地源热泵的分类型式、原理

一、地源热泵系统的分类

1.埋管式地源热泵系统也称地下耦合热泵系统或土壤热交换器地源热泵，包括一个土壤耦合地热交换器。它或是水平安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

1）水平埋管地源热泵系统

比较简单的方式是当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下。

当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器的布置问题，常有的布置方式有以下两种。

（a）串联式水平埋管

（b）并联式水平埋管

2）垂直埋管地源热泵系统

（a）比较简单的方式是，当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，换热器井数比较少，可以直接接入机房。

（b）当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器井群的布置问题，一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房。

（c）垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：桩基换热器（或叫做能量桩），即在桩基里布设在换热管道。

（d）地热智能桥，类似桩基换热器，由桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥。雪落到桥面后，这些盘管利用地热将雪融化。地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制。

3）螺旋埋管地源热泵系统

（a）长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统

（b）长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统）

（c）埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫： 沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。

2. 地下水热泵系统

也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。

无论是深井水，还是地下热水都是热泵的良好的低位热源。地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。深井水的水温一般月比当地气温高1—2℃。

通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行。

单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为“热井”。在这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一直；在地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150mm，孔深450m。

3.地表水热泵系统

由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。

4.直接膨胀式

它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的蒸发器直接埋入地下进行换热，即制冷剂直接进入地下回路进行换热，由于取消了板式或者套管式式换热器，换热效率有所提高，但是由于制冷剂使用量比较大，整体经济性和安全性不高。

二、地源热泵应用方式

地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类。

1.家用系统

用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

2.商用系统

从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

1）集中系统

热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

2）分散系统

用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反映在用电上。便于计量，适用于目前的独立热计量要求。

3）混合系统

将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。

分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。

4）水环路热泵空调系统

它由许多台水源热泵空调机组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源。水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。

夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量由水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。

春季/秋季运行：对有内区与周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显。

三、地源热泵机组供冷、供暖运行原理

夏季：

冷凝器一侧：（如前地源热泵空调系统运行原理所讲）将从深井取出的低温水，或者是与深井低温水（土壤中的含水层）换热后的冷水直接通过水泵送入冷凝器，从进水口进入，低温水在冷凝器中与高温高压的氟里昂进行热交换，把氟里昂的热量带走，降低氟里昂的温度。得到热量后温度升高的水源从冷凝器出水口1出来回灌至地下（或者再次与地下水换热，得到低温冷水）。完成一次冷却过程/循环。

蒸发器一侧：用户端循环水进入蒸发器，从另一个进水口进入，蒸发器中氟里昂蒸发吸热，带走水中的热量，使循环水温度降低（按国家标准一般降至7℃），冷冻水经过水泵做功送至用户端，达到制冷的效果。

冬季：

冷凝器一侧：通过外管路切换，用户端循环水进入冷凝器，从进水口进入，低温水（约40℃左右）在冷凝器中与高温高压的氟里昂进行热交换，把氟里昂的热量带走，降低氟里昂的温度。得到热量后用户端管路水温度升高，热水（一般在40-60℃之间）再经过水泵做功送至用户端，给建筑物供暖。

蒸发器一侧：将从深井取出的低温水，或者是与深井低温水换热后的冷水直接通过水泵送入蒸发器，从另一个进水口进入，蒸发器中氟里昂蒸发吸热，带走水中的热量，使井水温度降低（一般可以降至7℃），然后从出水口出来回灌至地下（或者再次与地下水换热，得到较高温度的水源）。完成一次取热过程/循环。