為什么說地源熱泵系統(tǒng)又叫做地球能源系統(tǒng)（EES）？
時間:2022-01-31
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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(tǒng)已經(jīng)被稱為地球能源系統(tǒng)（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(zhuǎn)移到室內(nèi)空氣中。在夏季，過程相反：從室內(nèi)空氣中取出熱量，并通過地下水或防凍液將其轉(zhuǎn)移到地球上。直接膨脹（DX）地球能量系統(tǒng)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(tǒng)可用于強制空氣和水力加熱系統(tǒng)。它們也可以設(shè)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(tǒng)不提供冷卻。無源冷卻系統(tǒng)通過泵送冷水或通過系統(tǒng)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(huán)”中提供主動冷卻。
地球能源系統(tǒng)（地源熱泵系統(tǒng)）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(nèi)的熱泵單元。不同于一個熱交換器（經(jīng)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(nèi)。
室外管道系統(tǒng)可以是開放系統(tǒng)或閉環(huán)系統(tǒng)。開放系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)通過埋在地下的管道的連續(xù)回路從地面收集熱量。由熱泵制冷系統(tǒng)冷卻到比外部土壤多幾度的防凍液（或DX地球能源系統(tǒng)的制冷劑）通過管道循環(huán)并吸收周圍土壤的熱量。
加熱循環(huán)
在加熱循環(huán)中，地下水，防凍劑混合物或已經(jīng)循環(huán)通過地下管道系統(tǒng)并從土壤中吸收熱量的制冷劑回到房屋內(nèi)的熱泵單元。在地下水或防凍混合系統(tǒng)中，然后通過制冷劑填充的主熱交換器。在DX系統(tǒng)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(tǒng)中，地下水然后被抽回并排放到池塘或井下。在閉環(huán)系統(tǒng)中，防凍混合物或制冷劑被泵送回地下管道系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)中降落到地面，以再次開始循環(huán)。
家用熱水
在某些地源熱泵系統(tǒng)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(zhuǎn)。其他EES根據(jù)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(nèi)，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(huán)
冷卻循環(huán)基本上與加熱循環(huán)相反。制冷劑流動的方向由換向閥改變。制冷劑從室內(nèi)空氣中吸收熱量，并將其直接轉(zhuǎn)運到DX系統(tǒng)中，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)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(tǒng)中）或進入地下管道（在閉環(huán)系統(tǒng)中）。再次，這些多余的熱量可以用來預(yù)熱家用熱水。
與空氣源熱泵不同，EES不需要除霜循環(huán)。地下溫度比空氣溫度穩(wěn)定得多，熱泵單元本身位于內(nèi)部; 因此，不會出現(xiàn)霜凍問題。
系統(tǒng)的一部分
地球能量系統(tǒng)有三個主要部分：熱泵單元本身，液體熱交換介質(zhì)（開放系統(tǒng)或閉環(huán)）和空氣輸送系統(tǒng)（管道系統(tǒng)）。
地源熱泵設(shè)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(tǒng)允許將線圈添加到強制空氣爐中，并使用現(xiàn)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(tǒng)具有廣泛變化的效率等級。用于地下水或開放系統(tǒng)應(yīng)用的地能系統(tǒng)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(huán)應(yīng)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(shè)備相同的司法轄區(qū)規(guī)定了每個范圍的最低效率。地球能源系統(tǒng)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(tǒng)的新進展也使地球能源系統(tǒng)的效率更高。
在低到中等效率范圍內(nèi)，地球能量系統(tǒng)使用單速旋轉(zhuǎn)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(nèi)的單元傾向于使用雙速壓縮機或變速室內(nèi)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(tǒng)現(xiàn)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(tǒng)的產(chǎn)品規(guī)格：
地源熱泵的主要能源之星標準（2004）
產(chǎn)品類別
最小EER
最低COP
水暖（WH）
閉環(huán)
14.1
3.3
是
•集成WH
14.1
3.3
N / A
開環(huán)
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(chǎn)品必須達到或超過技術(shù)規(guī)范，以確保它們是市場上最節(jié)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(guī)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(jié)果，EES的產(chǎn)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(shè)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(tǒng)一樣，通常不是將EES的尺寸設(shè)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(yīng)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(xiàn)的峰值加熱負荷可以通過輔助加熱系統(tǒng)來滿足。以這種方式大小的系統(tǒng)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(tǒng)可以滿足所有冷卻負載和大多數(shù)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(tǒng)EES可用于適應(yīng)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(shè)計注意事項
與空氣源熱泵不同，EES要求設(shè)計井或回路系統(tǒng)以收集和散發(fā)地下熱。
開放系統(tǒng)
如上所述，開放系統(tǒng)使用來自常規(guī)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(qū)可能無法接受，請向當?shù)卣樵?。?br> 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(yīng)由合格的鉆井者安裝。如果您有一個額外的現(xiàn)有井，您的熱泵承包商應(yīng)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(tǒng)應(yīng)設(shè)計為防止任何環(huán)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(huán)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(guī)格將決定開放系統(tǒng)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(guī)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(yīng)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(zhì)差可能會導致開放系統(tǒng)的嚴重問題。您不應(yīng)該使用泉水，池塘，河流或湖泊的水作為您的熱泵系統(tǒng)的來源，除非已被證明沒有過多的顆粒和有機物質(zhì)，并且在全年（通常超過5°C）以避免熱交換器的凍結(jié)。顆粒等物質(zhì)可能堵塞熱泵系統(tǒng)，使其在短時間內(nèi)無法使用。在安裝熱泵之前，您還應(yīng)該對水的酸度，硬度和鐵含量進行測試。您的承包商或設(shè)備制造商可以告訴您什么水平的水質(zhì)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(tǒng)通常需要遵守當?shù)氐姆謪^(qū)法或許可要求。請向當?shù)卣樵?，以確定您所在地區(qū)是否適用限制。
閉環(huán)系統(tǒng)
閉環(huán)系統(tǒng)使用特殊埋地塑料管的連續(xù)回路從地面自身吸取熱量。在DX系統(tǒng)的情況下使用銅管。管道連接到室內(nèi)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(huán)。當開放系統(tǒng)從井中排出水時，閉環(huán)系統(tǒng)將加熱管道中的傳熱溶液再循環(huán)。
管道放置在兩種類型的布置中：垂直或水平。對于大多數(shù)郊區(qū)住宅來說，垂直閉環(huán)安排是一個適當?shù)倪x擇，那里的許多空間受到限制。根據(jù)土壤條件和系統(tǒng)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(huán)插入孔中。DX系統(tǒng)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(nóng)村地區(qū)較為普遍。根據(jù)溝槽中的管道數(shù)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(tǒng)（1200至1800英尺）管材。
最常見的水平換熱器設(shè)計是在同一個溝槽中并排放置的兩根管道。有時在區(qū)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(shè)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(tǒng)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(xù)25至75年。它們不受土壤中發(fā)現(xiàn)的化學物質(zhì)的影響，具有良好的導熱性能。當?shù)丨h(huán)保官員必須接受防凍解決方案。DX系統(tǒng)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(huán)都不會對風景產(chǎn)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(qū)域。垂直環(huán)路需要很小的空間，并導致最小的草坪損壞。
水平和垂直環(huán)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(xiàn)的。后者對垂直熱交換器系統(tǒng)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(tǒng)一樣，EES必須由合格的承包商設(shè)計和安裝。咨詢當?shù)氐臒岜贸邪?，設(shè)計，安裝和維修您的設(shè)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(yīng)符合CSA C448（加拿大標準協(xié)會設(shè)定的安裝標準）的要求。
地面能源系統(tǒng)的總裝機成本根據(jù)現(xiàn)場特定條件而有所不同，但可增加附加空調(diào)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(huán)。必須將管道安裝在沒有現(xiàn)有空氣分配系統(tǒng)的家中。安裝管道系統(tǒng)的難度會有所不同，應(yīng)由承包商進行評估。
安裝成本取決于集塵器的類型和設(shè)備規(guī)格。為了具有經(jīng)濟吸引力，典型安裝的增量成本應(yīng)在五年內(nèi)通過節(jié)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(tǒng)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(tǒng)（地源熱泵系統(tǒng)）的主要優(yōu)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(nèi)，地球能量系統(tǒng)的性能系數(shù)（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(jié)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(huán)EES的HSPF將在9.2到11.0之間，其中最有效的閉環(huán)熱泵可獲得更高的價值。
節(jié)能
地球能源系統(tǒng)將大大降低您的供暖和冷卻成本。與電爐相比，節(jié)能成本約為65％。
平均而言，EES將產(chǎn)生的節(jié)約比空氣源熱泵提供的節(jié)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(jù)當?shù)貧夂颍F(xiàn)有采暖系統(tǒng)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(shù)，實際節(jié)能將會有所不同。在本小冊子的后面，將在地球能量系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)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(jié)省了國內(nèi)熱水成本。一些減溫器采用一些收集的熱量來預(yù)熱熱水; 較新的設(shè)計可以根據(jù)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(yǎng)
地源熱泵系統(tǒng)EES需要很少的維護。所需維護應(yīng)由有能力的服務(wù)承包商進行，誰應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)的氣流。這將降低系統(tǒng)性能，如果長時間持續(xù)可能會導致壓縮機損壞。
風扇應(yīng)清潔，以確保其提供正確操作所需的氣流。風扇轉(zhuǎn)速應(yīng)同時檢查?；喸O(shè)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(yīng)根據(jù)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(tǒng)中，礦床可能積聚在熱泵的熱交換器內(nèi)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(huán)系統(tǒng)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(wù)合同類似于石油和天然氣爐的合同。
經(jīng)營成本
由于節(jié)省燃料，地球能源系統(tǒng)的運營成本通常遠低于其他供熱系統(tǒng)的運行成本。合格的熱泵安裝人員應(yīng)該能夠提供有關(guān)
特定地球能源系統(tǒng)使用的電量的信息。
然而，相對的節(jié)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(qū)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(tǒng)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(yù)期壽命和保修期
地源熱泵系統(tǒng)EES的預(yù)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(yīng)力，并受到環(huán)境保護。
大多數(shù)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(wù)必仔細檢查。
