二．水源热泵概念原理和归类

水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源（如地下水、河流和湖泊），或者是人工再生水源（工业废水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量"取"出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。

从学术角度来说水源热泵系统 ，

从学术角度来说，当利用的对象都是水体和地层（含水地层）蓄能，而且都是以水作为热泵机组的冷热源供给载体时，都可以将之归类为水源热泵系统。

分类

根据 ASHRAE Handbook: HVAC Applications.（1995）的分类，将地热能资源按温度范围不同分为三类，其中地源热泵应用类包括了水源热泵的两种方式：地下水源和地表水源热泵。

 （一）地温能与地源热泵的工作原理

地源热泵技术在1995年被ASHRAE归纳为地热资源3种利用方式之一.即(1) 高于一150 °C 高温地热发电.(2) 小于150 °C 的中低温地热直接利用.(3) 通常小于32  °C 的地源热泵技术应用.

1、地温能

地球表面温度通常保持在15°C左右.这是因为地球接受到的2.6×10²⁴J太阳能中,大约有50%被地球吸收.其中一半能量以长波形式辐射出去,余下的作为水循环,空气循环,植物生长动力,而如今全球人口消耗总能量仅为2.827 ×10²⁰J,可见太阳能及地表储存能量多丰富.

地球主要由地壳,地幔和地核组成.按照温度的变化特性,地球表面的地壳层可分为可变温度带,恒温带和增温带3个带.可变温度带受太阳辐射影响,温度有昼夜.年份.世纪甚至更长的周期变化.恒温带温度变化幅度几乎为零,深度一般为20~30m;增温带在常温带以下,问答随深度增加而升高,其热量主要来源是地球内部的热能.

根据目前国内外实际情况,把地下400m范围内土壤层中或地下水中蓄存的相对稳定的低温位热能定义为地温能(也有称大地能或地表热能).

2、地源热泵工作原理

地源热泵供热空调系统主要分3部分:室外地温能地下换热系统,水环管路与水源热泵机组和室内采暖空调末端.

室外换热系统包括埋地换热器,地下水换热器,地表水换热器等,室内末端输配系统,包括加压包括送风系统或地板盘管,风机盘管等.

地源热泵系统与空气源热泵系统不同,它利用地表牵层中蓄存的能量,室外空气温度拨动很大,但地表面几米以下的地温全年相对恒定.如图7-2所示.

在冬季,地源热泵系统通过埋在地下或沉浸在池塘、湖泊中的封闭管路，或者直接利用地下水，从大地中收集自然界中的热量，由装在室内机房或室内各房间区域中的水源热泵装置通过电驱动的压缩机和热交换器把大地的能量集中，并以较高的温度释放到室内。

在夏季，与上述过程相反，地源热泵系统将室内的多余热量不断地排出而为大地所吸收，使建筑物室内保持适当的温湿度。其过程类似于电冰箱，不断、地从冰箱内部抽出热量并将它排出箱外，使箱内保持低温。

（二）地源热泵系统的分类

对热泵装置本身来说，有多种分类方法。如：

（1）按热源分，有空气源、地下水源、土壤源、太阳能及排放余热等。

（2）按压缩机种类分，有活塞示、螺杆式、涡旋式、离心式。

（3）按热泵功能分：有单纯供热、交替制冷供热、同时制冷供热。

（4）按驱动方式分：电力压缩式、热力吸收式。

（5）按供热温度分；有低温（<100°C）高温(>100) °C

此外,按热源和冷热媒介质的组合方式热泵还可分为多种类型，如空气——空气式热泵，空气——水式热泵，水——水式热泵，水——空气式热泵。

对于地源热泵,实际上强调的是利用地温能或地表浅层热能的热泵空调系统,是广义的术语.热泵装置作为该系统的核心部件,上述分类有些也可应用于地源热泵的分类,如按冷热媒介质不同可分为水—水式、水空气式等。目前，地源热泵系统中应用较多的是以水作为热源介质的热泵装置，俗称水源热泵。

鉴于地下热源系统在地源热泵空调系统中的关键作用，以下重点根据其型式的不同对地源热泵系统进行分类。根据地下换热系统的不同，可以分成闭环系统、开环系统与直接膨胀系统3种类型。对于一个地区地下换热方式的选择，主要取决于水文地质结构、有效的土地面积和生命周期费用。

1 闭环系统

闭环系统指的是通过水或防冻液在预埋地下的塑料管中进行循环流动来传递热量的地下换热系统。闭环系统的具体形式有垂直环路、水平环路、；螺旋管环路与池塘环路，还有一种与建筑地桩相结合的桩埋管换热器。

(1)垂直环路                                                                                                                

    由高密度聚氯乙烯管组成,这些管环放在直径100~150mm的垂直管孔中,井内埋设U形管或同心套管.具体长度取决于土壤热特性.所有垂直管孔要用膨润土(粘土)罐浆.有并联式系统和串联式系统.并联式系统所用管径较小,所需水泵扬程较低,可用较小水泵,运行费较少,被大多用户选择.垂直环路系统更多用于土地面积有限、水位较深地方。

(2)水平环路                                                                                                 

将横管放在深度约为1.2~3.om

(3)螺旋管环路。

一种型式是多管水平环路的一个改进，通常称为”slinky”;另一种型式是在窄小的垂直管沟中沿高度方向布置螺旋盘管，通常适用于冷量较小的系统。如果工程设计恰当，将与垂直环路和水平环路一样有效。

（4）池塘湖泊环路。

为使系统运行良好，池塘的大小必须在4000㎡以上，深度超过4.6m.管环为盘管 ，连接到公共联箱上，然后将它漂浮到池塘或湖泊中，充水后即会沉入水底。这种系统的安装费不高，即使水面冬季结冰，仍能正常运行。

 （5）桩埋管环路。

指利用建筑地桩或在混凝土构件中充满液体的管道系统。奥地利在20世纪80年代末期将该技术用于建筑物的供暖和降温。

2．开环系统

开环系统通常指利用传统的地下水井传递地下水中或地下土壤中热量的地源热泵系统 。表面水热泵（SWHP）中的池塘或湖水直接利用热泵系统也属开环系统。开环系统有许多特殊因素要考虑，如水质，水量，地面沉降以及回灌或排放问题。而且应特别注意底下水源的应用要接受当地水资源管理部门的应用。如北京地处山前平原。浅层地下水资源条件比其他大城市的情况更优越。

3．直接膨胀式系统

该系统直接采用装有制冷剂的铜管埋入底下取热。铜管可以垂直埋也可以水平埋，前着每Kw制冷量需要2.6-~4.0㎡ 土地面积，通常 2 .7~~3.7m 深；后者每Kw制冷量需要11.9-14.5㎡土地面积，1.5-3.0m深。在沙质，粘土或较干土壤中不宜用垂直埋。由于地下埋管是金属管，容易手腐蚀。系统供热/制冷量一般在 7.0~13.6Kw.

4.其他分类方式

根据对象不同，地源热泵可分为家（住宅）用和商（公共建筑）用两大类；根据输送冷热量方式，可分为集中式和分散式。

集中式系统热泵布置在机房内，冷热量集中通风或水路分配系统送到各房间。 

分散式系统用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户最为冷热源，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应在用电上，便于计量，适用于目前独立热计量要求。如图7-5（b）所示。

按照热源系统的组成方式又可以分为纯地源系统与混合系统。混合式系统是将地源与冷却塔或加热锅炉联合使用。此外，地源与太阳能，工业余热等热源联合使用的系统，也是混合式地源热泵系统的一种类型。

在南方地区，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。而在北方地区，热负荷大，冷负荷抵，冬季适合联合使用地源锅炉，夏季只使用地源。这样，混合式系统可以减少地源的容量和尺寸，节省投资。

此外。混合系统，其运行方式与通常的水环路热泵系统是一致的。在夏季，全部或大多数机组供冷，热量通过水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔；在春季和秋季，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，无论房屋开发商和用户以及建筑设计师和设备管理人员都十分有利。

在实际工程应用中，还有一类利用地热水直接供热后的尾水作为热源的热泵系统，国内一般称为地热热泵，我们将其归为广义的地源热泵系统。由于这一类应用，热源温度高，因此采用中高温热泵其系统优势将更加明显。目前，不少单位或研究机构在从事这方面的研究工作和工程应用工作。