地源热泵系统

地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。它们均使用大地作为热源（冬季）或散热器（夏季）。

地源热泵可利用地下水、江河湖水、水库水、海水、城市中水、工业尾水、坑道水等各类水资源以及土壤源作为地源热泵的冷、热源。

狭义的地源热泵（又称地热热泵）是借由利用地下温度全年相对稳定的特性，在地下埋设换热器作为热泵的低位热源来实现供热的装置，热泵也可以在夏季实现制冷循环，此时地下换热器成为高位热汇。

地源热泵（Ground-Source Heat Pumps，简称 GSHPs，在北美也常称为 地热热泵 GHPs）是目前提供暖通空调（HVAC）与热水供应中能源效率最高的技术之一，其耗能低于传统的化石燃料锅炉和电加热设备。

其效率以性能系数（Coefficient of Performance，COP）表示，通常介于 3 至 6 之间，意味着系统每消耗 1 单位电能，即可提供 3–6 单位的热能。

由于需要在大面积土地中铺设地下管路或钻设地埋井，地源热泵的安装成本高于其他供暖系统，因此常在新建公寓或住宅项目中一并安装。相比之下，空气源热泵的前期安装成本较低，但在极冷或极热天气下，其性能系数（COP）会较低。

## 土壤的热物性

地源热泵的原理是利用环境空气温度与地下不同深度土壤温度之间的差异来实现供热和制冷。

地表附近土壤的热特性可描述如下：

· 表层（土壤深度约 1 米内）：

温度对日照与天气变化非常敏感。

· 浅层（约 8–20 米，取决于土壤类型）：

土壤的热容量使温度随深度呈指数方式衰减，逐渐接近该地点的年平均气温；同时温度变化会落后于地表约 6 个月，也就是说，地下温度高峰约在地表高峰之后半年出现。

· 更深层：

温度几乎保持恒定，并依据地温梯度，每增加 1 米深度，温度约上升 0.025°C。

“穿透深度（penetration depth）”指的是地下温度变化幅度低于地表变化的 1%（0.01）时的深度，此数值亦取决于土壤类型。

昼夜与年度温度循环的穿透深度（单位：米）

土壤类型｜昼夜变化 (m)｜年度变化 (m)

岩石｜1.10｜20.5

湿黏土｜0.95｜18.0

湿砂土｜0.80｜14.5

干黏土｜0.40｜6.5

干砂土｜0.30｜4.5

## 历史

热泵于 1853 年由开尔文勋爵（Lord Kelvin）提出，并于 1855 年由彼得・里特・冯・里廷格（Peter Ritter von Rittinger）加以发展。1912 年，海因里希・措利（Heinrich Zoelly）为利用热泵从地下提取热量的构想申请了专利。

在对冷冻柜进行实验之后，罗伯特・C・韦伯（Robert C. Webber）于 20 世纪 40 年代末建造了第一套直接交换式地源热泵；不过，资料来源对其发明的确切时间存在分歧。第一个成功的商业项目于 1948 年安装在联邦大楼（美国俄勒冈州波特兰），并被美国机械工程师学会（ASME）指定为国家历史机械工程地标。俄亥俄州立大学的卡尔・尼尔森教授（Professor Carl Nielsen）也于 1948 年在自己家中建造了第一套住宅用开放式循环系统。

受 1973 年石油危机的影响，地源热泵在瑞典开始流行，随着技术的改进，其在全球的普及率也逐步上升。在 1979 年聚丁烯管道问世之前，开放式循环系统一直主导市场；该材料的出现使封闭式循环系统在经济上变得可行。

每年（截至 2011 年／2004 年），美国约安装 80,000 套地源热泵，瑞典约安装 27,000 套。在芬兰，2006 至 2011 年间，地热热泵是新建独立住宅中最常见的供暖系统选择，市场占有率超过 40%。到 2021 年，热泵占全球供暖设备销售量的 10%。

在英国，2022 年推出的“锅炉升级计划”（Boiler Upgrade Scheme）推动了对地源热泵的需求。该计划将于 2027 年结束。

## 系统形式

### 建筑内部系统形式

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热泵作为建筑物供暖与制冷的核心设备，通常有两种主要形式：

防冻液—水式热泵（又称水—水式）属于水供暖/制冷系统，通过管道将热量或冷量输送至建筑内的各类末端设备，例如传统散热器、地板辐射供暖、踢脚线散热器以及生活热水储水罐。此类热泵也可以用于游泳池加热。

热泵在高效率运行时，通常最高只能将水加热至约 55 °C（131 °F），一般空调系统的散热末端需要采用风机盘管或高效散热器。当用于制冷时，必须做好管道保温，以避免空气中的水分在管道表面凝结。

防冻液—空气式热泵（又称水—空气式）以强制送风的形式输出冷热，最常见的用途是替换传统的强制送风式暖炉和中央空调系统。此类系统可分为分体式、高风速系统以及无风管系统等不同形式。

### 地埋换热器

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地源热泵通过与土壤或地下水接触的地埋换热器来吸收或释放热量。若设计不当，系统在运行若干年后可能出现结冰现象，或导致整体效率极低；因此，精确的系统设计对于地源热泵的成功运行至关重要。

地埋管路通常采用高密度聚乙烯（HDPE）管材，管内充填水与防冻液的混合物（如丙二醇、变性酒精或甲醇）。其中，单丙二醇（monopropylene glycol）在发生泄漏时对环境的危害最小，因此在越来越多的欧洲国家中，它是地源系统中唯一允许使用的防冻液。

#### 水平式

水平封闭回路由铺设在地下同一平面内的管道组成。施工时会开挖一条深于冻土层的长沟槽，并在同一沟槽内铺设 U 形管或螺旋式（slinky）盘管。

埋设深度约 3–8 英尺（0.91–2.44 米）的浅层水平换热器，会受到太阳辐射增温以及地表向周围空气散热的影响，因此其温度会随季节变化。由于热惯性的存在，这种温度变化相对季节本身存在滞后效应：换热器在冬末和春季可能因累积的冬季寒冷而处于较低温度状态，但同时也能在初冬之后利用数月前由太阳储存在地下的热量。一般而言，潮湿土壤或水体中的系统效率高于干燥土壤中的系统，因为水相较于砂土或一般土壤中的固体物质，具有更好的导热与蓄热能力。

#### 垂直式

垂直式系统由多个钻孔井（boreholes）组成，深度约为 75 至 500 英尺（23–152米）。每个钻孔内安装 U 形管，管中循环流动的是传热流体，用于从地下吸收热量，或向地下释放热量。

钻孔之间的间距通常不少于 5–6 米，而钻孔深度则取决于地质条件与建筑物特性。

作为替代方案，管道也可与用于支撑建筑物的基础桩结合安装。垂直系统主要依赖周围地层中的热量迁移来补充能量，除非在夏季或其他存在多余热量的时候进行热量储存。

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当场地可用面积不足以铺设水平式地埋管时，垂直式系统通常是首选方案。

钻孔内的成对管道在孔底通常透过 U 形横向连接件相连，或由两根小直径的高密度聚乙烯（HDPE）管在孔底进行热熔连接，形成一个 U 形弯管。

钻孔孔壁与 U 形管之间的空隙，通常会完全灌注回填材料（灌浆）；在某些情况下，也可能仅部分由地下水填充。

作为示例，一栋需要 10 kW（约 3 冷吨）供暖能力的独立住宅，可能需要 3 口钻孔，每口钻孔深度约为 80–110 米（260–360 英尺）。

#### 放射式或定向钻孔

作为开挖沟槽的替代方案，可采用小型水平定向钻孔来铺设地埋管回路。此技术可在不破坏地表的情况下，将管道铺设于庭院、车道、花园或其他建筑结构下方，其成本通常介于传统沟槽开挖与垂直钻孔之间。

此类系统也不同于传统的水平与垂直钻孔方式，因为所有回路均从同一个中央井室向外放射式安装，从而进一步减少所需的地面空间。由于使用的设备体积小，且能够在既有建筑物下方钻孔，放射式钻孔常用于既有建筑的后期改造工程。

#### 开放式系统

在开放式系统（也称为地下水热泵系统）中，二次循环回路会将天然水源（来自水井或水体）抽入热泵内的换热器进行热交换。由于水的化学成分无法控制，设备可能需要采用不同种类的金属来保护换热器和水泵，以减少腐蚀。此外，水中的碳酸钙等矿物质会随时间积聚形成水垢，导致系统污堵，必须定期使用酸性清洗。这种水垢问题在制冷系统中比供暖系统更为严重。

同井回灌（standing column well）是开放式系统的一种特殊形式：水从深层岩井底部抽出，通过热泵进行热交换后，再返回到井顶。

越来越多的地区立法禁止将开放式系统排水排放到地表，因为这样可能会使含水层排水或污染水井。因此，现在常采用更环境友好的回灌井（injection wells）或改用封闭式循环系统。

#### 池塘

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封闭式池塘环路由类似“螺旋盘管（slinky loop）”的盘管组成，这些管道固定在支架上，布置在尺寸合适的池塘或其他水体的底部。相比其他的地埋管安装方式，这种方式的安装成本是最低的。前提是盘管距离水面应该不低于2.5米（约8英尺），以避免冻结。

### 地下蓄热水池

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一些集中式太阳能供热系统使用地下保温水池作为季节性蓄热装置（效率可高达 90%），随后通过热泵从中提取热量，用于区域供热。

#### 直接膨胀式地源热泵（DX）

这是最早的一种地源热泵技术，其特点是将制冷剂本身直接在地下环路中循环。这种技术在 20 世纪 80 年代得到发展，但随后在制冷剂和润滑油管理系统方面暴露出问题。尤其是在 1989 年含氯氟烃（CFC）制冷剂被禁用之后，直接膨胀式系统受到较大影响，因此如今已较少被采用。

## 安装

由于正确设计和确定系统规模（以及在需要进行热熔连接时安装管道）需要较高的专业技术知识和专用设备，地源热泵（GSHP）系统的安装通常需要由专业人员完成。一些安装商已在网络社区中发布了近期住宅专案的系统运行性能即时资料。国际地源热泵协会（IGSHPA）、土壤换热器组织（GEO）、美国能源部都在其相关网站上发布了如何选择合适的产品和承包商的指南。此外，对水平埋管系统和垂直埋管系统进行土壤导热系数的详细分析通常可以使系统设计更加精确，从而获得更高的运行效率。

## 热性能

制冷性能通常以 BTU/小时/瓦 为单位表示，即能效比（EER）；而供热性能通常用无量纲的性能系数（COP）来表示。二者的换算系数为 3.41 BTU/小时/瓦。

由于热泵所转移的热能通常是其消耗电能的 3～5 倍，其总输出能量远大于电能输入，因此其净热效率可超过 300%；相比之下，电辐射取暖的效率为 100%。传统的燃烧式炉具和电加热器在效率上都不可能超过 100%。

与配备标准空调设备的电阻式电加热相比，地源热泵可将能源消耗及相应的空气污染物排放减少多达 72%。

高效压缩机、变速压缩机以及更大的换热器都对提高热泵效率起着重要作用。目前市场上的住宅用地源热泵，其标准 COP（性能系数）通常在 2.4～5.0 之间，EER（能效比）则在 10.6～30 之间。

要获得 Energy Star（能源之星）认证，热泵必须满足一定的最低 COP 和 EER 要求，这些要求取决于所采用的地埋换热器类型。对于闭式环路系统，按照 ISO 13256-1 标准，其供热 COP 必须不低于 3.3，制冷 EER 必须不低于 14.1。

此外，对水平埋管系统和垂直埋管系统进行土壤导热系数的详细分析通常可以使系统设计更加精确，从而获得更高的运行效率。

标准 ARI 210 和 240 定义了季节能效比（SEER）和供暖季节性能系数（HSPF），用于反映季节变化对空气源热泵性能的影响。这些指标通常不适用，也不应与地源热泵的性能评级进行比较。不过，加拿大自然资源部（Natural Resources Canada）对这一方法进行了调整，用以计算加拿大地源热泵的典型季节修正 HSPF 值。根据加拿大国家研究委员会（NRC）的资料，在加拿大人口最为集中的地区，HSPF 的范围为 8.7–12.8 BTU/小时·瓦（对应的无量纲系数为 2.6–3.8，或 255%–375% 的季节平均电能利用效率）。

为了在不受其他系统部件影响的情况下对热泵设备本身进行相互比较，美国制冷协会（ARI）以及后来国际标准组织（ISO）制定了一系列标准测试工况。ARI 330 标准适用于封闭式地源热泵，其假定二次环路水温在制冷工况下为 25 °C（77 °F），在供热工况下为 0 °C（32 °F），这些温度条件典型地反映了美国北方的安装环境。ARI 325 标准则适用于开环地源热泵，并针对地下水温度 10 °C（50 °F）和 21 °C（70 °F）提供了两组额定值。与 ARI 330 相比，ARI 325 在能耗计算中为水泵预留了更多的用电量。上述两种标准均未试图考虑季节变化的影响。ARI 870 标准则专门用于直接膨胀式（DX）地源热泵。2001 年，ASHRAE相关标准成为了 ISO 13256-1 标准，该标准取代了 ARI 320、325 和 330。由于新的 ISO 标准在计算中不再计入水泵的用电量，因此其给出的性能评级通常略高于旧的 ARI 标准。

在没有人为加热或取热影响的情况下，地下数米或更深处的土壤全年都保持相对恒定的温度。这一温度大致相当于该地区的年平均气温；在美国和中国北部，地下约 6 米（20 英尺）深处通常为 7–12 °C（45–54 °F）。由于这一温度在四季中比空气温度稳定得多，地源热泵在空气温度处于极端高温或低温时，通常比空调和空气源热泵具有高得多的运行效率。

## 传热分析

可再生能源在预测地埋换热器（GHE）的热响应时，一个难点在于所涉及的时间尺度和空间尺度十分多样。地埋换热器的传热过程涉及 4 个空间尺度和 8 个时间尺度。第一个具有实际意义的空间尺度是钻孔直径（约 0.1 米），其对应的时间尺度约为 1 小时，在此期间回填材料的热容量影响较为显著。第二个重要的空间尺度是相邻两个钻孔之间距离的一半，通常为数米量级；对应的时间尺度约为 一个月，在此期间相邻钻孔之间的热相互作用较为重要。最大的空间尺度可达数十米或更大，例如钻孔长度的一半以及地埋换热器群的水准尺度；其对应的时间尺度可长达地埋换热器的使用寿命（数十年）。

地埋管区域的短期小时级温度响应对于分析地源热泵系统的能量表现以及实现其最优控制与运行至关重要；而长期温度响应则从全生命周期的角度决定了系统整体的可行性。

## 季节性蓄热

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通过采用季节性热能储存和跨季节热量转移技术，可以显著提高地源热泵的运行效率。夏季获取并储存在蓄热库中的热量，可以在冬季被高效回收利用。随着储能规模的增大，蓄热效率也随之提高，因此这一优势在商业建筑或区域供热系统中尤为显著。

地热—太阳能联合系统（Geosolar combisystems）已被用于利用含水层作为热储存介质，对温室进行供热和制冷。夏季通过抽取低温地下水对温室进行降温，使地下水升温并储存在含水层中；而在冬季，这些被加热的地下水则可作为热泵的热源用于供暖。冷热储存与热泵的结合，还可以用于建筑的温湿度调节。这些原理被用于为各类建筑提供可再生供热和可再生制冷。

## 环境影响

美国环境保护署（EPA）将地源热泵称为目前可用的能效最高、环境最清洁、且最具成本效益的空间供暖与制冷系统。当电力来源于可再生能源时，地源热泵在减少温室气体排放方面具有显著潜力。

地源热泵（GSHP）具有无可比拟的热效率，并且在使用地点不产生任何直接排放；但如果其电力供应并非 100% 来自可再生能源，那么其用电来源中仍可能包含高温室气体排放的成分。因此，地源热泵的环境影响取决于电力结构的特性以及可供选择的替代方案。

地埋管环路中使用的防冻液通常可被设计为可生物降解且无毒；但热泵机组内部以及直接膨胀式（DX）环路中所使用的制冷剂，直到近年仍主要是氟利昂，这是一种消耗臭氧层的物质。虽然该制冷剂在系统密闭状态下是无害的，但一旦发生泄漏或在设备报废阶段处理不当，都会加剧臭氧层空洞的扩大。对于新建项目，这种制冷剂正逐步被淘汰，转而采用低 GWP 制冷剂或天然制冷剂。

开环系统（即抽取地下水运行的系统，与使用钻孔换热器的封闭式系统相对）需要通过将使用后的水重新回灌地下来实现水量平衡。这种做法可以防止含水层枯竭，并避免盐水或其他化合物对土壤或地表水造成污染。

在进行钻孔之前，必须充分了解地下地质条件，并要求钻井人员做好封孔准备，包括防止不同地层之间发生水体贯通。一个不幸的例子是德国布赖斯高地区施陶芬（Staufen im Breisgau）的一项地源热泵供暖工程，该工程被认为导致了当地历史建筑的严重损害。2008 年，有报导称该市中心地面抬升了约 12 厘米（4.7 英寸），而在此之前曾先出现几毫米的下沉。钻孔过程中钻入了一个天然承压含水层，水体通过钻孔进入了硬石膏（无水石膏，anhydrite）层；该物质在遇水后会转化为石膏（gypsum）并发生体积膨胀。这种膨胀过程只有在硬石膏完全反应后才会停止，因此在地面抬升停止之前，市中心的重建并不适宜进行。截至 2010 年，钻孔仍未能成功封堵。到 2010 年时，城镇的部分区域已抬升达 30 厘米（12 英寸）。

## 经济性

与其他暖通空调（HVAC）系统相比，地源热泵的特点是初始投资成本较高，而运行成本较低。其整体经济效益主要取决于电力与其他燃料的相对价格，而这些价格在不同时期和不同国家之间差异很大。根据近期的能源价格，地源热泵在全球绝大多数地区的运行成本都低于其他任何传统供暖方式。天然气是唯一在运行成本上具有竞争力的燃料，但也仅限于少数天然气价格异常低、或电价异常高的国家或地区。一般来说，与常规供热系统相比，使用地源热泵可以节省20%-60%的运行费用。

直到近些年，关于初始投资成本和系统寿命的研究相对较少，而投资回报率的差异则非常显著。随着系统价格的快速上升，其效率和可靠性也在同步、迅速地提升。初始投资成本已知可受规模经济影响而降低，这一点在开环系统中尤为明显，因此在大型商业建筑和气候条件较为严苛的地区，其成本效益更高。在大多数住宅应用中，无论是新建住宅还是既有建筑，系统的初始成本通常是传统供暖系统的两到五倍。在既有建筑改造中，安装成本还受到多种因素影响，包括居住面积大小、房屋年代、保温性能、当地地质条件以及房产位置等。在评估系统初始成本时，还应将风管系统的合理设计和机械通风换气系统一并纳入考虑。

该系统的使用寿命通常长于传统的供暖和制冷系统。由于该技术应用时间尚不算长，目前还缺乏充分、系统的寿命统计资料，但许多早期安装的系统在进行常规维护的情况下，至今仍在运行，已达 25–30 年之久。大多数地埋换热回路（loop field）的质保期为 25 至 50 年，且普遍认为其实际使用寿命至少可达 50 至 200 年。地源热泵利用电力为房屋供暖。虽然其投资额高于传统的燃油、丙烷或电力供暖系统，但在美国，住宅地源热泵系统可在2-10年内通过节省能源成本收回成本。即使与天然气相比，在美国，大型商业建筑的地源热泵系统的投资回收期也仅为 1-5 年。

地源热泵被公认为市场上效率最高的供暖和制冷系统之一。在极端气候条件下，它们通常是成本效益排名第二的解决方案（仅次于热电联产系统），尽管由于地温条件的影响，其热效率会有所下降。（在需要强制冷的气候中，地下热源温度较高；而在需要强供暖的气候中，地下热源温度较低。）这些系统在经济上的可行性取决于地埋换热器（GHE）的合理设计与尺寸匹配，而地埋换热器通常占地源热泵系统整体初始投资成本的最大比例。