地源熱泵系統的分類及工作原理
時間:2022-02-18
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地源熱泵（Ground-Source Heat Pumps，GSHP）包括：地埋管地源熱泵（Ground-Coupled Heat Pumps，GCHP）、地表水源熱泵（Surface Water Heat Pumps，SWHP）、地下水源熱泵（Ground water Heat Pumps，GWHP）。
圖：地源熱泵的分類
地埋管地源熱泵系統利用土壤作為熱源/熱匯，它由熱泵機組與一組埋于地下的埋地換熱器構成，埋地換熱器通常為高密度聚乙烯管或聚丁烯管，通過循環流體（水或防凍液）在封閉地下埋管中的流動，實現系統與大地之間的換熱。
圖：地埋管地源熱泵工作原理（冬季供熱）
在地埋管地源熱泵系統的運行過程中，建筑負荷動態變化與地下土壤換熱是密切相關、互相耦合的；因此，這種熱泵又被稱為土壤耦合熱泵。
埋地換熱器的埋管方式分為水平埋管和豎直埋管兩種。
1）水平埋管為淺層埋設，施工方便，初投資低于豎直埋管，但占用的土地面積較大，淺層土壤的溫度受地面氣溫影響較大，單位管長的換熱量較小。
2）豎直埋管的初投資較高，但深層土壤的溫度全年比較穩定，熱泵系統的運行也更穩定，是常采用的一種形式。
主要問題
對于豎直埋管熱泵系統，如果埋地換熱器冬季取熱量與夏季放熱量不平衡，則地下熱平衡會被破壞，導致地下土壤溫度越來越高或越來越低，埋地換熱器的換熱效果會受到影響。
地表水源熱泵是指利用地球表面淡水和海水的地源熱泵系統，根據所利用水源的不同，地表水源熱泵可分為淡水源熱泵和海水源熱泵；此外，有些學者把污水源熱泵也歸為地表水源熱泵。
圖：地表水源熱泵工作原理
根據地表水循環環路的結構形式將地表水源熱泵分為開式和閉式兩種形式。開式系統初投資較低，適合于規模較大的系統，如區域供冷供熱系統。閉式系統將換熱盤管放置在地表水體中，通過盤管內的循環介質與地表水進行換熱，閉式系統換熱盤管的材料多采用聚乙烯管，實際上這種閉式系統與地埋管地源熱泵系統類似。
主要問題
開式系統對水質有較高的要求，否則換熱器容易產生結垢、腐蝕、藻類或微生物滋長等現象。
閉式系統可以避免熱泵機組換熱器或中間換熱器內部腐蝕、結垢等現象，但是盤管的外表面受地表水水質的影響，往往會結垢，使外表面換熱系數降低，需要定期維護與清洗。在冬季氣候寒冷的地區，為了防止制熱時循環介質凍結，閉式系統需要采用防凍液作為循環介質。
地下水源熱泵系統從水井抽取的地下水，經過換熱后通過回灌井把地下水回灌到原來的地下含水層。
圖：地下水源熱泵工作原理
地下水源熱泵的應用需要有豐富而穩定的地下水源。在決定采用地下水源熱泵之前，要做詳細的水文地質調查；要打勘測井，以我取地下水溫度、地下水深度、水質和出水量等數據。
主要問題
地下水源熱泵需要有成熟的地下水回灌技術，如果回灌的速度低于抽水的速度，從地下抽出來的水經過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內，造成地下水資源的流失。如果不加以規范，勢必會造成地下水水位下降，誘發地面沉降、海水入侵和突發性巖巖溶坍塌等一系列環境、地質問題。此外，即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的問題。
參考資料：
陳曉. 地表水源熱泵理論及應用. 北京: 中國建筑工業出版社, 2011.05.
馬最良, 呂悅. 地源熱泵系統設計與應用. 北京: 機械工業出版社, 2013.7.
