從進水口1進入，低溫水（約40℃左右）在冷凝器中與高溫高壓的氟裡昂進行熱交換，把氟裡昂的熱量帶走，降低氟裡昂的溫度。得到熱量後用戶端管路水溫度升高，熱水（一般在40-60℃之間）再經過水泵做功送至用戶端，給建築物供暖。

蒸發器一側：将從深井取出的低溫水，或者是與深井低溫水換熱後的冷水直接通過水泵送入蒸發器，如圖從進水口2進入，蒸發器中氟裡昂蒸發吸熱，帶走水中的熱量，使井水溫度降低（一般可以降至7℃），然後從出水口2出來回灌至地下（或者再次與地下水換熱，得到較高溫度的水源）。完成一次取熱過程/循環。

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