地熱系統設計：一份全面的全球指南

地熱系統利用地球恆定的地下溫度，為住宅、商業和工業應用提供供暖、製冷和熱水。本指南全面概述了地熱系統設計原則和最佳實踐，以滿足具有不同氣候條件和能源需求的全球受眾的需求。

了解地熱能

地熱能是一種來自地球內部熱量的可再生資源。與太陽能或風能不同，地熱能一年 365 天、每天 24 小時可用，使其成為一種可靠且可持續的能源。在一定深度（通常為 6-10 英尺）以下，地球的溫度保持相對恆定，為製冷提供穩定的散熱器，為供暖提供熱源。

地熱系統的類型

地熱系統大致分為兩大類：

• 地熱熱泵 (GHP) 或地源熱泵 (GSHP)： 這些系統在冬季利用地球作為熱源，在夏季利用地球作為散熱器。它們通常用於住宅和商業建築。
• 直接利用地熱系統： 這些系統直接利用高溫地熱資源於各種應用，例如區域供暖、工業流程和溫室供暖。

地熱熱泵 (GHP) 系統設計

GHP 系統是全球最常見的地熱系統類型。它們由三個主要組件組成：

1. 地下換熱器 (GHX)： 埋在地下的管道網絡，循環傳熱流體（通常是水或水-防凍劑混合物）。
2. 熱泵機組： 一種製冷循環裝置，可在 GHX 和建築物之間傳輸熱量。
3. 分配系統： 一個管道網絡，可將加熱或冷卻的空氣或水輸送到整個建築物。

地下換熱器 (GHX) 設計

GHX 是 GHP 系統的關鍵組件，其設計顯著影響系統的性能和效率。設計 GHX 時必須考慮多個因素，包括：

• 地面熱特性： GHX 周圍土壤或岩石的熱導率和體積熱容量。這些特性決定了熱量可以有效地傳輸到地面或從地面傳輸的程度。
• 地面溫度： GHX 深度處未受干擾的地面溫度。該溫度因位置和深度而異。
• 建築物供暖和製冷負荷： 建築物所需的供暖和製冷能量。
• GHX 配置： GHX 的類型（水平、垂直或池塘/湖泊）及其佈局。
• 傳熱流體： 在 GHX 中循環的流體類型（水、防凍劑混合物或製冷劑）。

地下換熱器的類型

GHX 配置有多種類型，每種類型都有其優點和缺點：

• 垂直 GHX： 由鑽入地面的 一個或多個鑽孔組成，U 形管道插入鑽孔中。垂直 GHX 適用於土地面積有限的場所。範例： 一個垂直 GHX 安裝在日本東京人口稠密的市區。
• 水平 GHX： 由水平埋在溝槽中的管道組成。水平 GHX 比垂直 GHX 需要更多的土地面積，但通常安裝成本較低。範例： 一個水平 GHX 安裝在加拿大亞伯達省的一大片農村地產上。
• 池塘/湖泊 GHX： 由浸沒在池塘或湖泊中的管道組成。如果有合適的水體可用，池塘/湖泊 GHX 是最具成本效益的選擇。範例： 一個池塘 GHX 用於加熱和冷卻瑞士的一個湖畔度假村。
• 蛇形 GHX： 在水平溝槽中使用盤繞的管道來增加熱交換的表面積。與筆直的水平迴路相比，這允許更淺的溝槽深度和更少的土地使用。

GHX 設計注意事項

• 地面熱導率： 準確確定地面熱導率至關重要。這可以通過熱響應測試 (TRT) 實現。TRT 包括將加熱的流體循環通過測試鑽孔，並測量隨時間推移的溫度變化。
• 鑽孔間距： 對於垂直 GHX，適當的鑽孔間距對於防止鑽孔之間的熱干擾至關重要。最佳間距取決於地面熱特性和鑽孔深度。
• 管道材料： 高密度聚乙烯 (HDPE) 是 GHX 最常見的管道材料，因為它具有耐用性、靈活性和耐腐蝕性。
• 灌漿材料： 鑽孔環空（管道和鑽孔壁之間的空間）應填充熱增強灌漿，以改善傳熱並防止地下水污染。

熱泵機組的選擇

熱泵機組負責在 GHX 和建築物之間傳輸熱量。熱泵機組的選擇取決於建築物的供暖和製冷負荷、GHX 設計以及所需的系統性能。

熱泵的類型

• 水-空氣熱泵： 這些熱泵在 GHX 和建築物的空氣分配系統之間傳輸熱量。它們通常用於強制空氣供暖和製冷系統。
• 水-水熱泵： 這些熱泵在 GHX 和建築物的水力分配系統（例如，輻射地板供暖、熱水踢腳板供暖）之間傳輸熱量。它們也可用於提供生活熱水。
• 直接膨脹 (DX) 熱泵： 這些熱泵直接通過 GHX 循環製冷劑。DX 系統比水源熱泵更有效，但更容易洩漏，並且需要更仔細的安裝。

熱泵容量和效率

熱泵的容量應與建築物的供暖和製冷負荷相匹配。熱泵過大會導致短週期和降低效率，而過小會導致供暖或製冷不足。

熱泵的效率以其供暖的性能係數 (COP) 和製冷的能效比 (EER) 來衡量。COP 和 EER 值越高，效率越高。

分配系統設計

分配系統將加熱或冷卻的空氣或水輸送到整個建築物。分配系統的設計取決於熱泵的類型和建築物的佈局。

空氣分配系統

對於水-空氣熱泵，分配系統由一個管道和風口網絡組成，該網絡將調節後的空氣輸送到整個建築物。管道應正確調整尺寸並進行絕緣，以最大限度地減少能量損失。

水力分配系統

對於水-水熱泵，分配系統由一個管道網絡組成，該網絡將加熱或冷卻的水輸送到整個建築物。水力系統可用於輻射地板供暖、熱水踢腳板供暖和風機盤管機組。

直接利用地熱系統設計

直接利用地熱系統直接利用高溫地熱資源於各種應用，例如區域供暖、工業流程和溫室供暖。這些系統通常需要一口地熱井才能獲取熱水或蒸汽。

地熱井設計

地熱井的設計取決於地熱資源的深度和溫度、所需的流量以及地質條件。井套管應設計為承受地熱流體的高溫和高壓。

換熱器設計

換熱器用於將熱量從地熱流體傳輸到應用。換熱器的類型取決於地熱流體的溫度和成分以及應用要求。

分配系統設計

分配系統將加熱的流體輸送給最終用戶。分配系統的設計取決於區域供暖系統或工業設施的規模和佈局。

地熱系統設計中的全球考慮因素

地熱系統設計必須考慮各種全球因素，包括：

• 氣候： 不同的氣候有不同的供暖和製冷需求。GHX 設計必須根據具體的氣候條件量身定制，以確保最佳性能。例如，在較冷的氣候中，可能需要更大的 GHX 來提供足夠的供暖。在較暖的氣候中，重點可能會轉移到有效的散熱。
• 地質： 地質條件（如土壤類型、岩石類型和地下水位）顯著影響 GHX 的設計和安裝。例如，岩石土壤可能需要更昂貴的垂直 GHX 鑽井技術。
• 法規： 地熱系統的設計和安裝受各種法規的約束，這些法規因國家和地區而異。務必遵守所有適用的法規，以確保安全和環境保護。範例： 一些歐洲國家對熱泵中使用製冷劑有嚴格的規定。
• 成本： 地熱系統的設計和安裝成本可能因地點、系統類型和項目的複雜性而異。在繼續進行地熱項目之前，應進行徹底的成本效益分析。
• 可持續性： 地熱系統本質上是可持續的，但重要的是要考慮系統的長期環境影響。例如，應最大限度地減少在 GHX 中使用防凍劑，以防止地下水污染。
• 能源和成本： 地熱系統的經濟性與傳統能源的成本和可用性密切相關。電力/化石燃料成本較高的地區，地熱設施的投資回報率可能會提高。

世界各地地熱系統的範例

• 冰島： 冰島是地熱能的全球領導者，其很大一部分電力和供暖需求都由地熱資源滿足。直接利用地熱系統廣泛用於區域供暖、溫室和水產養殖。
• 美國： 美國具有巨大的地熱潛力，GHP 廣泛用於住宅和商業供暖和製冷。加利福尼亞州的地熱區是世界上最大的地熱發電綜合體。
• 新西蘭： 新西蘭擁有豐富的地熱資源，並將其用於發電、工業流程和旅遊業。羅托魯瓦是一個受歡迎的旅遊目的地，以其地熱景點而聞名。
• 意大利： 意大利是最早利用地熱能發電的國家之一。自 1913 年以來，拉德雷洛地熱區一直在發電。
• 肯尼亞： 肯尼亞是非洲領先的地熱能生產國。地熱發電廠在滿足該國不斷增長的電力需求方面發揮著越來越重要的作用。
• 法國： 法國在各個城市利用地熱能進行區域供暖。巴黎盆地是一個重要的地熱資源。

地熱系統設計的軟件和工具

有多種軟件工具可用於協助地熱系統設計，包括：

• GLD（地下迴路設計）： 用於設計 GHX 的軟件程序。
• EES（工程方程式求解器）： 一個通用方程式求解器，可用於對地熱系統進行建模。
• TRNSYS： 一個瞬態系統模擬程序，可用於模擬地熱系統的性能。
• GeoT*SOL： 專為地熱系統模擬和分析而設計的軟件。

地熱系統設計的最佳實踐

為確保地熱項目的成功，必須遵循地熱系統設計的最佳實踐，包括：

• 進行全面的現場評估： 評估地面熱特性、地質條件以及建築物的供暖和製冷負荷。
• 選擇適當的 GHX 配置： 選擇最適合現場條件和建築物能源需求的 GHX 配置。
• 設計 GHX 以獲得最佳性能： 正確調整 GHX 的尺寸並選擇適當的管道和灌漿材料。
• 選擇高效熱泵： 選擇具有高 COP 和 EER 的熱泵。
• 設計尺寸合適的分配系統： 確保分配系統尺寸合適並進行絕緣，以最大限度地減少能量損失。
• 遵守所有適用的法規： 確保地熱系統的設計和安裝符合所有適用的法規。
• 監控系統性能： 監控系統性能以確保其高效運行。

地熱能的未來

地熱能是一種很有前途的可再生能源，具有在滿足全球能源需求方面發揮重要作用的潛力。隨著技術的進步和成本的降低，地熱系統對各種應用越來越有吸引力。持續的研發對於進一步提高地熱系統的效率和經濟性，以及釋放這種有價值的可再生資源的全部潛力至關重要。

結論

地熱系統設計是一個複雜的過程，需要仔細考慮各種因素，包括地面熱特性、建築物的供暖和製冷負荷、氣候條件和法規。通過遵循最佳實踐和利用適當的軟件工具，可以設計和安裝高效且可持續的地熱系統，從而顯著節省能源並減少溫室氣體排放。本綜合指南為了解地熱系統設計原則及其在不同全球環境中的應用奠定了基礎。請記住諮詢合格的地熱專業人員，以進行針對特定地點的設計和安裝。