土壤源热泵技术简介

土壤源热泵的概念最早出现在1912年，经过50多年的研究与开发，土壤源热泵技术在北美和欧洲已非常成熟，针对土壤源热泵机组、地热换热器以及系统设计和安装有一整套标准、规范、计算方法和施工工艺。在美国土壤源热泵系统占整个空调系统的20％，是美国政府极力推广的节能环保技术。

我国土壤源热泵的研究始于20世纪80年代，近十几年来发展很快，并已开始应用于工程实践。

土壤源热泵包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的系统，土壤源热泵系统是一种机械蒸汽压缩制冷循环的运行系统，该系统将热量排入地表层或从地表层吸收热量。土壤源热泵主要有垂直地埋管土壤土壤源热泵系统、水平地埋管土壤土壤源热泵系统、地下水土壤源热泵系统、地表水土壤源热泵系统。以下主要介绍土壤源热泵。

土壤源热泵（GSHP：Ground Source Heat Pump）可以解释为土壤热交换器土壤源热泵（Geothermal Heat Exchanger），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。不同的管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过不同的集管进入建筑物内并与其中的水环路相连接。在液体温度较低时系统中需加入防冻液。

许多采用土壤源热泵系统的商用或公用项目，还可考虑适合热交换器安装的其他有关地域，如运动场、草坪和公园等。

背景材料1：

考察一个工程是否适合采用土壤源热泵系统时，首先要看是否有足够的场地布设换热孔，一般公共建筑可按30%建筑面积估算，换热孔可布置在绿地、停车场、学校操场、甚至可以考虑在建筑基础下埋设）。

背景材料2：

换热孔的深度及孔径主要根据当地的地质条件、现有钻机的钻进能力，通过经济性比较确定。一般第四系粘土、粉质粘土地层比较容易钻，钻进成本也较低，而基岩地层不易钻，成本较高，对该两种地层所采用的钻机也不同。

背景材料3：

目前在京津地区，换热孔的深度一般为80～150米之间，多数项目的孔深北京150米、天津120米。孔径主要受地层和钻机形式的影响，一般在150-300mm之间。在粘土层厚的地层中考虑缩径影响需要孔径较大。

1．土壤源热泵的技术特点

土壤源热泵系统通过制冷剂在热泵机组内实现逆卡诺制冷循环，将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷，夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用；同样，冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样，通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换。

在制冷状态下，土壤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。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管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凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13℃以下的冷风的形式为房间供冷。

在制热状态下，土壤源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，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蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管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35℃以上热风的形式向室内供暖。

（1）利用可再生能源

土壤源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400m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成为之为地能（Earth Energy），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%的太阳所散发的到地球上的能量，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并类似于一种无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。

（2）运行经济节能

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵冷、热源，这种温度特性使得土壤源热泵比传统空调系统运行效率要高。据美国环保署（EPA）估计，设计安装良好的土壤源热泵，平均来说可以节约用户30%～40%的供热制冷空调的运行费用。

（3）环境效益显著

土壤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，如果结合其他节能措施节能减排量会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；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，可以极大地改善其它空调方式的CO2的排放。

（4）应用范围广

土壤源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观，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。

2．土壤源热泵的经济性

土壤源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。地下埋管的初投资较高，但根据国外的经验，由于土壤源热泵运行费用低，增加的初投资可在3～7年内收回，土壤源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。

背景材料4：

换热孔内安装的PE管一般有双U型和单U型两种形式。单U型的一般采用40mm的HDPE管，双U型的一般采用32mm的HDPE管。根据国外的研究资料，双U型的比单U型的可提高换热量15～20%。目前，国内也大多采用双U型的埋管方式。

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换热孔间距主要受土壤导热系数、提取/释放热量、以及机组运行工况等因素影响。归纳以上因素为：热影响半径。可以通过一些专业软件（GLD、ED等），在给定的条件进行模拟计算。同时考虑施工条件限制，一般换热孔间距在5米左右。