用热泵加热和冷却

地源热泵在冬季使用地球或地下水或两者作为热源，而作为夏天从家中排出的热量的“水槽”。因此，地源热泵系统已经被称为地球能源系统（EES）。通过使用液体如地下水或防冻液从地球除去热量; 液体的温度由热泵升高; 并将热量转移到室内空气中。在夏季，过程相反：从室内空气中取出热量，并通过地下水或防冻液将其转移到地球上。直接膨胀（DX）地球能量系统使用地热交换器中的制冷剂，而不是防冻溶液。

地球能量系统可用于强制空气和水力加热系统。它们也可以设计和安装，仅提供加热，加热采用“被动”冷却，或采用“主动”冷却加热。仅采暖系统不提供冷却。无源冷却系统通过泵送冷水或通过系统防冻来提供冷却，而不使用热泵来帮助过程。如下所述，在“冷却循环”中提供主动冷却。

地球能源系统（地源热泵系统）如何运作？

所有EES有两部分：房屋外的地下管道电路和房屋内的热泵单元。不同于一个热交换器（经常是压缩机）位于外部的空气源热泵，整个地源热泵单元位于房屋内。

室外管道系统可以是开放系统或闭环系统。开放系统利用了保存在地下水体中的热量。水通过井直接吸入热交换器，在那里它的热量被提取出来。水被排放到地下水体，如溪流或池塘，或者通过单独的井回到同一个地下水体。

闭环系统通过埋在地下的管道的连续回路从地面收集热量。由热泵制冷系统冷却到比外部土壤多几度的防冻液（或DX地球能源系统的制冷剂）通过管道循环并吸收周围土壤的热量。

加热循环

在加热循环中，地下水，防冻剂混合物或已经循环通过地下管道系统并从土壤中吸收热量的制冷剂回到房屋内的热泵单元。在地下水或防冻混合系统中，然后通过制冷剂填充的主热交换器。在DX系统中，制冷剂直接进入压缩机，没有中间热交换器。

热量传递到制冷剂，该制冷剂变成低温蒸气。在开放的系统中，地下水然后被抽回并排放到池塘或井下。在闭环系统中，防冻混合物或制冷剂被泵送回地下管道系统以再次加热。

换向阀将制冷剂蒸汽引导到压缩机。然后蒸气被压缩，这降低了体积并使其升温。

最后，换向阀将现在热的气体引导到冷凝器盘管，在那里它将热量排放到吹过线圈并通过管道系统的空气以加热家庭。放热后，制冷剂通过膨胀装置，其温度和压力在其返回到第一热交换器之前进一步下降，或者在DX系统中降落到地面，以再次开始循环。

家用热水

在某些地源热泵系统EES中，热交换器（有时称为“过热降温器”）在离开压缩机之后从热制冷剂中获取热量。来自家庭热水器的水通过冷凝器盘管前面的线圈泵送，以便在冷凝器处消散的一些热量用于加热水。在夏季制冷模式下始终可以使用过热，而当热泵高于平衡点时，在温和的天气下，也可以在加热模式下使用，而不能满负荷运转。其他EES根据需要提供家用热水（DHW）：整机在需要时切换到提供DHW。

由于压缩机位于室内，EESs的水加热更容易。因为EES具有相对恒定的加热能力，所以它们通常比空间加热所需的剩余加热容量多一个小时。

冷却循环

冷却循环基本上与加热循环相反。制冷剂流动的方向由换向阀改变。制冷剂从室内空气中吸收热量，并将其直接转运到DX系统中，或将其转移到地下水或防冻液中。然后将热量泵送到水体中或返回井（在开放系统中）或进入地下管道（在闭环系统中）。再次，这些多余的热量可以用来预热家用热水。

与空气源热泵不同，EES不需要除霜循环。地下温度比空气温度稳定得多，热泵单元本身位于内部; 因此，不会出现霜冻问题。

系统的一部分

地球能量系统有三个主要部分：热泵单元本身，液体热交换介质（开放系统或闭环）和空气输送系统（管道系统）。

地源热泵设计方式不同。独立单元将鼓风机，压缩机，热交换器和冷凝器盘管组合在一个机柜中。分体系统允许将线圈添加到强制空气炉中，并使用现有的鼓风机和炉。

能效注意事项

与空气源热泵一样，地球能量系统具有广泛变化的效率等级。用于地下水或开放系统应用的地能系统的加热COP等级从3.6到5.2，冷却EER等级在16.2和31.1之间。那些用于闭环应用的加热COP额定值在3.1和4.9之间，而EER等级从13.4到25.8。

与空气源设备相同的司法辖区规定了每个范围的最低效率。地球能源系统的效率有了显着的提高。今天，空气源热泵制造商可获得的压缩机，电机和控制系统的新进展也使地球能源系统的效率更高。

在低到中等效率范围内，地球能量系统使用单速旋转或往复式压缩机，相对标准的制冷剂与空气的比例，但过大的强化表面制冷剂对水热交换器。

中档单位采用涡旋压缩机或先进的往复式压缩机。在高效率范围内的单元倾向于使用双速压缩机或变速室内风扇马达或两者，或多或少具有相同的热交换器。

地球能源系统现在可以在加拿大的能源之星?高效率倡议下获得资格。在加拿大，能源之星目前包括

以下地球能源系统的产品规格：

地源热泵的主要能源之星标准（2004）

产品类别	最小EER	最低COP	水暖（WH）
闭环	14.1	3.3	是
•集成WH	14.1	3.3	N / A
开环	16.2	3.6	是
•集成WH	16.2	3.6	N / A
DX	15.0	3.5	是
•集成WH	15.0	3.5	N / A

要被允许显示能源之星符号，产品必须达到或超过技术规范，以确保它们是市场上最节能的之一。最低要求从一个类别到另一个类别不同，但通常能源之星模式必须比常规型号高出10％至50％。

尺寸注意事项

与外部空气不同，地面的温度保持相当恒定。结果，EES的产量在整个冬天几乎没有变化。由于EES的输出是相对恒定的，因此可以设计为满足几乎所有的空间加热要求 - 足够的容量可以提供热水作为“额外的”。

与空气源热泵系统一样，通常不是将EES的尺寸设置为提供房屋所需的所有热量。为了获得最大的成本效益，EES的大小应该达到最大“需求负荷”（空间采暖和供热总需求）的60％至70％。在恶劣天气条件下偶尔出现的峰值加热负荷可以通过辅助加热系统来满足。以这种方式大小的系统实际上将提供大约95％的用于空间加热和水加热的总能量。

具有可变速度或容量的EES可用于双速压缩机配置。这种类型的系统可以满足所有冷却负载和大多数加热负载低速，高速度需要高加热负载。

各种尺寸的地源热泵系统EES可用于适应加拿大的气候。单位面积从7 kW到35 kW（24 000 to 12万Btu / h），包括家庭热水（DHW）的选择。

设计注意事项

与空气源热泵不同，EES要求设计井或回路系统以收集和散发地下热。

开放系统

如上所述，开放系统使用来自常规井的地下水作为热源。地下水被泵入热泵单元，在那里提取热量。然后，“二手”水在溪流，池塘，沟渠，排水瓦，河流或湖泊中释放。这个过程通常被称为“开放放电”方法。（您所在地区可能无法接受，请向当地政府查询。）

释放废水的另一种方法是通过排水井，这是将水返回地面的第二口井。排污井必须具有足够的能力处理通过热泵的所有水，并且应由合格的钻井者安装。如果您有一个额外的现有井，您的热泵承包商应该有一个井钻井，确保它适合作为拒绝井。不管使用哪种方法，系统应设计为防止任何环境破坏。热泵简单地去除或加热到水中; 不添加污染物。返回环境的唯一变化是温度稍微升高或降低。

热泵单元的尺寸和制造商的规格将决定开放系统所需的水量。特定热泵型号的水需求通常以每秒升（L / s）表示，并列在该单元的规格中。10 kW（34 000 Btu / h）容量的热泵在运行时将使用0.45至0.75 L / s。

您的井和泵组合应足够大，除了满足您的家庭用水需求外，还可以提供热泵所需的水。您可能需要放大压力罐或修改您的管道以向热泵提供足够的水。

水质差可能会导致开放系统的严重问题。您不应该使用泉水，池塘，河流或湖泊的水作为您的热泵系统的来源，除非已被证明没有过多的颗粒和有机物质，并且在全年（通常超过5°C）以避免热交换器的冻结。颗粒等物质可能堵塞热泵系统，使其在短时间内无法使用。在安装热泵之前，您还应该对水的酸度，硬度和铁含量进行测试。您的承包商或设备制造商可以告诉您什么水平的水质是可以接受的，在什么情况下可能需要特殊的热交换器材料。安装开放式系统通常需要遵守当地的分区法或许可要求。请向当地政府查询，以确定您所在地区是否适用限制。

闭环系统

闭环系统使用特殊埋地塑料管的连续回路从地面自身吸取热量。在DX系统的情况下使用铜管。管道连接到室内热泵，形成密封的地下回路，防冻液或制冷剂通过该回路循环。当开放系统从井中排出水时，闭环系统将加热管道中的传热溶液再循环。

管道放置在两种类型的布置中：垂直或水平。对于大多数郊区住宅来说，垂直闭环安排是一个适当的选择，那里的许多空间受到限制。根据土壤条件和系统尺寸，将管道插入直径为150 mm（6 in。）的钻孔中，深度为18至60 m（60至200 ft。）。通常，每吨（3.5 kW或12 000 Btu / h）的热泵容量需要约80至110 m（270至350英尺）的管道。管孔的U形环插入孔中。DX系统可以具有较小的直径孔，这可以降低钻井成本。

水平安排在农村地区较为普遍。根据沟槽中的管道数量，管道通常深度在1.0至1.8米（3至6英尺）深的沟槽中。通常，每吨热泵容量需要120至180米（400至600英尺）的管道。例如，良好的绝缘，185米2（2000平方英尺）家可能会需要360至540微米的三吨系统（1200至1800英尺）管材。

最常见的水平换热器设计是在同一个沟槽中并排放置的两根管道。有时在区域有限的地方使用的另一种热交换器是描述其形状的“螺旋形”。如果土地面积有限，其他水平回路设计在每个沟槽中使用四根或六根管道。

无论您选择何种安排，所有用于防冻溶液系统的管道必须至少为100系列聚乙烯或具有热熔接头的聚丁烯（与带刺配件，夹具或胶合接头相反），以确保无缝连接管道。正确安装，这些管道将持续25至75年。它们不受土壤中发现的化学物质的影响，具有良好的导热性能。当地环保官员必须接受防冻解决方案。DX系统使用制冷级铜管。

只要垂直钻孔和沟槽被正确地回填并夯实（压扁），垂直和水平环都不会对风景产生不利影响。

水平回路安装使用150至600 mm（6至24 in。）宽度的沟槽。这留下了可以用草种子或草皮恢复的裸露区域。垂直环路需要很小的空间，并导致最小的草坪损坏。

水平和垂直环路由合格承包商安装很重要。塑料管道必须热熔合，并且必须有良好的地对管接触，以确保良好的热传递，例如通过钻孔注入井眼实现的。后者对垂直热交换器系统尤为重要。不正确的安装可能导致低于最佳的热泵性能。

安装注意事项

与空气源热泵系统一样，EES必须由合格的承包商设计和安装。咨询当地的热泵承包商，设计，安装和维修您的设备，以确保高效可靠的运行; 还要确保所有制造商的指示都得到遵守。所有安装应符合CSA C448（加拿大标准协会设定的安装标准）的要求。

地面能源系统的总装机成本根据现场特定条件而有所不同，但可增加附加空调的燃气，电炉或油炉的两倍。开放式或地下水EES的总装机成本可以较低; 额外的费用是由于地面收集者，无论是开放还是闭环。必须将管道安装在没有现有空气分配系统的家中。安装管道系统的难度会有所不同，应由承包商进行评估。

安装成本取决于集尘器的类型和设备规格。为了具有经济吸引力，典型安装的增量成本应在五年内通过节约能源成本来回收。请咨询您的电力公司，以评估投资于地球能源系统的好处。有时为批准的安装提供低成本的融资计划或奖励。

地球能源系统（地源热泵系统）的主要优点

效率

在加拿大，空气温度可能低于-30°C，冬季地面温度一般在-2°C至4°C的范围内，地球能量系统的性能系数（COP）介于2.5和3.8。

加拿大南部的地下水EES装置的加热季节性能因子（HSPF）将在10.7至12.8之间，而电阻加热的HSPF为3.4。类似地，加拿大南部的闭环EES的HSPF将在9.2到11.0之间，其中最有效的闭环热泵可获得更高的价值。

节能

地球能源系统将大大降低您的供暖和冷却成本。与电炉相比，节能成本约为65％。

平均而言，EES将产生的节约比空气源热泵提供的节省约40％。这是由于冬季地下温度高于空气温度的事实。因此，EES可以在冬季提供比空气源热泵更多的热量。

根据当地气候，现有采暖系统的效率，燃料和电力的成本，所安装的热泵的尺寸及其在CSA等级条件下的性能系数，实际节能将会有所不同。在本小册子的后面，将在地球能量系统和电加热系统之间进行加热能源成本比较，以及空气源热泵。

家用热水器

EES还节省了国内热水成本。一些减温器采用一些收集的热量来预热热水; 较新的设计可以根据需要自动切换加热热水。这些功能可以将您的供热费用减少25％至50％。

保养

地源热泵系统EES需要很少的维护。所需维护应由有能力的服务承包商进行，谁应每年检查一次您的单位。

与空气源热泵一样，过滤器和线圈维护对系统性能和使用寿命有重大影响。脏过滤器，线圈或风扇可以减少通过系统的气流。这将降低系统性能，如果长时间持续可能会导致压缩机损坏。

风扇应清洁，以确保其提供正确操作所需的气流。风扇转速应同时检查。滑轮设置不正确，风扇皮带松动或电机速度不正常都会导致性能不佳。

管道工程应根据需要进行检查和清洁，以确保气流不受隔离松散，异常积聚的灰尘或其他障碍物的限制，偶尔会通过格栅。

确保通风口和寄存器不会被家具，地毯或其他妨碍气流的物品阻挡。

在开放式系统中，矿床可能积聚在热泵的热交换器内部。定期检查，如果需要，由合格的承包商用温和的酸溶液进行清洁就足以清除积聚物。在过去的几年中，闭环系统将需要更少的维护，因为它是密封和加压的，消除了可能的矿物或铁矿床积聚。

服务合同类似于石油和天然气炉的合同。

经营成本

由于节省燃料，地球能源系统的运营成本通常远低于其他供热系统的运行成本。合格的热泵安装人员应该能够提供有关

特定地球能源系统使用的电量的信息。

然而，相对的节省将取决于您目前是否在使用电力，石油或天然气，以及您所在地区不同能源的相对成本。通过运行热泵，您将使用更少的天然气或油，但更多的电力。如果你住在电费昂贵的地方，你的运营成本可能会更高。投资地球能源系统的投资回报可能在十年以上。在本小册子的后面，为EES提供运营成本估算。

预期寿命和保修期

地源热泵系统EES的预期寿命约为20至25年。这比空气源热泵高，因为压缩机具有较少的热和机械应力，并受到环境保护。

大多数地源热泵机组都包含零件和劳动力一年保修，一些制造商提供延长的保修计划。但是，制造商之间的保修会有所不同，因此请务必仔细检查。