用熱泵加熱和冷卻

地源熱泵在冬季使用地球或地下水或兩者作為熱源，而作為夏天從家中排出的熱量的“水槽”。因此，地源熱泵系統已經被稱為地球能源系統（EES）。通過使用液體如地下水或防凍液從地球除去熱量; 液體的溫度由熱泵升高; 并將熱量轉移到室內空氣中。在夏季，過程相反：從室內空氣中取出熱量，并通過地下水或防凍液將其轉移到地球上。直接膨脹（DX）地球能量系統使用地熱交換器中的制冷劑，而不是防凍溶液。

地球能量系統可用于強制空氣和水力加熱系統。它們也可以設計和安裝，僅提供加熱，加熱采用“被動”冷卻，或采用“主動”冷卻加熱。僅采暖系統不提供冷卻。無源冷卻系統通過泵送冷水或通過系統防凍來提供冷卻，而不使用熱泵來幫助過程。如下所述，在“冷卻循環”中提供主動冷卻。

地球能源系統（地源熱泵系統）如何運作？

所有EES有兩部分：房屋外的地下管道電路和房屋內的熱泵單元。不同于一個熱交換器（經常是壓縮機）位于外部的空氣源熱泵，整個地源熱泵單元位于房屋內。

室外管道系統可以是開放系統或閉環系統。開放系統利用了保存在地下水體中的熱量。水通過井直接吸入熱交換器，在那里它的熱量被提取出來。水被排放到地下水體，如溪流或池塘，或者通過單獨的井回到同一個地下水體。

閉環系統通過埋在地下的管道的連續回路從地面收集熱量。由熱泵制冷系統冷卻到比外部土壤多幾度的防凍液（或DX地球能源系統的制冷劑）通過管道循環并吸收周圍土壤的熱量。

加熱循環

在加熱循環中，地下水，防凍劑混合物或已經循環通過地下管道系統并從土壤中吸收熱量的制冷劑回到房屋內的熱泵單元。在地下水或防凍混合系統中，然后通過制冷劑填充的主熱交換器。在DX系統中，制冷劑直接進入壓縮機，沒有中間熱交換器。

熱量傳遞到制冷劑，該制冷劑變成低溫蒸氣。在開放的系統中，地下水然后被抽回并排放到池塘或井下。在閉環系統中，防凍混合物或制冷劑被泵送回地下管道系統以再次加熱。

換向閥將制冷劑蒸汽引導到壓縮機。然后蒸氣被壓縮，這降低了體積并使其升溫。

最后，換向閥將現在熱的氣體引導到冷凝器盤管，在那里它將熱量排放到吹過線圈并通過管道系統的空氣以加熱家庭。放熱后，制冷劑通過膨脹裝置，其溫度和壓力在其返回到第一熱交換器之前進一步下降，或者在DX系統中降落到地面，以再次開始循環。

家用熱水

在某些地源熱泵系統EES中，熱交換器（有時稱為“過熱降溫器”）在離開壓縮機之后從熱制冷劑中獲取熱量。來自家庭熱水器的水通過冷凝器盤管前面的線圈泵送，以便在冷凝器處消散的一些熱量用于加熱水。在夏季制冷模式下始終可以使用過熱，而當熱泵高于平衡點時，在溫和的天氣下，也可以在加熱模式下使用，而不能滿負荷運轉。其他EES根據需要提供家用熱水（DHW）：整機在需要時切換到提供DHW。

由于壓縮機位于室內，EESs的水加熱更容易。因為EES具有相對恒定的加熱能力，所以它們通常比空間加熱所需的剩余加熱容量多一個小時。

冷卻循環

冷卻循環基本上與加熱循環相反。制冷劑流動的方向由換向閥改變。制冷劑從室內空氣中吸收熱量，并將其直接轉運到DX系統中，或將其轉移到地下水或防凍液中。然后將熱量泵送到水體中或返回井（在開放系統中）或進入地下管道（在閉環系統中）。再次，這些多余的熱量可以用來預熱家用熱水。

與空氣源熱泵不同，EES不需要除霜循環。地下溫度比空氣溫度穩定得多，熱泵單元本身位于內部; 因此，不會出現霜凍問題。

系統的一部分

地球能量系統有三個主要部分：熱泵單元本身，液體熱交換介質（開放系統或閉環）和空氣輸送系統（管道系統）。

地源熱泵設計方式不同。獨立單元將鼓風機，壓縮機，熱交換器和冷凝器盤管組合在一個機柜中。分體系統允許將線圈添加到強制空氣爐中，并使用現有的鼓風機和爐。

能效注意事項

與空氣源熱泵一樣，地球能量系統具有廣泛變化的效率等級。用于地下水或開放系統應用的地能系統的加熱COP等級從3.6到5.2，冷卻EER等級在16.2和31.1之間。那些用于閉環應用的加熱COP額定值在3.1和4.9之間，而EER等級從13.4到25.8。

與空氣源設備相同的司法轄區規定了每個范圍的最低效率。地球能源系統的效率有了顯著的提高。今天，空氣源熱泵制造商可獲得的壓縮機，電機和控制系統的新進展也使地球能源系統的效率更高。

在低到中等效率范圍內，地球能量系統使用單速旋轉或往復式壓縮機，相對標準的制冷劑與空氣的比例，但過大的強化表面制冷劑對水熱交換器。

中檔單位采用渦旋壓縮機或先進的往復式壓縮機。在高效率范圍內的單元傾向于使用雙速壓縮機或變速室內風扇馬達或兩者，或多或少具有相同的熱交換器。

地球能源系統現在可以在加拿大的能源之星?高效率倡議下獲得資格。在加拿大，能源之星目前包括

以下地球能源系統的產品規格：

地源熱泵的主要能源之星標準（2004）

產品類別	最小EER	最低COP	水暖（WH）
閉環	14.1	3.3	是
•集成WH	14.1	3.3	N / A
開環	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

要被允許顯示能源之星符號，產品必須達到或超過技術規范，以確保它們是市場上最節能的之一。最低要求從一個類別到另一個類別不同，但通常能源之星模式必須比常規型號高出10％至50％。

尺寸注意事項

與外部空氣不同，地面的溫度保持相當恒定。結果，EES的產量在整個冬天幾乎沒有變化。由于EES的輸出是相對恒定的，因此可以設計為滿足幾乎所有的空間加熱要求 - 足夠的容量可以提供熱水作為“額外的”。

與空氣源熱泵系統一樣，通常不是將EES的尺寸設置為提供房屋所需的所有熱量。為了獲得最大的成本效益，EES的大小應該達到最大“需求負荷”（空間采暖和供熱總需求）的60％至70％。在惡劣天氣條件下偶爾出現的峰值加熱負荷可以通過輔助加熱系統來滿足。以這種方式大小的系統實際上將提供大約95％的用于空間加熱和水加熱的總能量。

具有可變速度或容量的EES可用于雙速壓縮機配置。這種類型的系統可以滿足所有冷卻負載和大多數加熱負載低速，高速度需要高加熱負載。

各種尺寸的地源熱泵系統EES可用于適應加拿大的氣候。單位面積從7 kW到35 kW（24 000 to 12萬Btu / h），包括家庭熱水（DHW）的選擇。

設計注意事項

與空氣源熱泵不同，EES要求設計井或回路系統以收集和散發地下熱。

開放系統

如上所述，開放系統使用來自常規井的地下水作為熱源。地下水被泵入熱泵單元，在那里提取熱量。然后，“二手”水在溪流，池塘，溝渠，排水瓦，河流或湖泊中釋放。這個過程通常被稱為“開放放電”方法。（您所在地區可能無法接受，請向當地政府查詢。）

釋放廢水的另一種方法是通過排水井，這是將水返回地面的第二口井。排污井必須具有足夠的能力處理通過熱泵的所有水，并且應由合格的鉆井者安裝。如果您有一個額外的現有井，您的熱泵承包商應該有一個井鉆井，確保它適合作為拒絕井。不管使用哪種方法，系統應設計為防止任何環境破壞。熱泵簡單地去除或加熱到水中; 不添加污染物。返回環境的唯一變化是溫度稍微升高或降低。

熱泵單元的尺寸和制造商的規格將決定開放系統所需的水量。特定熱泵型號的水需求通常以每秒升（L / s）表示，并列在該單元的規格中。10 kW（34 000 Btu / h）容量的熱泵在運行時將使用0.45至0.75 L / s。

您的井和泵組合應足夠大，除了滿足您的家庭用水需求外，還可以提供熱泵所需的水。您可能需要放大壓力罐或修改您的管道以向熱泵提供足夠的水。

水質差可能會導致開放系統的嚴重問題。您不應該使用泉水，池塘，河流或湖泊的水作為您的熱泵系統的來源，除非已被證明沒有過多的顆粒和有機物質，并且在全年（通常超過5°C）以避免熱交換器的凍結。顆粒等物質可能堵塞熱泵系統，使其在短時間內無法使用。在安裝熱泵之前，您還應該對水的酸度，硬度和鐵含量進行測試。您的承包商或設備制造商可以告訴您什么水平的水質是可以接受的，在什么情況下可能需要特殊的熱交換器材料。安裝開放式系統通常需要遵守當地的分區法或許可要求。請向當地政府查詢，以確定您所在地區是否適用限制。

閉環系統

閉環系統使用特殊埋地塑料管的連續回路從地面自身吸取熱量。在DX系統的情況下使用銅管。管道連接到室內熱泵，形成密封的地下回路，防凍液或制冷劑通過該回路循環。當開放系統從井中排出水時，閉環系統將加熱管道中的傳熱溶液再循環。

管道放置在兩種類型的布置中：垂直或水平。對于大多數郊區住宅來說，垂直閉環安排是一個適當的選擇，那里的許多空間受到限制。根據土壤條件和系統尺寸，將管道插入直徑為150 mm（6 in。）的鉆孔中，深度為18至60 m（60至200 ft。）。通常，每噸（3.5 kW或12 000 Btu / h）的熱泵容量需要約80至110 m（270至350英尺）的管道。管孔的U形環插入孔中。DX系統可以具有較小的直徑孔，這可以降低鉆井成本。

水平安排在農村地區較為普遍。根據溝槽中的管道數量，管道通常深度在1.0至1.8米（3至6英尺）深的溝槽中。通常，每噸熱泵容量需要120至180米（400至600英尺）的管道。例如，良好的絕緣，185米2（2000平方英尺）家可能會需要360至540微米的三噸系統（1200至1800英尺）管材。

最常見的水平換熱器設計是在同一個溝槽中并排放置的兩根管道。有時在區域有限的地方使用的另一種熱交換器是描述其形狀的“螺旋形”。如果土地面積有限，其他水平回路設計在每個溝槽中使用四根或六根管道。

無論您選擇何種安排，所有用于防凍溶液系統的管道必須至少為100系列聚乙烯或具有熱熔接頭的聚丁烯（與帶刺配件，夾具或膠合接頭相反），以確保無縫連接管道。正確安裝，這些管道將持續25至75年。它們不受土壤中發現的化學物質的影響，具有良好的導熱性能。當地環保官員必須接受防凍解決方案。DX系統使用制冷級銅管。

只要垂直鉆孔和溝槽被正確地回填并夯實（壓扁），垂直和水平環都不會對風景產生不利影響。

水平回路安裝使用150至600 mm（6至24 in。）寬度的溝槽。這留下了可以用草種子或草皮恢復的裸露區域。垂直環路需要很小的空間，并導致最小的草坪損壞。

水平和垂直環路由合格承包商安裝很重要。塑料管道必須熱熔合，并且必須有良好的地對管接觸，以確保良好的熱傳遞，例如通過鉆孔注入井眼實現的。后者對垂直熱交換器系統尤為重要。不正確的安裝可能導致低于最佳的熱泵性能。

安裝注意事項

與空氣源熱泵系統一樣，EES必須由合格的承包商設計和安裝。咨詢當地的熱泵承包商，設計，安裝和維修您的設備，以確保高效可靠的運行; 還要確保所有制造商的指示都得到遵守。所有安裝應符合CSA C448（加拿大標準協會設定的安裝標準）的要求。

地面能源系統的總裝機成本根據現場特定條件而有所不同，但可增加附加空調的燃氣，電爐或油爐的兩倍。開放式或地下水EES的總裝機成本可以較低; 額外的費用是由于地面收集者，無論是開放還是閉環。必須將管道安裝在沒有現有空氣分配系統的家中。安裝管道系統的難度會有所不同，應由承包商進行評估。

安裝成本取決于集塵器的類型和設備規格。為了具有經濟吸引力，典型安裝的增量成本應在五年內通過節約能源成本來回收。請咨詢您的電力公司，以評估投資于地球能源系統的好處。有時為批準的安裝提供低成本的融資計劃或獎勵。

地球能源系統（地源熱泵系統）的主要優點

效率

在加拿大，空氣溫度可能低于-30°C，冬季地面溫度一般在-2°C至4°C的范圍內，地球能量系統的性能系數（COP）介于2.5和3.8。

加拿大南部的地下水EES裝置的加熱季節性能因子（HSPF）將在10.7至12.8之間，而電阻加熱的HSPF為3.4。類似地，加拿大南部的閉環EES的HSPF將在9.2到11.0之間，其中最有效的閉環熱泵可獲得更高的價值。

節能

地球能源系統將大大降低您的供暖和冷卻成本。與電爐相比，節能成本約為65％。

平均而言，EES將產生的節約比空氣源熱泵提供的節省約40％。這是由于冬季地下溫度高于空氣溫度的事實。因此，EES可以在冬季提供比空氣源熱泵更多的熱量。

根據當地氣候，現有采暖系統的效率，燃料和電力的成本，所安裝的熱泵的尺寸及其在CSA等級條件下的性能系數，實際節能將會有所不同。在本小冊子的后面，將在地球能量系統和電加熱系統之間進行加熱能源成本比較，以及空氣源熱泵。

家用熱水器

EES還節省了國內熱水成本。一些減溫器采用一些收集的熱量來預熱熱水; 較新的設計可以根據需要自動切換加熱熱水。這些功能可以將您的供熱費用減少25％至50％。

保養

地源熱泵系統EES需要很少的維護。所需維護應由有能力的服務承包商進行，誰應每年檢查一次您的單位。

與空氣源熱泵一樣，過濾器和線圈維護對系統性能和使用壽命有重大影響。臟過濾器，線圈或風扇可以減少通過系統的氣流。這將降低系統性能，如果長時間持續可能會導致壓縮機損壞。

風扇應清潔，以確保其提供正確操作所需的氣流。風扇轉速應同時檢查。滑輪設置不正確，風扇皮帶松動或電機速度不正常都會導致性能不佳。

管道工程應根據需要進行檢查和清潔，以確保氣流不受隔離松散，異常積聚的灰塵或其他障礙物的限制，偶爾會通過格柵。

確保通風口和寄存器不會被家具，地毯或其他妨礙氣流的物品阻擋。

在開放式系統中，礦床可能積聚在熱泵的熱交換器內部。定期檢查，如果需要，由合格的承包商用溫和的酸溶液進行清潔就足以清除積聚物。在過去的幾年中，閉環系統將需要更少的維護，因為它是密封和加壓的，消除了可能的礦物或鐵礦床積聚。

服務合同類似于石油和天然氣爐的合同。

經營成本

由于節省燃料，地球能源系統的運營成本通常遠低于其他供熱系統的運行成本。合格的熱泵安裝人員應該能夠提供有關

特定地球能源系統使用的電量的信息。

然而，相對的節省將取決于您目前是否在使用電力，石油或天然氣，以及您所在地區不同能源的相對成本。通過運行熱泵，您將使用更少的天然氣或油，但更多的電力。如果你住在電費昂貴的地方，你的運營成本可能會更高。投資地球能源系統的投資回報可能在十年以上。在本小冊子的后面，為EES提供運營成本估算。

預期壽命和保修期

地源熱泵系統EES的預期壽命約為20至25年。這比空氣源熱泵高，因為壓縮機具有較少的熱和機械應力，并受到環境保護。

大多數地源熱泵機組都包含零件和勞動力一年保修，一些制造商提供延長的保修計劃。但是，制造商之間的保修會有所不同，因此請務必仔細檢查。