地源热泵技术手册

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—地源热泵 地源热泵

山东早春创尔沃山东早春创尔沃热泵创尔沃热泵技术热泵技术有限公司技术有限公司 有限公司

地源热泵技术手册

目 录 录

概 述 述............................................................................................................4......................4

第一章 第一章 热泵的发展及建筑节能 热泵的发展及建筑节能..................................................................7

1.1 热泵的概述................................热泵的概述..........................................................................................7.............7

1.2 热泵的起源及发展................................热泵的起源及发展..............................................................................7.......7

1.3 热泵的冷热源................................热泵的冷热源......................................................................................8...........8

1.3.1 空气...............................................8

1.3.2 水.................................................9

1.3.3 土壤...............................................9

1.3.4 太阳能.............................................9

1.4 热泵的特点................................热泵的特点........................................................................................10............10 10

1.5 空调系统的节能空调系统的节能................................节能................................................................................10........10 10

第二章 第二章 热泵的分类及特点 热泵的分类及特点........................................................................10....10 10

2.1 空气源热泵................................空气源热泵........................................................................................11............11 11

2.2 水源热泵................................水源热泵............................................................................................12..............12 12

2.2.1 地下水水源热泵系统（ GWHP ）.......................13

2.2.2 地表水水源热泵系统（SWHP）.........................16

2.2.3 土壤源热泵........................................17

2.3.地源热泵2.3.地源热泵（地源热泵（直接膨胀式土壤换热器）直接膨胀式土壤换热器）.......................21.......................21 21

第三章 第三章 地源热泵系统介绍 地源热泵系统介绍........................................................................22....22 22

3.1 能量采集系统................................能量采集系统....................................................................................23..........23 23

3.1.1 土壤的物理特性....................................24

3.1.2 埋管的形式对换热器的影响..........................27

3.1.3 系统内部液体温度Ti对机组换热器的影响..............28

3.1.4 U型埋管内的液体流速对土壤换热器的影响.............29

3.1.5 回填材料对土壤换热器的影响.........................29

3.1.6孔洞相邻间距对土壤换热器的影响......................30

3.2 能量提升系统................................能量提升系统....................................................................................31..........31 31

3.2.1 地源热泵专用机组..................................31

3.2.2 热泵的实际运行工况................................41

3.3 能量释放系统................................能量释放系统....................................................................................43..........43 43

3.3.1 全水式地源热泵中央空调............................45

3.3.2 全空气式空调系统..................................51

3.4 流体循环系统控制................................流体循环系统控制............................................................................52......52 52

3.4.1 流体的黏滞性......................................52

地源热泵技术手册

3.4.2 流体的膨胀性......................................54

3.4.3 系统的安全运行....................................55

3.5 地源热泵在其它领域的应用...............................地源热泵在其它领域的应用...............................56...............................56 56

第四章 第四章 热泵中央空调系统的设计及计算 热泵中央空调系统的设计及计算.........................热泵中央空调系统的设计及计算.........................56.........................56 56

一．通用设计规范：通用设计规范：................................................................................57........57 57

二．专用设计规范：专用设计规范：................................................................................58........58 58

三．专用设计标准图集：..........................................58专用设计标准图集：.....................................58 58

4.1 空气调节系统................................空气调节系统....................................................................................58..........58 58

4.1.1 建筑物冷热负荷的计算..............................58

4.1.2 空调系统形式的确定................................64

4.1.3 空调系统新风量的确定..............................67

4.1.4 空调水循环系统....................................68

4.2 能量提升系统................................能量提升系统....................................................................................74..........74 74

4.2.1 热泵机房设备的选型................................75

4.2.2 地源热泵机房......................................79

4.2.3 机组系统的连接....................................80

4.2.4 管道的防腐与保温..................................82

4.3 能量采集系统................................能量采集系统....................................................................................82..........82 82

4.3.1 水源热泵水井的确定................................82

4.3.2 地源热泵中央空调地热交换系统的确定.................84

4.3.3 现场的调查与分析..................................85

4.3.4 地源热泵土壤换热器的设计..........................88

4.4空调系统节能................................空调系统节能....................................................................................102..........102 102

4.4.1 水源热泵——污水源（海水源）热泵空调系统...........102

4.4.2 地源热泵——溶液除湿空调系统.......................107

4.4.3 蓄冷空调技术......................................105

4.4.4. 全热回收热泵机组................................106

4.4.5. 太阳能·地源热泵空调系统.........................109

4.4.6. 全热回收空调系统................................115

第五章 第五章 地源热泵土壤换热器的安装及检验 地源热泵土壤换热器的安装及检验......................地源热泵土壤换热器的安装及检验......................116......................116 116

5.1 水平热交换器的安装......................................................................117...117 117

5.2 垂直热交换器的安装......................................................................117...117 117

5.3 垂直换热器的成孔................................垂直换热器的成孔..........................................................................118.....118 118

5.3.1 钻孔工程.........................................118

5.3.2 钻孔钻具.........................................120

5.3.3 钻孔的技术要求...................................122

地源热泵技术手册

5.3.4 钻孔技术.........................................123

5．4地源热泵土壤换热器系统的连接工艺地源热泵土壤换热器系统的连接工艺.....................125.....................125 125

5.4.1 焊接机具.........................................126

5.4.2 电熔焊...........................................128

5.4.3 热熔焊...........................................129

5.4.4 钢塑转换连接.....................................131

5.5土壤换热器水平槽开挖....................................................................131..131 131

5.6 土壤换热器的沟孔回填材料..............................土壤换热器的沟孔回填材料..............................131..............................131 131

5.7地耦管换热器的防菌防藻................................132................................132 132

5.8 检验..................................................................................................132.................132 132

第六章 空调系统的安装与检验.............................133.............................133 133

6．1水管道的连接工艺..........................................................................133.....133 133

6.1.1 用材的检验.......................................133

6.1.2 管道的连接.......................................133

6.1.3 阀门的安装.......................................135

6.1.4 连接管道的打压与冲洗.............................135

6.1.5 连接管道的防腐与保温.............................136

6.1.6 空调水管道室外安装...............................136

6.2 风道的连接工艺............................................................................137......137 137

6. 2.1 风管制作安装....................................137

6.2.2 消声器安装.......................................139

6.2.3 防腐与保温.......................................140

6.2.4 系统检验测试.....................................141

6.3空调设备的安装................................空调设备的安装................................................................................141........141 141

6.3.1 风机盘管机组的安装..............................141

6.3.2 组合式空调机组及柜式空调机组的安装...............141

6.3.3 通风机的安装通风机的安装.........................142

第七章 中央空调系统的调试与验收...........................142...........................142 142

7．1 连接管道的打压与冲洗................................连接管道的打压与冲洗..................................................................142 142

7.1.1 试压.............................................142

7.1.2 冲洗.............................................143

7．2 通风系统检验测试................................通风系统检验测试..........................................................................143.....143 143

7．3 系统的调试与验收................................系统的调试与验收..........................................................................143.....143 143

附：部分工程实例部分工程实例......................................................................................146...........146 146

概 述 述

热泵作为环保节能的空调系统，仅利用了空气、土壤、地下水和地表水（江、河、

湖、海）等作为冷热源，避免了燃料产生的污染，又具有良好的综合能效比。热泵技

术的不断发展和深入，将使热泵汲取能量方式有所发展，从而使机组的能效比更佳。

大力发展热泵很有必要性。尤其在冬冷夏热地区，使用一套热泵系统，完成建筑

物夏季空调、冬季供暖和全年供卫生热水三项工作，是最理想的选择。

从目前热泵市场上看，除了要加强按照汲取低品位能源对象的不同，研发出不同

系列的专用热泵机组外，更要注意热泵机组系统所相关的配套产品。譬如恒温换气机、

顶棚空调板、低温地板辐射采暖板等，这样就有不同形式的热泵系统应用在各大地区

建筑物中。

由于热泵技术在我国应用较晚，有学者认为：业界对热泵系统还缺乏普遍的共识

和基本鉴定力。这里的“普遍的共识”是指在技术和经济两方面对热泵系统的优越性

的认知；“基本鉴定力”是指具有识别和鉴定热泵系统技术优越性的能力和权威。在

地源热泵系统中，土壤换热器的教学科研与社会化需求存在脱节的现象。在热泵技术

推广过程中，把技术与商务混同起来，导致各工程公司太多地致力于商业运作而忘记

了自己为业主负责，同时也致使业主忘记了如何从技术经济各方面综合评价和看守住

自己的利益。

从社会公众的利益出发和持续发展战略的要求来看，还必须通过立法建立必要的

法律，法规，规范及标准体系，作为建筑及空调系统设计的约束条件，限制不合理的

能源过度消费，保护环境，使建筑节能设计和施工规范化，使节能的热泵技术得到有

效的推广。

我们要树立起只有民族科技才是国家生产力的观念，要体味到只有民族科技才是

国家生产力的切肤之痛。所谓民族科技就是独立自主、自力更生的科技。在热泵技术

的发展和推广上我们深感能力有限，希望对热泵技术有兴趣的广大专家和技术人员，

在一个组织范围内一起丰富和完善对热泵技术的认识和经验总结，让节能环保的热泵

中央空调系统为我们创造一个舒适的生活空间。

近年来，美国能源部等国际上一批机构都表示愿意继续帮助和支持中国推广这项

具有明显节能、环保效果的新型地源热泵技术，中国科技部、国家经贸委、国家计委

等机构和一些地方政府也表示将继续支持推广该工作。有这些机构的大力支持，再加

上人员培训和技术交流活动的日益增多，我们有理由相信地源热泵这项作为二十一世

纪节能、环保的新型建筑空调技术将得到更进一步的推广和应用，人类也将从这项技

术中得到更多的实惠。

地源热泵的主要特点：

1、可再生能源

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源进行能

量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，

比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处

不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能成为清洁的可再生能源的

一种形式。

2、高效节能

地能或地表浅层的热资源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季

比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比空

气源热泵系统运行效率要高，比传统空调系统运行效率要高20～40%，因此可节省运

行费用。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、更稳定，也保证

了系统的高效性和经济性。

3、环保无污染

地源热泵中的传热介质是在一个完全封闭的循环管道内流动，通过管壁导热与岩土

进行热量的转换。地源热泵没有任何污染物排放，低噪声，不影响人们的正常生活和工

作，并且系统内装有新风装置，改善了室内的空气环境，使人感到更加的舒适。工程系

统的安装不改变原建筑物的外观。

4、功能多，应用范围广

地源热泵系统可用于供暖、空调，同时还可用于供卫生热水，一机多用，一套系统

可以替换原来的锅炉加空调两套装置或系统。此系统可应用于几万平米的大型宾馆、商

场、办公楼、学校等建筑，也适合于小型的别墅住宅的采暖、空调。此外，系统地下部

分采用耐腐蚀的材料，免维修，可安全使用50年以上，使用寿命长；机组结构紧凑，节

省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。

第一章 第一章 热泵的发展及建筑节能 热泵的发展及建筑节能 热泵的发展及建筑节能

1.1 热泵的概述

随着经济的发展和人们不断追求更高水准的生活环境，公共建筑和住宅的冬季供暖

和夏季空调已经成为普遍的要求，传统的空调系统通常分别设置冷源（制冷机）和热源

（锅炉）。如今，供暖和空调能耗所占全社会的份额节节攀升。作为传统热源的燃煤锅

炉，不仅能源利用率低，而且还会给大气造成严重的污染，因此在一些城市中，燃煤锅

炉在被逐步淘汰，而引进的燃油、燃气锅炉则运行费用很高，而且逐年增长。与此同时，室外环境污染和自然资源枯竭的问题已经成为全社会关注的焦点。这样，热泵技术就成

为一种在技术上和经济上都具有较大优势的解决供热和空调的替代方式。

1.2 热泵的起源及发展

热泵技术的理论基础起源于1824年卡诺发表的关于卡诺循环的论文。30年后开尔文

提出“冷冻装置可以用以加热”，1852年威廉·汤姆逊发表论文，提出用空气作为工质的

热泵技术，到1927年英格兰一台用空气作热源的家用热泵安装成功，日本是在1937年

开始采用透平式压缩机，以泉水作为低温热源为建筑物进行空气调节，1938年第一台较

大的热泵装置在苏黎世投入运行。这台热泵装置以河水作为热源，装有一台回转式压缩

机，工质是R12，用来向市政厅供热，其输出功率175kW，输出水温60℃，而且此热泵

装置夏季也能制冷。此后在欧洲的瑞士和英国，热泵的数量已经很可观。

20世纪70年代初期，人们广泛的认识到矿物燃料在地球上是有限的，1973年“能

源危机”的出现更加深了人们对地球能源有限性的认识。而热泵以其回收地下岩土、空

气、水等物质中的低温热源的热量、节约能源、保护环境的特点得到了广泛的应用。

70年代以来，欧洲各国和苏、日、美、澳等国家对热泵研究工作十分重视。苏、英、

法、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国家都参加了世界能源组织1976年成立的“国际热

泵委员会”。

目前，世界各国对热泵技术应用的兴趣越来越浓，欧洲、日本、北美的制造厂商都

为工业、商业、民用建筑提供了大量热泵。诸如国际能源机构和欧洲共同体都制定了大

型热泵发展计划，并且，不少现有热泵技术和新技术试验，在新领域中的推广应用工作

也正在进行和规划当中。而热泵的用途也在不断开拓，不仅仅用于采暖空调系统上，而

且在工农商业上也得到广泛的应用。热泵工业正在迅速成长，它将在节约能源方面起到

重大的作用。

1.3 热泵的冷热源热泵的冷热源

地球上的能源种类众多，热泵技术采的是来自太阳的辐射能，且通过各种类型的转

化过程而储存于地球上可再生能源（水能、风能、地能）。

热泵的作用是能够将低温位能源的热量提升为高温位能量。热泵技术是一个相对成熟的技术，“源”的问题是热泵技术的关键。机械压缩式热泵运行时，通过蒸发器从热源中吸取热量，再通过冷凝器向用热对象提供热量，故热源温度的高低是影响热泵运行性能和经济性能的主要因素之一。在一定的供热温度条件下，热泵热源温度与供热温度

之间的温差越小，热泵的制热效率越高。因此作为热泵的热源应满足如下一些要求：

1．热源应能提供足够的热量；

2．热源温度尽可能高，使热泵的温升尽可能小，以提高热泵的制热系数；

3．热源温度的时间特性和供热的时间特性尽量一致；

4．热源能量的提取要尽量减小动力消耗；

5．热源对换热器应无腐蚀作用； 热泵的热源可分为两大类。一类是自然热源，热源温度较低，如空气、水（地下水、

地表水、江、河、湖等）、土壤和太阳能等；另一类为生活和生产排热，这类排热温度

较高，如废气、废水等。

1.3.1 空气1.3.1 空气 空气

空气作为低温位热源，可以取之不尽，用之不竭，而且是随时随地无偿地获取。但

是空气的比热容小，当工质温度与环境空气温度相差10℃时，要从空气中吸收1kw的热

量，就需有360m3/h的空气流量。

1.3.2 水1.3.2 水

可供热泵作为低温位热源用的水，有地下水、地表水、城镇污水、工业废水等，水

的比热容大，传热性能好，水温一般很稳定。 地表水相对空气来说，可算是高品位热源，虽然冬季结冰，只要有一定深度，冰层

下有足够的水，均可作为低温位热源使用，可获得较好的效果。我国拥有绵长的海岸线，

沿海地区可充分利用海水资源作为热泵冷热源。

地下水是热泵良好的低温位热源，水温随季节气温的变化较小，水温比当年的平均

气温高1~2℃，在我国华北地区为14±1℃，华东地区为18±1℃，东北地区为10±1℃，

采用地下水时应注意水的回灌和回灌水对地下水层的污染等问题。

城镇污水、工业废水的温度较高，是很好的低温位热源，只要做好去污除尘，利用

价值较高。特别要注意的是，目前已经采用深层地下高温水供暖的建筑物尾水作为热泵

的热源最佳。

1.3.3 土壤1.3.3 土壤 土壤 土壤同样是热泵的一种良好低温位热源，温度相对稳定，并有一定的蓄能作用。但由于土壤的传热性能欠佳，要较大的换热面积，导致建筑物周围要有足够大的可使用面

积。土壤的传热性能取决于导热率、密度、比热容和含水量。不同地区地质结构不同，

物理特性各异，作为低温位热源效果也各自不同。

1.3.4 太阳能1.3.4 太阳能 太阳能

太阳能集热器在实际运行中，受季节、昼夜、时间、气候的影响较大，采用太阳能供热，在技术上和经济上都存在一些问题有待研究。太阳能集热器与热泵的联合运行，

使太阳能集热器在低温下集热，再由热泵装置升温给供热系统，这是一种利用太阳能较

好的方案。

太阳能——土壤源热泵系统是以太阳能和土壤热为复合热源的热泵系统，是太阳能

与地源热泵综合利用的一种形式。太阳能与地源热泵结合具有很好的互补性。太阳能可

以提高地源热泵进液温度，提高运行效率。地源热泵可以补偿太阳能的间歇性。

1.4 热泵的特点

空调系统冷热源合一；

无冷却塔水系统；

无锅炉的污染；

系统设备少且集中；

可组装成大型整体式或小型模块式机组。

1.5 空调系统的节能空调系统的节能

建筑物的节能是一项综合性的技术，包括建筑物本身和空调系统、设备的节能。 从

建筑设计方面要设法减少空调负荷，空调系统设计要提高设备效率和优化运行过程，降

低能耗。

第二章 第二章 热泵的分类及特点 热泵的分类及特点 热泵的分类及特点

热泵这一术语，源于与水泵在功能上的形象对比。水泵的功能在于把水从低水位处

抽吸到高水位处排放。热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。按热泵驱

动功的形式分：机械压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵。常见的是机械压缩式

热泵。根据机械压缩式热泵所吸收的可再生低位热源的种类，热泵可分为：空气源热泵

（空气-空气热泵、空气-水热泵）、水源热泵（水-水热泵、水-空气热泵）和地源热泵（土壤-空气热泵、土壤-水热泵）等。

蒸汽压缩式热泵装置的工作原理与蒸汽压缩式制冷机的工作原理是一致的。逆卡诺

制冷和逆卡诺制热循环的组成和作用是相同的，都是由两个可逆的绝热过程和两个可逆

的等温过程所组成。在蒸发器中的等温过程从低温热源中吸取热量（制冷）；在冷凝器

中的等温过程向高温热源放出热量（供热）。夏季空调降温和冬季采暖，都是使用同一

套设备完成的，冬季采暖和夏季空调的改变，是机组内通过一个换向阀来调换蒸发器和

冷凝器工作的，因此热泵又可定义为能实现蒸发器与冷凝器功能转换的制冷机。蒸汽压

缩式热泵是用作动力，可以得到比用电直接加热获得多几倍的热量，这是因为输入给热

泵的电能不但本身转变成了热 ，而且靠它作功，把大量存在于周围环境介质中处于低位

势的热提高到了可利用的一定高的位势。

2.1 空气源热泵2.1 空气源热泵

空气源热泵系统是以空气作为低温热源。分体式热泵空调机、VRV热泵空调系统、

大型风冷热泵机组等，均属于空气源热泵。

这种空气源热泵的安装和使用都非常方便，虽然被人们广泛应用了很多年，但目前

仍存在一些缺点。

由于空气的状态参数随地区和季节的不同而不同，这对空气源热泵的容量和制热性

能系数影响很大，空气温度偏高或偏低时，热泵的制冷性能系数就会变得很低。尤其在

冬季，当空气温度很低时，这时需求的供热量就很大，势必造成热泵供热量与建筑物耗

热量之间的供需矛盾。

冬季空气温度很低时，空调换热器中的工质蒸发温度也很低。当空调换热器表面温

度低于 0 ℃，并且低于空气露点温度时，空气中的水分在换热器表面就会凝结成霜，导

致蒸发器的吸热量减少，热泵不能正常供热。

空气源热泵的除霜需要一定的能耗。

要保证空调换热器能获得足够的热量，就需要较大容量的风机供风，这样就增大了

空气源热泵装置的噪音。

空气源热泵在我国典型的应用范围是长江流域以南地区。而在北方地区，冬季平均

气温低于0℃，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且存在结霜问题，效率较低，因此空气源热泵用于北方地区时，必须慎重考虑！

所以热泵装置的设计要考虑防止空调换热器的结霜，还要选择良好的除霜方式。其

一般的除霜方法有：

1) 把压缩机的部分高温热气经旁通管直接送入蒸发器进行除霜；

2) 利用四通阀，将热泵由供热工况运行变为制冷工况运行，这种方法除霜快，但要

消耗大量能量；

3) 在空调换热器内镶入电加热器，用电加热除霜。

不同地区和不同品牌的空气源热泵机组除霜采用的方法不同，空气源热泵系统防霜和除霜的能耗估计占热泵总能耗的10%，但是霜层的形成造成换热器运行性能下降是无法确定的。随着空气温度的下降，热泵的效率降低，有些热泵虽然可在－15℃～－20℃仍可运行，此时的制冷系数将降的很低。

空气源热泵系统在使用时还应注意以下三个方面：

经济合理地选择平衡点；

热泵系统应配备一个合理的辅助加热装置；

热泵系统的自动能量调解。

目前，由于对空气源热泵存在的固有问题还没有找到有效地解决办法，所以空气、土壤、太阳能的综合利用是一种发展趋势。

2.2 水源热泵

水源热泵中央空调系统是由室内空气处理末端设备、水源热泵机组和水源循环系统三部分组成的。制冷时，水源热泵中央空调系统中的末端设备将建筑物内的余热通过热泵机组转移到循环的水源中，实现了制冷的目的，同时省去了水环热泵中的冷却塔；制热时，水源热泵机组中的制冷剂将在循环水源中吸收热能，利用少量的电能将吸热后的制冷剂压缩到高温高压状态，制冷剂再将吸收的全部热量释放到采暖系统中，从而达到了将吸收的可再生低温热源的热能输送到高温热源的目的，实现了可再生能源对水环热泵系统中传统锅炉的取代。

系统流程图如下所示：

目前，水源热泵广泛采用地下水资源，如果存在地表水或通过开发能够引到地表水，也可直接利用地表水作为热泵的冷热源。目前应用较多的有海水热泵、污水热泵、工业

废水热泵等。在开式形式时，必须解决排水问题；如果采用聚乙烯管制作盘管换热器，需合理布置牢固定位在现有水体中，用集路管连成数个环路，构成一个闭式并联循环系统作为热泵系统的冷热源。在现已利用的地热水供暖建筑物中，可以将末端尾水作为水源热泵的热源，这样大大增加了地热水供暖的建筑面积。

2.2.1 地下水水源热泵系统2.2.1 地下水水源热泵系统（地下水水源热泵系统（ GWHP ） GWHP ）

地下水水源热泵系统（GWHP），也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送到水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。如果真正实现100%的回灌到原水层，这样就能保证地下水总体上的供回平衡。

地下水水源热泵系统图

地下水水源热泵中央空调系统是目前应用最普遍的一种形式，与地下埋管的“闭式”地源热泵相比，由于其造价低、容量大、水的温度稳定，所以市场占有率高，但是由于地下水回灌的堵塞问题没有得到根本解决，在使用方面、地质环境方面的问题比较突出。这些问题能否解决，一方面影响这项技术的可持续发展；另一方面，也直接影响我们共同的生活环境。

地球并不是一个均质体，而是具有圈层结构的。我们所应用的是地球最外面的一层硬壳——地壳。地壳是由各种各样的固体岩石组成的。在地表浅层形成的未经压固、胶结的碎屑堆积物称为松散岩石或第四纪松散堆积物，如：粘土，粉质粘土，粉土，砂，砾石，卵石，以及砂砾石、砂卵石的混合堆积物。

构成地壳的岩石，无论是松散堆积物还是坚硬岩石，都具有多少不等、形状不一的空隙，没有空隙的岩石是不存在的，岩石空隙是地下水储存场所和运输通道。松散岩石颗粒或颗粒混合体之间的空隙称为孔隙，它的大小、多少、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动有重要影响。孔隙大小和数量不同的岩石与水作用，所表现出的容纳、保持、给水和透水性质称为岩石的水理性质。

水文地质参数是表征含水层性质特征的参数。在水源热泵工程设计中，常用的参数有渗透系统、导水系数、释水系数、给水度等，这些参数是水文地质计算和合理利用地下水的重要依据，同样关系到抽水量和回水量评估结果的正确与否。

地下含水层是天然的地下水库，但在无充足天然补给的条件下，地下水并不是“取之不尽，用之不竭”的自然资源。大量集中采集地下水，使得地下水储量日趋枯竭，已造成抽水井水位逐渐下降，最后将难于抽水。地下水人工补给，又称地下水人工回灌，是当今水源热泵系统广泛采用的方法，不仅可以增加地下水的补给量，而且还可以防止地下水位下降，控制地面下沉。

目前大多数地下水热泵工程的地下水系统非常简单，一般采用直流系统，即地下水直接送入热泵机组换热后向回灌井或地表排放。由于工程造价低、制冷制热效果好，受到了相当一部分用户的欢迎。而地下水是一种优质的淡水资源，是国家的一种战略物资，大规模的使用地下含水层，一旦出现地质环境问题，后果将是无法弥补的。随着地下水资源的日益减少，这类现象已经引起了一些专家和政府有关部门的重视，并要求对地下水实行全部回灌。有部分工程项目声称解决了地下水回灌问题或称回灌率达到100%，但对回灌当地的地质条件如何、采取何种回灌方式、回灌的质量如何等等，则避而不谈，因而国内的一些专家和政府管理部门对这项技术持慎重态度是可以理解的。所以，地下水热泵技术的推广应用有待地质水文科技的进步。

地下水回灌基本上采用原有的人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。压力回灌适用于范围较广的含水层，而真空回灌仅适用于低水位和渗透性好的含水层。

从理论上讲，地下水灌抽比可达到100%。但是，目前多数国家的地下水回灌技术还不成熟，特别是在含水层砂粒较细的情况下，井很容易被堵塞，回灌的速度大大低于抽水的速度。

在回灌过程中，井的堵塞是不可避免的，通常采用回扬清洗的方法来维持地下水的回灌。对于含有中、细砂的含水层，压力回灌每天需回扬2～3次，真空回灌每天需要回扬1次。回扬和清洗处理都是非常专业的工作，无形中增加了系统的维护费用和运行费用。在地下水水源热泵系统工程设计时，要重视地下水流程中的过滤、除砂、沉淀，尽力减少回灌水的含砂量，避免回灌井渗水和毛细孔堵塞，建议建造一蓄水池。

手动开启抽水泵，井水自井供水口流入沉淀池，清洁的水经循环水泵流进热泵机组换热器，换热后的水经回水管进入回水池。抽水泵的控制开关调向自动。回水池水位上升，水经回水堰回到沉淀池，抽水泵停止。回水与井供水混合，为热泵系统提供换热用水。当沉淀池内的混合水温超出设定温度范围之外时，抽水泵自动开启，向沉淀池供水，当回水池内的水位超过溢水堰的高度时，水由溢水堰流入溢水池流入回灌

井。回水堰和溢水堰的高度由工程系统用水量的数量来确定。当沉淀池混合水温回到 设定范围内时，抽水泵自动关闭。回灌井和供水井的定期轮换，交替使用，可代替回水井的回扬清洗工作。

如图：

对小型建筑物的水源热泵中央空调系统的冷热源，可采用单井回灌或抽水井和回水井连通的方式。

地质环境的问题主要表现在以下两个方面：

① 地面沉降

地下水的过度抽取会引起地面沉降，后果是对地面的建筑物产生直接的破坏作用。如果实行100%的回灌到原水层，使总体上保持地下水供给平衡，局部地下水的变化就不至于引起地面沉降。

② 地下水质污染

由于地下水水源热泵并不是密闭的循环系统，回灌过程中的回扬、水回路中产生的负压和沉砂池，都避免不了空气和地下水的接触，导致地下水氧化。地下水氧化会产生一系列的水文地质问题，如地质化学变化、生物变化等。采用井口换热器，尽量减少地下水与空气的接触，并对回路中所用器材做防腐处理，这样可以减轻空气对地下水的污染程度。回灌水的环保处理不仅不会污染地下水，而且还能缓解地下水的污染，改善地下水水质。

总结：水文地质问题的出现，将是一个无法挽回的灾难，从危害程度上来讲，不亚于空气污染的危害性，治理更是无从谈起。所以地下水水源热泵的发展将是举步维艰的。

2.2.2 地表水水源热泵系统2.2.2 地表水水源热泵系统（地表水水源热泵系统（SWHP）SWHP）

地表水水源热泵系统图

通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库以及海水作为冷热源。地表水源热泵的开式系统有涉及面广、复杂，会造成环境污染和地表水资源枯竭，而且直接抽取换热方式对热泵机组还有腐蚀和堵塞等现象，因此系统应当谨慎采用。建议使用间接换热方式为佳。

地表水水源热泵与地下水水源热泵比较，运行工况要恶劣的多。作为冷热源的地表水受环境影响较大，一年内温度变化大，夏季水温高达25℃以上，冬季低到5℃以下，北方内陆湖的冰下水温仅在2℃左右。

2.2.32.2.3 2.3 土壤源热泵土壤源热泵 热泵

土壤源热泵早已被人们所认识，在建筑物中应用了数十年。土壤源热泵系统是一种领先的空调技术，它可以实现水源热泵系统的诸多优点，并且还能节省相当可观的运行费用。土壤源热泵系统解决了地下水源热泵系统的地下水回灌问题（因为本身并不抽取地下水资源），避免了地下水资源对热泵机组使用的影响和地下水被污染的可能性。土壤源热泵系统占地空间小，并且系统的安装和使用不会改变建筑的外观和结构。土壤源热泵系统是通过导热介质溶液在埋入地下的循环系统中流动，实现与大地之间的热交换的。

地耦管土壤源热泵系统是一个密闭的闭路循环系统，它保持了地下水水源热泵利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。地耦管土壤源热泵系统从根本上解决了地下水水源热泵的种种弊端，是一种真正可持续发展的建筑节能的新技术，而且还具有适用范围广、运行费用低、节能和环保效益显著等优点。

土壤源热泵系统中的土壤换热器埋管方式可分为：水平式土壤换热器，垂直U型式土壤换热器，垂直套管式土壤换热器，热井式土壤换热器，直接膨胀式土壤换热器。

2.2.3.1 水平式土壤换热水平式土壤换热

水平地埋管普遍使用在单相运行状态的空调系统中，一般的设计埋管深度在2～4米之间，在只用于采暖时，土壤在整个冬天处于放热状态，沟的深度一定要深，管间距要大

水平式土壤换热器埋管方式

2.2.3.2 垂直U型式土壤换热器

垂直U型式土壤换热器是钻孔将U型管深埋在地下，因此与水平土壤换热器的比较具有使用地面面积小、运行稳定、效率高等优点。

2.2.3.3 垂直套管式土壤换热器

换热器有内套管和外套管的闭路循环系统，水从外套管的上部流入管内，循环时，水沿外套管自上至下的流动，从外套管的底部经内套管上流到顶部出套管。

套管式土壤换热器适合在地下岩石深度较浅，钻深孔困难的地表层使用。通过竖埋单管试验，套管式换热器较U型管效率高20～25%。竖埋套管式孔距在3～5m，孔径在150～200mm， 外套管直径Ф63～Ф90～Ф120mm，内套管直径Ф25～Ф32mm。

目前在欧洲的瑞典采用较多的套管式土壤换热器，如下图所示：

2.2.3.（1、2、3、4）都归属于地下耦合土壤源热泵系统，称地耦管土壤源热泵系统或地下热交换器土壤源热泵系统。这一闭式系统方式，通过中间介质作为载体，使中间

介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。这种换热形式的热泵系统，人们习惯的称为地源热泵。关于热泵系统的更明确的新的定义有待业内权威机构认同。

热 泵 机 组

膨胀补水 装置

土壤换热器污

内置式土壤源热泵系统流程示意图

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