地源熱泵是以地熱作為熱泵裝置的熱源或熱匯來對建筑進行采暖或制冷的技術。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，即可實現低溫熱源向高溫熱源的熱量轉移。在冬季和夏季，分別將地熱能作為高溫熱源和低溫熱源，在冬季將地熱“取”出來用于采暖或熱水供應，在夏季將室內的熱量提取后釋放到地層中去。地源熱泵最早源于1912年瑞士的一個專利，而其真正意義上的商業應用迄今也不過十多年，但是到2001年止，美國已達到了每年安裝40萬臺地源熱泵，可降低溫室氣體排放100萬噸，年節約能源折合4.2億美元。我國政府也在積極推廣運用這項“綠色技術”，以減少煤耗、節約一次能源和改善環境。
地源熱泵可以直接提供生產生活熱水和用于采暖，也可以與電節能熱泵和直接加熱設備鍋爐等聯合使用，對減少一次能源用量、環保和緩解用電峰谷差等都有好處。根據地源熱泵所采用熱源熱匯的形式不同，可將其大致分為大地耦合式熱泵(GCHP)、地下水熱泵(GWHP)和地表水熱泵(SWHP)。
二、大地耦合熱泵
大地耦合熱泵就是以地表淺層的土壤作為熱源或熱匯，它與傳統的空氣熱泵(ASHP)相比，具有很多優勢：(1)相對于地表的空氣和水來說，一定深度地下土壤的溫度全年波動較小，加上土壤對地表空氣溫度的波動具有延遲和衰減，因此在大多數情況下，比空氣更適合作為熱泵裝置的熱源和熱匯，且能保證系統以較高的效率運行。(2)土壤作為熱源和熱匯，可以全部或部分的取代傳統空調系統中的冷卻塔和鍋爐，以減少對環境的“熱污染”和空氣污染。(3)與空氣熱泵相比，大地耦合熱泵不存在除霜問題，且回收土壤的熱量不需要風機，可以使系統的噪聲等級下降。(4)土壤本身是個巨大的蓄熱蓄冷體，因此大地耦合熱泵可以和太陽能集熱裝置結合起來，通過土壤的蓄、放熱獲得更好的供熱、制冷效果。當然，大地耦合熱泵也有一些缺點。(5)土壤的傳熱性能欠佳，需要較大的傳熱面積，導致占地面積較大。(6)在地下埋設管道成本較高，運行中若產生故障也不易檢修。(7)土壤受熱干燥后，其導熱能力顯著下降，夏季難以向外排熱，成為不可逆運行(夏季不需制冷的地域是可行的)。
(一)直接式和間接式大地耦合熱泵
大地耦合熱泵根據其蒸發器端與大地換熱形式的不同，分為通過熱泵工質-水換熱器的間接式系統，及采用熱泵工質在埋于地下的盤管中直接膨脹的直接式系統。在間接式系統中，載冷劑或鹽水溶液被用來在熱源和蒸發器間傳遞熱量，它與直接蒸發系統相比具有一定優點：減少了制冷劑沖灌量，還增加了熱泵系統的靈活性，同時可使現場工程量降到最低并減免了制冷管路的安裝;但其缺點在于：引入帶有熱交換器的額外流體環路，增加了初投資，也帶來額外溫降。需要針對運行工況優化設計鹽水回路，此外用于載冷劑的流體性質也很重要。在直接蒸發系統中，將蒸發器盤管直接埋入地下，可有效減少投資，尤其適合家庭熱泵系統，它的一種典型安裝方法是：使用一根或兩根并行的3/4″銅管，每根長90m，分為作為名義上兩缸或三缸壓縮機的地下盤管，這樣從地下抽熱比通常使用的間接式系統高。
(二)水平式和垂直式大地耦合熱泵
水平熱交換管的地下盤管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷設于土壤中。在這項技術中，管子的敷設深度和塑料管側間距是兩個重要參數。吸熱地面應靠近待采暖的建筑物，土壤面積主要取決于土質、含水量和該處的太陽照射時間。塑料管間距越小則熱利用效率越高，但熱交換管量增大、費用上升，因此應做技術經濟性考慮。土壤中鋪設的管群最好分幾組，單根管長最好不超過100m，否則消耗的泵功率將過大。熱泵工質一般采用鹽水溶液，即使在-15℃左右也不會凍結，低溫的鹽水溶液由土壤吸收熱量，然后傳給熱泵裝置的蒸發器，再通過熱泵過程，由冷凝器供給熱分配系統。此外，水平熱交換管還有回流式和串流式等不同的敷設方法，從傳熱效果看，后者的供液與回流管之間不存在熱交換，故對換熱有利，當然，究竟采用何種方式應視具體的土質和地形而定。
垂直熱交換管就是其導管垂直安裝在土壤中。導管由內外兩根管子組成。外管的下端封閉，內管敞開，直徑較小。在徑向間距相同的情況下插在外管中。導管深度可達100m，并隨地質、水文條件而變化。導管的材料除金屬外，也可采用聚乙烯塑料管。當借助垂直導管吸取熱量時，將載熱劑經內管由上送至下，然后經內管和外管間的空間，再流回上方。在載熱劑向上流動的過程中就吸取了僅靠導管四周的土壤熱量。
總之，大地耦合熱泵的熱交換效果與砂土類型、含濕量、成分、密度和是否均勻緊貼換熱面有關。管材、沙土及地下水的腐蝕作用將影響傳熱和使用壽命。
(三)大地耦合熱泵有待解決的技術問題
大地耦合熱泵是節能環保型暖通空調技術，但還有許多有待解決的問題。大地耦合熱泵的顯著特征是用地下埋管換熱器來回收土壤熱源，該換熱器的傳熱將受到地區氣候和土壤等因素的影響。土壤溫度的分布，不僅是確定地下埋管總傳熱系數的基礎，而且也決定著大地耦合熱泵的火用效率水平，反映出投資的回收年限、占地規模大小以及該地區適于何種地下埋管形式，最終決定該地區是否適合采用大地耦合熱泵。因此，針對不同地區的土壤環境條件，應采用不同的埋管深度和布置形式，這樣能產生不同的埋管傳熱效果。因此，如何進一步強化地下盤管的傳熱過程、探討和開發新型換熱器的結構形式，以及土壤特性對埋管換熱的影響機理和計算機輔助模擬試驗、制冷劑及載冷劑替代等尚有待研究。
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