地熱熱泵系統，又稱為地源熱泵(Ground Source heat pump)，是以地源能(土壤、地下水、地表水、低溫地熱水和尾水)作為熱泵夏季製冷的冷卻源、冬季採暖供熱的低溫熱源，同時是實現採暖、製冷和生活用熱水的一種系統。
它用來替代傳統的用制冷機和鍋爐進行空調、採暖和供熱的模式，是改善城市大氣環境和節約能源的一種有效途徑，也是國內地源能利用的一個新發展方向。
基本介紹
- 中文名：地熱熱泵系統
- 外文名：Geothermal heat pump
- 優點：清潔、節能
- 組成：室外換熱、熱泵、室內空調系統
- 提出時間：1912年
- 原理：夏季吸熱、冬季放熱
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發展歷史
1912年，瑞士Zoelly首次提出利用淺層地熱能(地源能)作為熱泵系統低溫熱源的概念，並申請了專利，這標誌著地源熱泵系統的問世。
至1948年，Zoelly的專利技術才真正引起人們普遍的關注，尤其在美國和歐洲各國，開始重視此項技術的理論研究。
1974年以來，隨著能源危機和環境問題日益嚴重，人們更重視以低溫地熱能為能源的地源熱泵系統的研究，具代表性的有Oklahoma州立大學、Oak Ridge國家實驗室、Louisiana州立大學、Brookhaven國家實驗室等。
現今，地源熱泵已在北美、歐洲等地廣泛套用，技術也趨於成熟。美國正在實現每年安裝40萬台地源熱泵的目標;在瑞士、奧地利、丹麥等北歐國家，地源熱泵在家用的供暖設備中占有很大比例。
組成
地熱熱泵系統主要由三部分組成：室外地源換熱系統、水源熱泵機組和室內採暖空調末端系統。
1、室外地熱換熱系統主要包括土壤埋盤管、水循環(地下水和地表水)。根據冷凝器出水溫度的不同，地源熱泵又可分為常溫型和高溫型兩種。
如果建築物附近有可利用的海、湖或水池，而且水溫合適(10~200℃)，利用地表水系統是最節能、最經濟的。夏季冷凝器吸熱後的冷卻水經密封的管道系統流入湖或池中，利用溫度穩定的池水或湖水散熱。冬季吸取湖水或池水的熱量並將熱量傳遞給熱泵機組工質，最後傳遞至室內。
2、地下水系統一般採用開放的循環系統。冷卻水經熱交換器後向地下深井水放熱(冬季吸熱)，從水井中抽取的地下水進入熱交換器吸熱(冬季放熱)後，從回灌井進入地下。如果水質良好，亦可省去熱交換器，抽井水的地下水可直接進入熱泵機組的換熱器進行放熱(或吸熱)。地下水系統適用於地下水源豐富的地區。地下水的溫度長年非常穩定，不受外界氣溫影響，所以熱泵機組可以高效運行。
對於地表水和地下水源缺乏以及地下水開採受限制的地區，土壤埋管系統將是最佳的選擇。管道埋於地下淺層土壤中，循環水經水管壁直接與土壤進行熱交換。
夏季循環水將制冷機組吸收的熱量向土壤放熱，冬季從土壤中吸熱並將熱量經熱泵機組傳遞至室內。常見的有水平埋管方式和垂直埋管方式。水平埋管通常採用淺層埋設，開挖技術要求不高，但換熱能力低於垂直埋管，而且占地面積大和開挖工程量大；垂直埋管通常有U形管和套管兩種方式，常用的方式是U形埋管換熱器，雖然套管式換熱器的換熱能力優於U形管換熱器，但投資大，工程實際套用較少。
原理
地源熱泵的工作原理比較簡單。夏季運行時，熱泵機組的蒸發器吸收建築物內的熱量，到達製冷空調，同時冷凝器通過與地下水的熱交換，將熱量排到地下；冬季運行時，熱泵機組的蒸發器吸收地下水的熱量作為熱源，通過熱泵循環，由冷凝器提供熱水向建築室內供暖。
優點
1、清潔可再生的能源利用技術
地表淺層土壤和水體是一個巨大的太陽集熱器，收集了近47%的太陽能量，比人類每年所消耗能量的500倍還多，同時也是一個巨大的動態能量平衡系統，自然保持能量吸收和發散的相對平衡。地源熱泵技術能成功的利用儲存於其中的熱能。
2、高效節能的技術
地源熱泵以土壤、地下水、地表水的熱能作為熱源，冬季在制熱運行時，地下水溫度比環境溫度高，使水源熱泵的蒸發溫度比其他類型熱泵的蒸發溫度大大提高，且不受環境變化的影響，所以能效比提高;夏季製冷運行時，由於夏季地下水、地表水溫度比環境溫度低，冷凝壓力降低，壓縮機輸入功率減少，使製冷性能比風冷式或冷卻塔式制冷機組有較大提高。大量測試數據表明，由此導致的機組效率提高，可節省能源達20%以上。
3、環境保護和經濟效益顯著
地源熱泵以電為動力，運行時不產生對環境有害的物質。抽取的地下水或地表水(河水、海水、湖水)大多實行封閉式回灌，對地下水資源和環境不產生破壞作用，效益顯著。地源熱泵耗電量少，與空氣熱泵相比，節電40 %;與電供熱比較，節電70 %。制熱時與燃氣鍋爐比較，節能50 %;與燃油鍋爐比較，節能70 % o
4、節省建設用地
採用地源熱泵供冷和供熱系統，不需要建鍋爐和冷卻塔，以及堆放燃料和燃燒廢物的場地，節省了建築場地和經費。
5、一機多用，套用廣泛
地熱熱泵系統可供暖、製冷和提供生活熱水，對於同時要求供熱、供冷的建築物，地源熱泵有著明顯的優勢。
6、運行穩定可靠
地溫的波動範圍遠遠小於環境空氣溫度的變動，使地熱熱泵全年運行穩定。系統部件少，維護費用低，自動化程度高，使用壽命可達15年以上。
地熱熱泵系統的設計
地源熱泵系統的設計，包括兩個大部分，即建築物內空調系統的設計和地源熱泵系統的地下部分設計。
建築物內空調系統的設計，已有比較成熟的技術。而地下埋管的換熱器、地表水系統的換熱器以及地下水系統的鑽井系統等方面的設計國內還不夠規範。但兩部分之間又相互關聯，如建築物的供冷、供熱負荷，水源熱泵的選型，進水溫度(EWT)，性能係數(COP)都與地下部分換熱器的結構、性能有密切的關係。
