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地源热泵技术
一.概念
热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出可用的高品位热能的设备，可以把消耗的高品位电能转换为3倍甚至3倍以上的热能，是一种高效供能技术。热泵技术在空调领域的应用可分为空气源热泵、水源热泵以及地源热泵三类。由于热泵是提取自然界中能量，效率高，没有任何污染物排放，是当今最清洁、经济的能源方式。在资源越来越匮乏的今天，作为人类利用低温热能的最先进方式，热泵技术已经在全世界范围内受到广泛关注和重视。
"地源热泵"的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。地源热泵系统通常还被称为：地热热泵系统、地能系统、地源系统等，后来由美国供热制冷空调工程师协会（ASHRAE）统一为标准术语即地源热泵系统（ground-source heat pump system）。
地源热泵(也称地热泵)是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。通常地源热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的.地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环。
二、国内地源热泵的发展：
我国地源热泵经过几十年的发展已经具有很大的市场，生产地源热泵的厂家有一百多家，国外先进地源热泵技术也逐渐向国内引进，无论是在规模上还是在质量上，都在逐渐接近世界先进水平行列。同时，国内已有多家学术机构建立起土壤源热泵实验台，主要开展对地下换热器和地面热泵设备长期联合运行的研究。
我国地源热泵技术的建筑应用面积已超过1.4亿平方米，全国地源热泵系统年销售额超过80亿元，并以20%以上的速度增长，单体地源热泵系统应用面积高达80万平方米。从地源热泵主机市场来看，2010年，我国地源热泵主机市场规模约为25亿元，同比增长31%左右，增幅为近年来最大，到2011年市场规模达到31亿元，同比增长23%左右，2012年市场规模增加至33亿元左右。
地源热泵系统的能量来源于地下能源，它不向外界排放废气、废水、废渣，是一种高效节能系统，完全符合我国能源和经济可持续发展的方向。同时，作为可再生清洁能源，地热能已纳入“十二五”能源规划。国家初步计划在未来5年，完成地源热泵供暖(制冷)面积3.5亿平方米，按每平米200-300元的投资强度，总投资金额可达700-1050亿元。
我国城乡既有建筑总面积为500多亿平方米，城镇居住建筑面积约为105亿平方米，其中能达到建筑节能标准的仅占5%;同时，我国每年新增房屋建筑面积约20亿平方米，预计到2020年底，中国新增的房屋面积将近300亿平方米，建筑节能任务艰巨。地源热泵技术作为一种受国家政策支持的新型节能环保空调采暖技术将得到快速发展，从而推动地源热泵市场的快速发展，中国地源热泵市场前景看好。
三.地源热泵系统的分类 ：
热泵技术在空调领域的应用可分为空气源热泵、水源热泵以及地源热泵三类。
地源热泵系统根据地热交换系统形式的不同又可分为地表水地源热泵系统、地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统。
地源热泵系统按其循环形式可分为：闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。对于闭式循环系统，大部分地下换热器是封闭循环，所用管道为高密度聚乙烯管。管道可以通过垂直井埋入地下150－200英尺深，或水平埋入地下4－6英尺处，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流体从地下抽取热量，带入建筑物中，而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存；¨对于开式循环系统，其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源，在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后，水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点；对于混合循环系统,地下换热器一般按热负荷来计算，夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。
1. 地埋管地源热泵系统的换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管等。
Ø 水平式地源热泵：
通过水平埋置于地表面2～4M以下的闭合换热系统，它与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。该系统初投资和施工难度相对较小，但占地面积较大。
Ø 垂直式地源热泵：
通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M～400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如别墅和写字楼等。该系统初投资较高，施工难度相对较大，但占地面积较小。
2.地表水式地源热泵系统
地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。它利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。

3.地下水式地源热泵系统
地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。
四、地源热泵系统的组成
地源热泵系统主要分三部分（如下图）：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式：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，地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。

五、地源热泵系统的工作原理：
在自然界中，水总是由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。人们可以用水泵把水从低处抽到高处，实现水由低处向高处流动，热泵同样可以把热量从低温传递到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。
热泵原理：
热泵机组装置主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质(制冷剂或冷媒)不断完成：蒸发（吸取环境中的热量） →压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。

地源热泵是热泵的一种，其工作原理是：冬季，热泵机组从地源（浅层水体或岩土体）中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中，实现建筑物空调制冷。

制冷及供冷图
地源热泵系统在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由循环水路将冷媒中所携带的热量吸收，最终通过室外地能换热系统转移至地下水或土壤里。在室内热量通过室内采暖空调末端系统、水源热泵机组系统和室外地能换热系统不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空气热交换器（风机盘管）向房间供冷。

制热及供热图
地源热泵系统在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由室外地能换热系统吸收地下水或土壤里的热量，通过水源热泵机组系统内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以室内采暖空调末端系统向室内供暖。

六、地源热泵系统的优点：
1.高效节能，稳定可靠
　 地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40％－50％左右。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。
等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
2.无环境污染
　　地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，真正的实现了节能减排。
3.一机多用
　　地源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。
4.维护费用低
　　地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。
5.使用寿命长
　　地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。 要比普通空调高35年使用寿命。
6.节省空间
　　没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。
地源热泵与传统空调的区别：
稳定:整个系统运行稳定，不受室外气候条件的影响；
舒适:室温的分布更合理，温差小，舒适感好。
节能：比传统空调节能40%-60%；
环保：没有室外机，并且解决了城市热岛效应，无任何污染和排放。
七、地源热泵系统的特点：
1、地源热泵技术属可再生能源利用技术。
由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
2、地源热泵属经济有效的节能技术。
其地源热泵的COP值达到了4以上，也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量。
3、地源热泵环境效益显著。
该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
4、地源热泵一机多用，应用范围广。
地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。
5、地源热泵空调系统维护费用低。
地源热泵的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。
由以上的特点可以看出，地源热泵的技术以后可得到广泛的应用。
八、存在的问题
目前地源热泵的技术存在的最大不足是“土壤热不平衡”的问题。南方地区以供冷为主，常年向地下注入热量；而北方地区冬季供暖需求大，从土壤中大量吸热，长年运行后将导致土壤温度失衡，影响周围生态。夏热冬冷地区的夏季供冷量往往大于冬季供热量，多出的热量可通过冷却塔散去，也可通过余热回收系统，用于供应生活热水，从一定程度上缓解土壤热不平衡的问题。
其次，地源热泵应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约；打井埋管受场地限制比较大，必须有足够的面积用于打井和埋管；设计及运行中对全年冷热平衡有较大要求，要做到夏季往地下排放的热量与冬季从地下取用的热量大体平衡。
九、执行标准
产品标准
《水源热泵机组》GB/T19409-2003
《蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水（热泵）机组》GB/T18430.1-2001
《制冷和供热用机械制冷系统安全要求》GB9237-2001
冷水机组能效限定值及能源效率等级》GB19577－2004
设计标准
《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005
　《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012
　《室外给水设计规范》GB50013
工程标准
《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2009
《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101
　　《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268
　　《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243