地源熱泵系統

地源熱泵系統是以岩土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建築物內系統組成的供熱空調系統。根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。它們均使用大地作為熱源（冬季）或散熱器（夏季）。

地源熱泵可利用地下水、江河湖水、水庫水、海水、城市中水、工業尾水、坑道水等各類水資源以及土壤源作為地源熱泵的冷、熱源。

狹義的地源熱泵（又稱地熱熱泵）是藉由利用地下溫度全年相對穩定的特性，在地下埋設換熱器作爲熱泵的低位熱源來實現供熱的裝置，熱泵也可以在夏季實現製冷循環，此時地下換熱器成爲高位熱匯。

地源熱泵（Ground-Source Heat Pumps，簡稱 GSHPs，在北美也常稱為 地熱熱泵 GHPs）是目前提供暖通空調（HVAC）與熱水供應中能源效率最高的技術之一，其耗能低於傳統的化石燃料鍋爐和電加熱設備。

其效率以性能係數（Coefficient of Performance，COP）表示，通常介於 3 至 6 之間，意味著系統每消耗 1 單位電能，即可提供 3–6 單位的熱能。

由於需要在大面積土地中鋪設地下管路或鑽設地埋井，地源熱泵的安裝成本高於其他供暖系統，因此常在新建公寓或住宅項目中一併安裝。相比之下，空氣源熱泵的前期安裝成本較低，但在極冷或極熱天氣下，其性能係數（COP）會較低。

## 土壤的熱物性

地源熱泵的原理是利用環境空氣溫度與地下不同深度土壤溫度之間的差異來實現供熱和製冷。

地表附近土壤的熱特性可描述如下：

· 表層（土壤深度約 1 公尺內）：

溫度對日照與天氣變化非常敏感。

· 淺層（約 8–20 公尺，取決於土壤類型）：

土壤的熱容量使溫度隨深度呈指數方式衰減，逐漸接近該地點的年平均氣溫；同時溫度變化會落後於地表約 6 個月，也就是說，地下溫度高峰約在地表高峰之後半年出現。

· 更深層：

溫度幾乎保持恆定，並依據地溫梯度，每增加 1 公尺深度，溫度約上升 0.025°C。

「穿透深度（penetration depth）」指的是地下溫度變化幅度低於地表變化的 1%（0.01）時的深度，此數值亦取決於土壤類型。

晝夜與年度溫度循環的穿透深度（單位：公尺）

土壤類型｜晝夜變化 (m)｜年度變化 (m)

岩石｜1.10｜20.5

濕黏土｜0.95｜18.0

濕砂土｜0.80｜14.5

乾黏土｜0.40｜6.5

乾砂土｜0.30｜4.5

## 歷史

熱泵於 1853 年由開爾文勳爵（Lord Kelvin）提出，並於 1855 年由彼得・里特・馮・里廷格（Peter Ritter von Rittinger）加以發展。1912 年，海因里希・措利（Heinrich Zoelly）為利用熱泵從地下提取熱量的構想申請了專利。

在對冷凍櫃進行實驗之後，羅伯特・C・韋伯（Robert C. Webber）於 20 世紀 40 年代末建造了第一套直接交換式地源熱泵；不過，資料來源對其發明的確切時間存在分歧。第一個成功的商業項目於 1948 年安裝在聯邦大樓（美國俄勒岡州波特蘭），並被美國機械工程師學會（ASME）指定為國家歷史機械工程地標。俄亥俄州立大學的卡爾・尼爾森教授（Professor Carl Nielsen）也於 1948 年在自己家中建造了第一套住宅用開放式循環系統。

受 1973 年石油危機的影響，地源熱泵在瑞典開始流行，隨著技術的改進，其在全球的普及率也逐步上升。在 1979 年聚丁烯管道問世之前，開放式循環系統一直主導市場；該材料的出現使封閉式循環系統在經濟上變得可行。

每年（截至 2011 年／2004 年），美國約安裝 80,000 套地源熱泵，瑞典約安裝 27,000 套。在芬蘭，2006 至 2011 年間，地熱熱泵是新建獨立住宅中最常見的供暖系統選擇，市場佔有率超過 40%。到 2021 年，熱泵佔全球供暖設備銷售量的 10%。

在英國，2022 年推出的「鍋爐升級計畫」（Boiler Upgrade Scheme）推動了對地源熱泵的需求。該計畫將於 2027 年結束。

## 系統形式

### 建築內部系統形式

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熱泵作為建築物供暖與製冷的核心設備，通常有兩種主要形式：

防凍液—水式熱泵（又稱水—水式）屬於水供暖/製冷系統，通過管道將熱量或冷量輸送至建築內的各類末端設備，例如傳統散熱器、地板輻射供暖、踢腳線散熱器以及生活熱水儲水罐。此類熱泵也可以用於游泳池加熱。

熱泵在高效率運行時，通常最高只能將水加熱至約 55 °C（131 °F），一般空調系統的散熱末端需要採用風機盤管或高效散熱器。當用於製冷時，必須做好管道保溫，以避免空氣中的水分在管道表面凝結。

防凍液—空氣式熱泵（又稱水—空氣式）以強制送風的形式輸出冷熱，最常見的用途是替換傳統的強制送風式暖爐和中央空調系統。此類系統可分為分體式、高風速系統以及無風管系統等不同形式。

### 地埋換熱器

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地源熱泵通過與土壤或地下水接觸的地埋換熱器來吸收或釋放熱量。若設計不當，系統在運行若干年後可能出現結冰現象，或導致整體效率極低；因此，精確的系統設計對於地源熱泵的成功運行至關重要。

地埋管路通常採用高密度聚乙烯（HDPE）管材，管內充填水與防凍液的混合物（如丙二醇、變性酒精或甲醇）。其中，單丙二醇（monopropylene glycol）在發生洩漏時對環境的危害最小，因此在越來越多的歐洲國家中，它是地源系統中唯一允許使用的防凍液。

#### 水平式

水平封閉迴路由鋪設在地下同一平面內的管道組成。施工時會開挖一條深於凍土層的長溝槽，並在同一溝槽內鋪設 U 形管或螺旋式（slinky）盤管。

埋設深度約 3–8 英尺（0.91–2.44 公尺）的淺層水平換熱器，會受到太陽輻射增溫以及地表向周圍空氣散熱的影響，因此其溫度會隨季節變化。由於熱慣性的存在，這種溫度變化相對季節本身存在滯後效應：換熱器在冬末和春季可能因累積的冬季寒冷而處於較低溫度狀態，但同時也能在初冬之後利用數月前由太陽儲存在地下的熱量。一般而言，潮濕土壤或水體中的系統效率高於乾燥土壤中的系統，因為水相較於砂土或一般土壤中的固體物質，具有更好的導熱與蓄熱能力。

#### 垂直式

垂直式系統由多個鑽孔井（boreholes）組成，深度約為 75 至 500 英尺（23–152公尺）。每個鑽孔內安裝 U 形管，管中循環流動的是傳熱流體，用於從地下吸收熱量，或向地下釋放熱量。

鑽孔之間的間距通常不少於 5–6 公尺，而鑽孔深度則取決於地質條件與建築物特性。

作為替代方案，管道也可與用於支撐建築物的基礎樁結合安裝。垂直系統主要依賴周圍地層中的熱量遷移來補充能量，除非在夏季或其他存在多餘熱量的時候進行熱量儲存。

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當場地可用面積不足以鋪設水平式地埋管時，垂直式系統通常是首選方案。

鑽孔內的成對管道在孔底通常透過 U 形橫向連接件相連，或由兩根小直徑的高密度聚乙烯（HDPE）管在孔底進行熱熔連接，形成一個 U 形彎管。

鑽孔孔壁與 U 形管之間的空隙，通常會完全灌注回填材料（灌漿）；在某些情況下，也可能僅部分由地下水填充。

作為示例，一棟需要 10 kW（約 3 冷噸）供暖能力的獨立住宅，可能需要 3 口鑽孔，每口鑽孔深度約為 80–110 公尺（260–360 英尺）。

#### 放射式或定向鑽孔

作為開挖溝槽的替代方案，可採用小型水平定向鑽孔來鋪設地埋管迴路。此技術可在不破壞地表的情況下，將管道鋪設於庭院、車道、花園或其他建築結構下方，其成本通常介於傳統溝槽開挖與垂直鑽孔之間。

此類系統也不同於傳統的水平與垂直鑽孔方式，因為所有迴路均從同一個中央井室向外放射式安裝，從而進一步減少所需的地面空間。由於使用的設備體積小，且能夠在既有建築物下方鑽孔，放射式鑽孔常用於既有建築的後期改造工程。

#### 開放式系統

在開放式系統（也稱為地下水熱泵系統）中，二次循環迴路會將天然水源（來自水井或水體）抽入熱泵內的換熱器進行熱交換。由於水的化學成分無法控制，設備可能需要採用不同種類的金屬來保護換熱器和水泵，以減少腐蝕。此外，水中的碳酸鈣等礦物質會隨時間積聚形成水垢，導致系統汙堵，必須定期使用酸性清洗。這種水垢問題在製冷系統中比供暖系統更為嚴重。

同井回灌（standing column well）是開放式系統的一種特殊形式：水從深層岩井底部抽出，通過熱泵進行熱交換後，再返回到井頂。

越來越多的地區立法禁止將開放式系統排水排放到地表，因為這樣可能會使含水層排水或污染水井。因此，現在常採用更環境友好的回灌井（injection wells）或改用封閉式循環系統。

#### 池塘

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封閉式池塘環路由類似「螺旋盤管（slinky loop）」的盤管組成，這些管道固定在支架上，佈置在尺寸合適的池塘或其他水體的底部。相比其他的地埋管安裝方式，這種方式的安裝成本是最低的。前提是盤管距離水面應該不低於2.5米（約8英尺），以避免凍結。

### 地下蓄熱水池

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一些集中式太陽能供熱系統使用地下保溫水池作為季節性蓄熱裝置（效率可高達 90%），隨後通過熱泵從中提取熱量，用於區域供熱。

#### 直接膨脹式地源熱泵（DX）

這是最早的一種地源熱泵技術，其特點是將製冷劑本身直接在地下環路中循環。這種技術在 20 世紀 80 年代得到發展，但隨後在製冷劑和潤滑油管理系統方面暴露出問題。尤其是在 1989 年含氯氟烴（CFC）製冷劑被禁用之後，直接膨脹式系統受到較大影響，因此如今已較少被採用。

## 安裝

由於正確設計和確定系統規模（以及在需要進行熱熔連接時安裝管道）需要較高的專業技術知識和專用設備，地源熱泵（GSHP）系統的安裝通常需要由專業人員完成。一些安裝商已在網路社區中發佈了近期住宅專案的系統運行性能即時資料。國際地源熱泵協會（IGSHPA）、土壤換熱器組織（GEO）、美國能源部都在其相關網站上發佈了如何選擇合適的產品和承包商的指南。此外，對水平埋管系統和垂直埋管系統進行土壤導熱係數的詳細分析通常可以使系統設計更加精確，從而獲得更高的運行效率。

## 熱性能

製冷性能通常以 BTU/小時/瓦 為單位表示，即能效比（EER）；而供熱性能通常用無量綱的性能係數（COP）來表示。二者的換算係數為 3.41 BTU/小時/瓦。

由於熱泵所轉移的熱能通常是其消耗電能的 3～5 倍，其總輸出能量遠大於電能輸入，因此其淨熱效率可超過 300%；相比之下，電輻射取暖的效率為 100%。傳統的燃燒式爐具和電加熱器在效率上都不可能超過 100%。

與配備標準空調設備的電阻式電加熱相比，地源熱泵可將能源消耗及相應的空氣污染物排放減少多達 72%。

高效壓縮機、變速壓縮機以及更大的換熱器都對提高熱泵效率起著重要作用。目前市場上的住宅用地源熱泵，其標準 COP（性能係數）通常在 2.4～5.0 之間，EER（能效比）則在 10.6～30 之間。

要獲得 Energy Star（能源之星）認證，熱泵必須滿足一定的最低 COP 和 EER 要求，這些要求取決於所採用的地埋換熱器類型。對於閉式環路系統，按照 ISO 13256-1 標準，其供熱 COP 必須不低於 3.3，製冷 EER 必須不低於 14.1。

此外，對水平埋管系統和垂直埋管系統進行土壤導熱係數的詳細分析通常可以使系統設計更加精確，從而獲得更高的運行效率。

標準 ARI 210 和 240 定義了季節能效比（SEER）和供暖季節性能係數（HSPF），用於反映季節變化對空氣源熱泵性能的影響。這些指標通常不適用，也不應與地源熱泵的性能評級進行比較。不過，加拿大自然資源部（Natural Resources Canada）對這一方法進行了調整，用以計算加拿大地源熱泵的典型季節修正 HSPF 值。根據加拿大國家研究委員會（NRC）的資料，在加拿大人口最為集中的地區，HSPF 的範圍為 8.7–12.8 BTU/小時·瓦（對應的無量綱係數為 2.6–3.8，或 255%–375% 的季節平均電能利用效率）。

為了在不受其他系統部件影響的情況下對熱泵設備本身進行相互比較，美國製冷協會（ARI）以及後來國際標準組織（ISO）制定了一系列標準測試工況。ARI 330 標準適用於封閉式地源熱泵，其假定二次環路水溫在製冷工況下為 25 °C（77 °F），在供熱工況下為 0 °C（32 °F），這些溫度條件典型地反映了美國北方的安裝環境。ARI 325 標準則適用於開環地源熱泵，並針對地下水溫度 10 °C（50 °F）和 21 °C（70 °F）提供了兩組額定值。與 ARI 330 相比，ARI 325 在能耗計算中為水泵預留了更多的用電量。上述兩種標準均未試圖考慮季節變化的影響。ARI 870 標準則專門用於直接膨脹式（DX）地源熱泵。2001 年，ASHRAE相關標準成爲了 ISO 13256-1 標準，該標準取代了 ARI 320、325 和 330。由於新的 ISO 標準在計算中不再計入水泵的用電量，因此其給出的性能評級通常略高於舊的 ARI 標準。

在沒有人為加熱或取熱影響的情況下，地下數米或更深處的土壤全年都保持相對恆定的溫度。這一溫度大致相當於該地區的年平均氣溫；在美國和中國北部，地下約 6 米（20 英尺）深處通常為 7–12 °C（45–54 °F）。由於這一溫度在四季中比空氣溫度穩定得多，地源熱泵在空氣溫度處於極端高溫或低溫時，通常比空調和空氣源熱泵具有高得多的運行效率。

## 傳熱分析

可再生能源在預測地埋換熱器（GHE）的熱響應時，一個難點在於所涉及的時間尺度和空間尺度十分多樣。地埋換熱器的傳熱過程涉及 4 個空間尺度和 8 個時間尺度。第一個具有實際意義的空間尺度是鑽孔直徑（約 0.1 米），其對應的時間尺度約為 1 小時，在此期間回填材料的熱容量影響較為顯著。第二個重要的空間尺度是相鄰兩個鑽孔之間距離的一半，通常為數米量級；對應的時間尺度約為 一個月，在此期間相鄰鑽孔之間的熱相互作用較為重要。最大的空間尺度可達數十米或更大，例如鑽孔長度的一半以及地埋換熱器群的水準尺度；其對應的時間尺度可長達地埋換熱器的使用壽命（數十年）。

地埋管區域的短期小時級溫度響應對於分析地源熱泵系統的能量表現以及實現其最優控制與運行至關重要；而長期溫度響應則從全生命周期的角度決定了系統整體的可行性。

## 季節性蓄熱

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通過採用季節性熱能儲存和跨季節熱量轉移技術，可以顯著提高地源熱泵的運行效率。夏季獲取並儲存在蓄熱庫中的熱量，可以在冬季被高效回收利用。隨著儲能規模的增大，蓄熱效率也隨之提高，因此這一優勢在商業建築或區域供熱系統中尤為顯著。

地熱—太陽能聯合系統（Geosolar combisystems）已被用於利用含水層作為熱儲存介質，對溫室進行供熱和製冷。夏季通過抽取低溫地下水對溫室進行降溫，使地下水升溫並儲存在含水層中；而在冬季，這些被加熱的地下水則可作為熱泵的熱源用於供暖。冷熱儲存與熱泵的結合，還可以用於建築的溫濕度調節。這些原理被用於為各類建築提供可再生供熱和可再生製冷。

## 環境影響

美國環境保護署（EPA）將地源熱泵稱為目前可用的能效最高、環境最清潔、且最具成本效益的空間供暖與製冷系統。當電力來源於可再生能源時，地源熱泵在減少溫室氣體排放方面具有顯著潛力。

地源熱泵（GSHP）具有無可比擬的熱效率，並且在使用地點不產生任何直接排放；但如果其電力供應並非 100% 來自可再生能源，那麼其用電來源中仍可能包含高溫室氣體排放的成分。因此，地源熱泵的環境影響取決於電力結構的特性以及可供選擇的替代方案。

地埋管環路中使用的防凍液通常可被設計為可生物降解且無毒；但熱泵機組內部以及直接膨脹式（DX）環路中所使用的製冷劑，直到近年仍主要是氟利昂，這是一種消耗臭氧層的物質。雖然該製冷劑在系統密閉狀態下是無害的，但一旦發生洩漏或在設備報廢階段處理不當，都會加劇臭氧層空洞的擴大。對於新建項目，這種製冷劑正逐步被淘汰，轉而採用低 GWP 製冷劑或天然製冷劑。

開環系統（即抽取地下水運行的系統，與使用鑽孔換熱器的封閉式系統相對）需要通過將使用後的水重新回灌地下來實現水量平衡。這種做法可以防止含水層枯竭，並避免鹽水或其他化合物對土壤或地表水造成污染。

在進行鑽孔之前，必須充分瞭解地下地質條件，並要求鑽井人員做好封孔準備，包括防止不同地層之間發生水體貫通。一個不幸的例子是德國布賴斯高地區施陶芬（Staufen im Breisgau）的一項地源熱泵供暖工程，該工程被認為導致了當地歷史建築的嚴重損害。2008 年，有報導稱該市中心地面抬升了約 12 釐米（4.7 英寸），而在此之前曾先出現幾毫米的下沉。鑽孔過程中鑽入了一個天然承壓含水層，水體通過鑽孔進入了硬石膏（無水石膏，anhydrite）層；該物質在遇水後會轉化為石膏（gypsum）並發生體積膨脹。這種膨脹過程只有在硬石膏完全反應後才會停止，因此在地面抬升停止之前，市中心的重建並不適宜進行。截至 2010 年，鑽孔仍未能成功封堵。到 2010 年時，城鎮的部分區域已抬升達 30 釐米（12 英寸）。

## 經濟性

與其他暖通空調（HVAC）系統相比，地源熱泵的特點是初始投資成本較高，而運行成本較低。其整體經濟效益主要取決於電力與其他燃料的相對價格，而這些價格在不同時期和不同國家之間差異很大。根據近期的能源價格，地源熱泵在全球絕大多數地區的運行成本都低於其他任何傳統供暖方式。天然氣是唯一在運行成本上具有競爭力的燃料，但也僅限於少數天然氣價格異常低、或電價異常高的國家或地區。一般來説，與常規供熱系統相比，使用地源熱泵可以節省20%-60%的運行費用。

直到近些年，關於初始投資成本和系統壽命的研究相對較少，而投資回報率的差異則非常顯著。隨著系統價格的快速上升，其效率和可靠性也在同步、迅速地提升。初始投資成本已知可受規模經濟影響而降低，這一點在開環系統中尤為明顯，因此在大型商業建築和氣候條件較為嚴苛的地區，其成本效益更高。在大多數住宅應用中，無論是新建住宅還是既有建築，系統的初始成本通常是傳統供暖系統的兩到五倍。在既有建築改造中，安裝成本還受到多種因素影響，包括居住面積大小、房屋年代、保溫性能、當地地質條件以及房產位置等。在評估系統初始成本時，還應將風管系統的合理設計和機械通風換氣系統一併納入考慮。

該系統的使用壽命通常長於傳統的供暖和製冷系統。由於該技術應用時間尚不算長，目前還缺乏充分、系統的壽命統計資料，但許多早期安裝的系統在進行常規維護的情況下，至今仍在運行，已達 25–30 年之久。大多數地埋換熱迴路（loop field）的質保期為 25 至 50 年，且普遍認為其實際使用壽命至少可達 50 至 200 年。地源熱泵利用電力為房屋供暖。雖然其投資額高於傳統的燃油、丙烷或電力供暖系統，但在美國，住宅地源熱泵系統可在2-10年內通過節省能源成本收回成本。即使與天然氣相比，在美國，大型商業建築的地源熱泵系統的投資回收期也僅為 1-5 年。

地源熱泵被公認為市場上效率最高的供暖和製冷系統之一。在極端氣候條件下，它們通常是成本效益排名第二的解決方案（僅次於熱電聯產系統），儘管由於地溫條件的影響，其熱效率會有所下降。（在需要強製冷的氣候中，地下熱源溫度較高；而在需要強供暖的氣候中，地下熱源溫度較低。）這些系統在經濟上的可行性取決於地埋換熱器（GHE）的合理設計與尺寸匹配，而地埋換熱器通常占地源熱泵系統整體初始投資成本的最大比例。