隨著我國經濟的快速持續發展，能源消耗逐年增加，大力發展太陽能、地熱等可再生能源的合理利用已成為國家能源政策的重要組成部分。

近年來，地源熱泵系統在空調、采暖系統冷熱源設計中得到了越來越多應用。本文從地源熱泵系統的常用形式、系統選擇、水文地質要求、熱泵機組選型、系統節能等方面，對地源熱泵系統的應用設計進行探討，供大家參考。

所謂地源熱泵系統，簡單來說就是通過熱泵機組蒸發器和冷凝器水側的冬夏切換，夏季從地下提取冷量，冬季從地下提取熱量，并輸送給空調末端。

地源熱泵系統主要分為兩種形式：水源熱泵系統和土壤源熱泵系統，其中水源熱泵系統又分為地下水源熱泵系統和地表水源熱泵系統。

a)   水源熱泵系統

Ⅰ 地下水源熱泵系統

地下水源熱泵系統因為與機組的連接形式不同又分為開式系統和閉式系統。

開式系統是利用深水泵將地下水直接供應到每臺熱泵機組，經換熱后將井水回灌至地下。雖然開式系統在適當的機組和地下水條件下是一個非常有吸引力的選擇方式，但由于可能腐蝕機組和管路或導致管路阻塞，通常不建議在分散式水環熱泵系統中應用。

閉式系統是將地下水和機組一次側循環水用板式換熱器隔斷，板式換熱器采取小溫差換熱。因為板式換熱器可以將地下水循環管路長度縮短到最小，而機組一次側循環水可采用經過處理的滿足要求的水，可杜絕地下水對機組的腐蝕，所以閉式系統非常適用于水環熱泵系統。根據地下水深度和水溫的不同，可以在很大程度上抵消開式系統在性能上的優勢。

地下水源熱泵系統和傳統的冷熱源形式（電制冷機組、鍋爐、直燃機組等）在可重復利用、溫室效應、清潔性、運行費用等方面相比較，優點較為突出。但考慮近年國內大部分地區水資源的緊缺，地下水源熱泵系統在實際運行中并不能保證地下水全部回灌，即使全部回灌也會破壞地下巖層內的壓力分布，增加地質構造的不穩定性，而且地下水在抽取、回灌的過程中還是會被不同程度的污染，所以從可持續發展原則出發和為子孫后代考慮，設計人員在應用地下水源熱泵系統時應作謹慎思考。

Ⅱ 地表水源熱泵系統

地表水源熱泵系統是將江、湖、河流等地表水作為一個大恒溫器，將多組并聯的塑料管組成的熱交換器布置在水面以下，換熱器內流動的為熱泵機組一次側循環水。

我國東南部地區和長江中下游地區具有豐富的地表水資源，非常適用地表水源熱泵系統的運行條件。

另外，在北方地區，可以將污水處理后的二級排水作為冬季地源熱泵系統熱量提取對象，供給建筑物采暖熱水或生活熱水。

b)   土壤源熱泵系統

土壤源熱泵系統是將大地作為一個大恒溫器，將多組并聯的塑料管組成的熱交換器水平地敷設在土壤中，或者以U形管形式垂直布置在豎井中，換熱器內流動的為熱泵機組一次側循環水。在北方地區應用土壤源熱泵系統時應考慮換熱器內循環水的防凍。

土壤源熱泵系統對工程水文地質條件的要求相對較低，僅需要足夠的地面面積用來敷設水平或垂直熱交換器。

在工程確定采用地源熱泵系統后，首先需要根據當地的水文地質、氣候和工程的占地面積等條件以及各種地源熱泵形式的應用特點和影響因素來選擇合適的地源熱泵類型，以更好地滿足項目要求。以下就每種熱泵形式的適用條件和影響因素分別敘述。

c)   地下水源熱泵系統

Ⅰ 應有足夠的土地面積，以供合理地布置水井的間距，并有足夠的地下水量、水質較好、有合適的開采和回灌措施，當地政府部門對地下水源熱泵系統的應用無限制。

Ⅱ 必須由專業的水文地質勘察單位對項目施工地點進行水文地質勘察，勘察應采用勘測井的方式進行，并出具勘察報告書，報告書應包括以下內容：

（1）對地下水開采和回灌的論述；

（2）地下水壓梯度和對地下水流方向和流速的判斷；

（3）對地下巖石層在安全條件下能夠提供的地下水產量，水溫變化，土石層的傳熱性，以及水質分析結果等方面的論述；

（4）確定抽水井和回灌井的位置，以及對抽水井和回灌井的直徑、深度、間距、數量、施工方法和材料的建議。

Ⅰ 應對建筑物的冷、熱負荷進行詳細的逐時計算，得出最大耗熱量和耗冷量，并根據水文地質勘察報告合理確定冬、夏季的運行溫差，計算并確定所需的水井總流量。

Ⅱ 應根據建筑物類型、規模、高度、使用特點等因素確定采用閉式地下水系統或開式地下水系統。當建筑物層數較少、建筑物總高度較低時，可采用開式地下水系統；反之，當建筑物層數較多、建筑物總高度較高時，應采用閉式地下水系統。

Ⅲ 水井設計應由有資格的水文地質單位承擔，根據確定的水井總流量和水文地質勘察報告來合理設置水井的數量、間距和供水井、回灌井的尺寸，設計應包括以下內容：每口井的預期功能和容量；水井的數量和具體定位；鉆井的深度和口徑；套管要求；灌漿和回填材料以及    操作過程；鉆井設備的要求；供水井和回灌井的互相切換。

d)   地表水源熱泵系統

Ⅰ 項目應具有較好的地表水資源，地表水應具有足夠的面積和深度，冬季時還應該有足夠高的溫度。

地表水的面積和深度對系統供冷性能的影響要比對供熱性能的影響大。一般來講，當水深小于9m，水體就不會因溫度梯度而產生明顯的豎向分層現象，其散熱能力就比較小；當水深小于3m，夏季水體的溫度因日曬等原因可能會高于空氣的濕球溫度，因此用于供冷時其散熱能力并不比采用風冷冷水機組高；而在冬季地表水須保持足夠高的溫度以避免熱交換器內的水結冰。因此，地表水源熱泵系統較適合于我國長江中下游及其以南、以夏季冷負荷為主的地區。

對于較淺的地表水（4.5～6m），每1000m²水面夏季散熱量不應超過13KW，且水體不應產生溫度分層現象；而對于水深大于10m的深水湖和河流，每1000m²水面夏季散熱量不應超過70KW。

Ⅱ 地表水熱交換器的設計和選型一般由專業公司承擔，首先應根據建筑物的計算逐時最大冷、熱負荷和循環水溫差計算熱交換器盤管的總長度，然后來設計熱交換器的構造和流程，即確定環路數量（各環路長度應相等）、布置環路集管。

e)   土壤源熱泵系統

Ⅰ 項目應有足夠的地表面積，并應根據可用的地表面積確定采用垂直式或水平式土壤熱交換器。

對于垂直式土壤熱交換器，影響熱交換器換熱性能的主要因素為地下各層土壤（巖石）平均溫度及其導熱系數，因其所處的地層較深，地層溫度及其導熱系數主要受地下水流、各地層構造的影響，相對較穩定。

對于水平式土壤熱交換器，因其所處的地下層較淺，土壤溫度的季節性變化較大，因此熱交換器的換熱性能相對較差，布置熱交換器所需的地表面積相對垂直式熱交換器要大許多。而北方地區冬季的淺層土壤溫度已接近0℃，熱泵機組的效率會非常低，運行經濟性很差。

Ⅱ 無論采用垂直式土壤熱交換器還是水平式土壤熱交換器，均應由專業的地質勘察單位對項目施工地點進行地質勘察。

垂直式土壤熱交換器系統的地質勘察一般采用測試井的方式進行，測試井無需測試地下水產量，因此可以采用小直徑的護管套（50mm），勘察成本較低，但測試井的深度應比設計熱交換器的埋管深度低15m，并且應根據熱交換器敷設的地表面積確定1～3個測試井的數量,測試井在系統正常運行后可作為檢測井使用。測試井的測試報告應包括以下內容：

（1）地下水壓梯度和對地下水流方向和流速的判斷；

（2）對地下巖石層的水溫變化，土石層的傳熱性，以及水質分析結果等方面的論述；

水平式土壤熱交換器系統的地質勘察一般采用測試坑的方式進行，測試坑的深度應比熱交換器的最深處深1m，并且測試坑的數量應大于4口，測試坑的測試報告應包括以下內容：淺層地表結構，土壤的含水率、土質和導熱性。

Ⅰ 土壤熱交換器的選型設計和施工應由專業公司進行。首先應分別計算建筑物的年吸熱量和年散熱量，并根據地質勘察得出的土壤全年平均溫度來選擇恰當的熱泵機組最低和最高進液溫度，由此計算出熱交換器的吸熱長度和散熱長度，二者中較長者即為熱交換器的設計長度，然后根據熱交換器的形式確定土壤熱交換器的環路數和埋深。熱交換器選型時應盡量使年散熱量和年吸熱量相平衡，以保持地層的熱穩定性。

熱泵系統形式確定后，應根據建筑物類型、規模、高度、使用特點等因素確定采用分散式熱泵系統或集中式熱泵系統。

（1）分散式熱泵系統即水環熱泵系統，其熱泵機組一般為小型水－風熱泵機組，機組分散布置在每個空調房間內或附近。分散式熱泵系統適用于內區空調負荷較大、噪聲水平要求不高的建筑。

(2)集中式熱泵系統采用大型水－水熱泵機組向末端空調設備（空調機組或風機盤管）供給冬季熱水或夏季冷水。當建筑物具有內區負荷時，內外區應分別設置熱泵系統，內區為常年制冷，外區根據季節制冷或制熱。

另外，應根據進液溫度的高低選擇恰當的熱泵機組，目前我國大部分地區的地下水或地層的溫度一般都在10～20℃范圍內，因此應選用適合的低溫水源熱泵機組。

為了降低空調、采暖系統能耗，提高能源利用效率，國家有關法規、規范推薦了多種節能措施。結合地源熱泵系統的特點，有以下幾種較適用的節能措施。

a)   水系統變流量

由于系統負荷的不斷變化，地源熱泵系統一次側和二次側的水流量也需要隨著負荷的變化進行調節，常用的變流量調節方式有一次泵變速調節或二次泵變速調節兩種。

采用一次泵變速調節時，宜采用一臺大流量變頻調速泵來代替多臺并聯控制的方式，當系統流量較大時，應采用多臺并聯泵同步變頻調速的控制方式。一次泵變速系統適合于單幢建筑物的地源熱泵系統。

采用二次泵變速調節時，一次泵一般采用定速運行，多臺較小的二次泵采用變頻調速方式。二次泵系統較適合于多棟分散的距離較遠的建筑物水系統。

b)   水環熱泵系統

當建筑物具有較大的內區面積時，即內區空調負荷較大時，宜采用水環熱泵系統，各區設置分散的水－風熱泵機組。因內區需常年制冷，冬季內區熱泵系統會向水環路系統散熱，水環路會將這部分熱量轉移至需要制熱的外區熱泵系統，這樣可最大限度的減少地源側的取熱量，并減少水泵能耗。

c)   熱泵機組的熱量回收

當采用集中式熱泵系統時，可在水－水熱泵機組的冷凝器側串聯設置一個熱回收裝置（熱泵機組生產廠家配置），夏季當機組制冷時利用壓縮機高溫排氣回收部分熱量，供給建筑物部分衛生熱水。一般熱回收裝置的回收熱量約為機組壓縮機輸入功率的90%。

d)   直接供冷方式

當采用地下水源熱泵系統進行夏季供冷時，因地下水具有較低的和較恒定的溫度，結合末端地板輻射供冷系統，一次水經板式換熱機組小溫差換熱后可直接供給地板輻射供冷系統，熱泵機組僅需供給新風系統負荷，可節省大部分機組耗電量，地板輻射供冷系統負擔室內大部分冷負荷，新風系統負擔室內全部濕負荷和少部分冷負荷。這種熱、濕負荷獨立控制的空調系統可避免普通空調系統中存在的冷凝水存留產生霉菌問題、高能耗問題，并可大大提高室內空氣環境的舒適度。

當采用垂直式土壤熱交換器系統時，因其所處的地層也具有較低的和較恒定的溫度，也可采用上述直接供冷系統。

e)   采用地源熱泵系統時，應根據當地的氣候特征、項目可用的地表面積等因素合理選擇地源熱泵系統形式，并根據確定的地源熱泵系統形式由專業單位進行相應的地質勘察，并出具相應勘察報告；

f)   水井設計應由專業單位進行，其抽水井的抽水量和回灌井的回灌水量必須滿足系統負荷的要求。

g)   應根據建筑物特點選擇采用分散式熱泵系統或集中式熱泵系統，并根據一次水最高和最低溫度選擇適合的熱泵機組；

h)   系統設計時應盡可能的采用節能的系統形式和節能措施，降低建筑物能耗。

本文僅對常用的幾種地源熱泵形式進行了簡單的介紹，實際工程中應針對具體方案進行量化分析來確定系統的經濟性。